隧道结构耐久性设计.pptx

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三、影响隧道结构耐久性的因素
氯盐环境
环境作用等级
环境条件特征
长期在海水水下区
L1
离平均水位15m以上的海上大气区
离涨潮岸线100～300m的陆上近海区
离平均水位15m以内的海上大气区
L2
离涨潮岸线100m以内的陆上近海区
海水潮汐区或浪溅区（非炎热地区）
海水潮汐区或浪溅区（南方炎热地区）
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三、影响隧道结构耐久性的因素
除了环境因素对高速铁路隧道耐久性影响以外， 空气压缩波以及列车振动作用也是对其影响的主要 因素。有初始裂纹的衬砌结构，在气动压力波正压、 负压的反复作用下，衬砌结构将产生疲劳，裂纹不 断扩展，直到断裂破坏；同时，衬砌结构底部在列 车振动荷载的作用下，也容易出现疲劳性破坏。
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三、影响隧道结构耐久性的因素
空气压反复变动影响的试验结果是： ·随着荷载的反复作用，开裂的端部的混凝土发生疲劳， 微细的开裂徐徐发生； ·最终是开裂急剧发展而剥落； ·开裂的深度越深，在少许的反复次数就破坏了。 根据这个结果，预计实际的剥落形状、荷载的形态、荷载 的水平（5kPa），反复次数（剥落发生预计120万次），认 为疲劳破坏是造成剥落的可能性的主要原因。
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一、隧道结构耐久性的概念
性能的水准
施工质量好
设计水准
环境荷载条件比设计条件好 材料、施工、维修管理好
早期维修的 管理水准
最终的水准 （极限状态）
环境、荷载、条件比、 设计时差、材料、施工、 维修管理差
施工质量差
一次寿命
早期维修时
耐用期间=寿命
二次寿命
使用期间
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二、不重视耐久性设计引起的工程病害
不仅桥梁、房屋等地上结构如此，隧道结构也不 例外。部分隧道数据见下表：
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二、不重视耐久性设计引起的工程病害
各国维修费用、结构物劣化情况
国家
维修费用增加情况
结构物劣化情况
1975年由于腐蚀引起的损失达 对于1950～1960 700亿美元，1985年则达1680 年代以后才大力修 亿美元，目前整个混凝土工程的 建的隧道结构来说， 价值约为6万亿美元，今后每年用 接近1/3的隧道在 美国 于维修或重建的费用预计将高达 使用过程中出现了 3000亿美元，在未来五年内需投 功能性问题和结构 入16000亿美元改善基础设施的 损伤。 安全不良状态。
症疗法”，预计 统计：铁路隧道受腐蚀而裂损的有734
今后增长速度惊 座，占隧道总数的23.2％。
人。
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二、不重视耐久性设计引起的工程病害
部分隧道病害实例如图：
内昆铁路手扒岩隧道
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二、不重视耐久性设计引起的工程病害
内昆铁路手扒岩隧道
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二、不重视耐久性设计引起的工程病害
通过进一步的分析可以发现，隧道结构耐久性 与其所处环境、结构材料和结构本身等诸多方面有 关，同时引起隧道结构耐久性失效的原因存在于结 构的设计、施工及维护的各个环节。
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一、隧道结构耐久性的概念
一般来说，结构物随使用年限的增加，由于外 部条件的变化和养护维修管理不善，结构物会慢慢 劣化，其性能要降低，此劣化程度，视各种条件有 很大的差异，这种结构物性能的历时变化，可用下 图的劣化曲线表示，图的横轴表示经历年限，纵轴 表示性能。从宏观上把握耐久性的概念！
＞24000 —
＞12000
酸性侵蚀 环境水中PH值
≤6.5 ≥5.5
＜5.5 ≥4.5
＜4.5 ≥4.0
—
二氧化碳 环境水中侵蚀性CO2 侵蚀 含量（mg/L）
≥15 ≤40
＞40 ≤100
＞100
—
镁盐侵蚀
环境水中Mg2+含量 （mg/L）
≥300 ≤1000
＞1000 ≤3000
＞3000
—
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三、影响隧道结构耐久性的因素
冻融破坏环境
环境作用等级
环境条件特征
D1
微冻地区+频繁接触水
微冻地区+水位变动区
D2
严寒和寒冷地区+频繁接触水
微冻地区+氯盐环境+频繁接触水
严寒和寒冷地区+水位变动区
D3
微冻地区+氯盐环境+水位变动区
严寒和寒冷地区+氯盐环境+频繁接触水
D4
严寒和寒冷地区+氯盐环境+水位变动区
在目前我国的高速铁路隧道中，支护结构多数 都采用复合式衬砌，复合式衬砌包括初期支护和二次 衬砌两部分，所以在隧道结构耐久性设计中，要分别 考虑初期支护和二次衬砌的耐久性。在复合式衬砌结 构耐久性设计中，要包括以下主要内容：
