地铁结构耐久性设计分析

地铁结构耐久性设计分析

吴鹏云

中铁上海设计院集团有限公司天津分院300073

摘要：地铁工程属于城市公共交通轨道工程，投资大、建设周期长、质量要求高，主体结构工程设计使用寿命长，因此基于耐久性的地铁结构设计至关重要。本文主要分析了地铁结构的裂化机理、影响地铁结构耐久性的因素，以及阐述了地铁结构耐久性设计的相关策略。

关键词：地铁结构；耐久性；设计

与其他工程建设相比较，地铁建设消耗成本大，使用年限长，维修费用高，且所处环境复杂，因此地铁结构应具有较高的耐久性能。但是近年来，地铁运营出现了一些突出性问题，对地铁的安全运营造成重大的事故。所以，地铁结构的耐久性是一项亟待关注的问题。

一、地铁结构裂化机理

地铁结构一般处于地下十几米，施工难度大，所处环境复杂，其中二氧化碳浓度高、地下水和有害离子也较多。影响混凝土裂化因素很多，其主要因素有以下几点：

1.1碱集料反应和碳化反应

碱集料反应是指混凝土中的碱性物质与骨料中的活性成分发生化学反应。发生碱集料反应需要具备三个条件：首先是混凝土的原材料水泥、混合材、外加剂和水中含碱量高；第二是骨料中有相当数量的活性成分；第三是潮湿环境，有充分的水分或湿空气供应。混凝土碱集料反应分为3种：碱—硅反应，碱—碳酸盐反应和碱—硅酸盐反应，其中碱—硅反应最为常见。碱集料反应产生的碱—硅酸盐等凝胶遇水膨胀，将在混凝土内部产生较大的膨胀应力，从而引起混凝土开裂，混凝土产生裂缝后，会加速混凝土的其它破坏，空气、水、二氧化碳等侵入，会使混凝土碳化和钢筋锈蚀速度加快，而钢筋锈蚀产物铁锈的体积远大于钢筋原来的体积，又会使裂缝扩大。碳化反应也称作中性化反应，在条件允许情况下，在毛细孔道内部，水化硅酸钙和水泥石表面产生化学反应，使混凝土碱度变低，呈现中性，让钝化膜更钝，进而腐蚀钢筋。

1.2钢筋锈蚀和混凝土的软水溶蚀

金属铁发生氧化电化学反应会对混凝土造成锈蚀。在该化学反应中，生成物是氧化铁，比金属铁具有更大的体积，所以，钢筋锈蚀导致混凝土开裂，使盐、二氧化碳和水较轻松地深入混凝土结构内部，加快钢筋锈蚀速度。处在流水及压力水中的混凝土结构会导致结构渗漏，溶解内部的氢氧化钙，使之流失在水中，进而使混凝土碱度变低，为了平衡碱性，要分解混凝土内部的胶凝材料，使混凝土变得松散，不具有强度。

1.3地下水的侵蚀

地下水含量较高时，容易和水泥中的水化物发生化学反应，生成新的矿物质。其中，和氢氧化钙发生化学反应时，会产生石膏；和水化铝酸钙发生化学反应时，会产生水化硫酸钙。产生的两种物质具有较强的内应力，损害混凝土表面，使表面出现大范围的、巨大的裂缝。造成的腐蚀不只是一个层面，还会扩散到钢筋表面，腐蚀钢筋，使金属表面钝化膜变薄。

二、地铁结构耐久性的影响因素

2.1化学物质对地铁结构耐久性的影响

地铁结构所处的环境中包括许多化学离子，这些离子与钢筋混凝土中某些物质发生化学反应，使混凝土结构产生大面积的裂缝及钢筋生锈等破环现象，这些破环大大降低了地铁结构的耐久性，严重影响了地铁的安全运营。

2.2杂散电流对地铁结构耐久性的影响

地铁在正常运营中难免有一部分电流从走行轨泄漏到地铁结构周围地质中，由于土壤或其它介质的作用，金属体有电流流出的部位发生电解，使金属体遭受电化学腐蚀。这种电化学反应易腐蚀地铁钢轨、地铁主体结构钢筋、地铁线路附近的埋地金属管线，减少埋地管线使用寿命，降低地铁主体结构的耐久性和强度，有时甚至造成灾难性的事故。

2.3设计因素

在地铁工程建设中，影响地铁结构耐久性的不单单只有自然环境因素，人为因素影响也很多、很突出，比如，建筑结构的设计形状与构造型式、结构的保护层厚度、混凝土的设计水灰比及混凝土的强度等。由于混凝土结构的许多腐蚀过程与自由水的存在有关，因此，建筑结构的设计形状与构造型式对于结构耐久性就显得非常重要。

三、地铁结构耐久性的设计

3.1材料设计

第一，由于地铁结构混凝土浇筑面积大，容易发生水热化而使得产生温度应力，并且考虑到地下侧墙、底板和顶板防水性能优异。所以，地铁结构应选择含碱量少、耐腐蚀性高、抗水性好、水热化低的优质水泥。第二，混凝土集料的选择应考虑其活碱性，应选择使用非活碱性骨料，避免因发生碱骨料反应而破环地铁结构的耐久性。第三，合理的骨料等级配置也很重要，设计中应优化混凝土骨料的易性和拌合物，保障混凝土具有较高的密实度。

3.2构造措施

为确保地铁结构的耐久性，工程构造措施也很重要。工程构造应考虑地铁结构的具体情况而分别设置，为了提高地铁结构的构造质量，应从以下几方面做起：

在地铁结构形式布置上，要均匀化构件截面，防止出现不均匀情况，如菱角、尖角等，目的是为了减少因混凝土集中负载而产生的应力和收缩力。同时要考虑到地铁是大而较宽的长条结构，通过增加分布钢筋的形式强化结构配筋，坚持“细而密”的原则，减少裂缝的产生。

结构构件应考虑其周围环境的实际情况，相应的提高混凝土保护层厚度；结构设计应控制混凝土裂缝的宽度，防止因外界介质的介入而导致钢筋发生腐蚀性破坏；当地铁结构局部出现损坏时，地铁结构的节点构造设计要考虑整体结构的耐久性；混凝土结构构造和形状要避免有气体和水聚集在混凝土表面，应设计防水层，保障地铁结构的安全性；地铁结构还要有防流迷的设计，采用堵和排相结合的方式防护杂散电流，强化监督设计。

3.3施工措施

在地铁结构施工中，应分阶段、分步骤施工，采取措施将水泥水化形成的温热应力释放掉，避免产生温度裂缝，减少钢筋的腐蚀。有些混凝土结构的金属部件、连接件、紧固件等暴露在室外时，应通过采用防腐蚀性措施保护其表面，尤其在恶劣的环境下，需要采用多个保护措施或者合理的防腐措施。混凝土养护工作也应重视，避免产生裂缝。

结语

为了保障地铁运营的安全性以及使用的持久性，在地铁结构设计中，耐久性设计则是要着重考虑的问题。地铁结构设计还应考虑工程实际特点，相应地开展设计工作，设计师应将混凝土结构设计作为一项重要的工作，和相关管理人员共同努力，极力提高地铁结构的耐久性，满足地铁结构的施工质量要求。

参考文献：

[1]何伟.有关地铁结构的耐久性分析[J].黑龙江科技信息，2013.

[2]李伟.刍议地铁结构的耐久性设计方法[J].价值工程，2013.

作者简介

吴鹏云（1980.5.14），男，籍贯宁夏，西安建筑科技大学本科，工程师，单位：中铁上海设计院集团有限公司天津分院，研究方向：地铁结构设计