·明确混凝土结构的使用环境类别与环境作用等级； ·提出混凝土结构的设计使用年限； ·设计与结构耐久性有关的结构构造措施；
中国最早于1890年建成的狮球岭隧道
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1903年建成的第一座长度超过3km（3078m）的隧道 ——兴安岭隧道（双线断面，1993年全面套衬混凝土衬砌， 改为单线行车）
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一、隧道结构耐久性的概念
所谓隧道结构耐久性，是指隧道结构在自然环 境、使用环境及材料内部因素的作用下，在设计要 求的目标使用期内，在预期的少维修、可维修、但 不大修的条件下而保持其安全、使用功能和外观要 求的能力。
关兴公路庞家寨隧道
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二、不重视耐久性设计引起的工程病害
关兴公路蛇形坡隧道
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二、不重视耐久性设计引起的工程病害
成渝高速公路宋家沟一号隧道
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二、不重视耐久性设计引起的工程病害
成渝高速公路中梁山隧道
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二、不重视耐久性设计引起的工程病害
强透水性环境土中 SO42-含量（mg/kg）
弱透水性环境土中 SO42-含量（mg/kg） 环境土中SO42-含量 （mg/kg）
≥2000 ≤3000
≥3000 ≤12000
—
＞3000 ≤12000
＞12000 ≤24000
≥2000 ≤3000
＞12000 ≤24000
＞24000
＞3000 ≤12000
5 0
第一1阶段 2
3第二阶段4
5
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6第三阶段 7
二、不重视耐久性设计引起的工程病害
前车之鉴告诫我们不要重蹈覆辙，亡羊补牢，为时未晚。
抢救已进入维修期的既有隧道的后期维修养护； 抓好未进入维修期的新建隧道的早期维修养护； 狠抓在建隧道的施工质量和运营期的早期维护； 对拟建隧道从头抓起：
适当提高设计基准严格控制施工质量强化早期维修养 护——开展全寿命期的耐久性设计。
功在当代，利在千秋。留下遗产，不留遗憾！
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三、影响隧道结构耐久性的因素
影响高速铁路隧道结构耐久性的主要因素就是 结构物所处的环境，《铁路混凝土结构耐久性设计暂 行规定》（铁建设[2005]157号）把混凝土结构所处 的环境类别概况为：
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二、不重视耐久性设计引起的工程病害
各国维修费用、结构物劣化情况
国家 维修费用增加情况
结构物劣化情况
日本预计结构物维护费 日本建设省对全国3529座公
和改建费仅建设省就超 路隧道检查，发现60％以上
日本 过2兆亿日元，是2003 的隧道都存在着不同程度的 年的3倍，维护费用将 病害。铁路隧道病害也相当
L3
盐渍土地区露出地表的毛细吸附区
遭受氯盐冷冻液和氯盐化冰盐侵蚀部位
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三、影响隧道结构耐久性的因素
化学侵蚀环境
化学侵蚀类型
环境作用等级
H1
H2
H3
H4
环境水中SO42-含量 （mg/L）
≥200 ≤600
＞600 ＞3000 ≤3000 ≤6000
＞6000
硫酸盐侵 蚀
盐类结晶 侵蚀
碳化环境、氯盐环境、化学侵蚀环境、冻融破坏 环境和磨蚀环境。对于高速铁路隧道，一般不考虑磨 蚀环境。
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三、影响隧道结构耐久性的因素
碳化环境
环境作用等级 T1 T2 T3
环境条件特征 室内年平均相对湿度＜60% 长期在水下（不包括海水）或土中
室外环境 室内年平均相对湿度≥60%
水位变动区 干湿交替
四、复合式衬砌结构耐久性设计
初期支护的耐久性
对于铁路隧道结构来说，初期支护一般包括喷混凝土、锚杆、钢架等，所以 对每一种支护措施都应进行耐久性设计。
成渝高速公路中梁山隧道
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二、不重视耐久性设计引起的工程病害
成渝高速公路中梁山隧道
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二、不重视耐久性设计引起的工程病害
东北林区铁路隧道
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二、不重视耐久性设计引起的工程病害
新疆穿越天山的独库公路二号隧道（玉希莫勒盖）
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二、不重视耐久性设计引起的工程病害
需求量达5亿元 有的还相当严重，失格隧道3270座，
中国
人民币左右，但 可悲的是仅能到 位1亿元人民币，
占隧道总数的65％。其中严重漏水的 1502座，占失格隧道的46％；严重腐 蚀裂损的710座，占22％；仰拱或铺 底变形损坏的318座，占9.8％；坍拱
依然维持着“癌 掉块的404座，占12.4％。1998年底
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三、影响隧道结构耐久性的因素
另外，高速铁路隧道是修建在自然地层中的 一种地下结构物，在其使用过程中，作用于衬砌 结构上的外力不断演变，有时会产生预料不到的 外力，这也是影响隧道结构耐久性的一个重要因 素，在耐久性设计中应引起足够重视。
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四、复合式衬砌结构耐久性设计
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三、影响隧道结构耐久性的因素
以日本一座隧道的混凝土掉块事故来加以分析说明：
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三、影响隧道结构耐久性的因素
根据调查结果，外部原因中否定了地压、水压作用、 地震、接近施工、冻胀压力的影响。
关于列车振动和空气压变动，在事故发生地点，对列 车走行时衬砌混凝土的动态进行了量测，其结果如下。
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四、复合式衬砌结构耐久性设计
·提出混凝土原材料品质要求、配合比主要参数 及耐久性的具体指标；
·提出确保混凝土耐久性的施工质量关键控制要求 与措施；
·确定钢筋混凝土保护层厚度； ·提出对结构应采取的防腐蚀附加措施； ·明确结构使用过程中的检测、养护、维修或局部 更换的要求。
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成为日本财政的巨大负 严重，其中高速铁路隧道曾
担。
相继发生三起掉块事件。

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二、不重视耐久性设计引起的工程病害
各国维修费用、结构物劣化情况
国家
维修费用增加情 况
结构物劣化情况
据成都铁路局统 1997年铁路隧道技术状态检查统计：
计，目前铁路隧 既有隧道5000余座，总延长2500km
道每年维修费用 左右，大部分存在不同程度的病害，
目前，我国铁路隧道既有4200多公里，在建4700多 公里，拟建5000多公里，开始进入第二阶段。
耐久性严重不足，安全事故时有发生，维修费用不断 增长，百年大计成为一句空谈。
到了该解决耐久性问题的时候了！
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二、不重视耐久性设计引起的工程病害
2、“5倍定律”告诉我们如何做：
国外学者曾用“五倍定律”形象地描述了混凝土结构耐久 性设计的重要性，即设计阶段对钢筋防护方面少花1美元，那 么就意味着： 发现钢筋锈蚀时再采取措施将追加维修费5元； 到混凝土表面顺筋开裂时再采取措施将追加维修费25美
元； 到严重破坏时再采取措施将追加维修费125美元。
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二、不重视耐久性设计引起的工程病害
从结构寿命阶段的源头抓起，越早越好：
提高设计水平和标准控制施工质量早期维护
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二、不重视耐久性设计引起的工程病害
3、“为时未晚说”
4隧5 4道0
3数5 3量0 25 20
15 10
1、“三阶段说”告诉我们进入第二阶段耐久性问题 突显：
发达国家基本建设的历史经验告诉我们，修建历程大致 分为三个阶段： 第一阶段为大规模新建； 第二阶段为新建与维修改造并重； 第三阶段重点逐渐转向既有建筑物的维修改造。
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二、不重视耐久性设计引起的工程病害
世界各国在第一阶段高速发展时往往重建设轻维 护，加之设计标准低且质量问题也比较突出，所以 当进入第二阶段时，既有建筑物耐久性不足，维修 费用猛增，问题突显，苦不堪言。
·列车振动：最大0.3kine（衬砌表面切线方向）； 最大0.1kine（衬砌表面法向方向）；
·空气压变动：最大6kPa（列车尾部通过时的压力下降） ·应变：最大12μ（衬砌表面切线方向）；
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三、影响隧道结构耐久性的因素
一般说，使衬砌开裂的振动速度是20~30kine， 使混凝土开裂的拉应变一般是200μ左右，因此列车 振动、空气压变动、应变不会成为剥落的主要原因。 但是，空气压变动和列车振动的反复作用，对开裂 的发展是有影响的。因此，进行了空气压反复变动 影响的试验。