刍议地铁结构的耐久性设计方法

摘要： 近年来地铁成为我国各大城市交通中的重要组成部分，已经逐步成为城市客运交通的主力。而地铁设计中结构设计时耐久性设计则是必须要考虑的问题，否则地铁的安全性与使用持久性便无法得到保障。本文首先分析了影响地铁结构耐久性的几个因素，接下来提出一些增强耐久性的设计方法。

Abstract： In recent years， the subway has become an important part in the transport of the major cities in China， and has gradually become the main force of the urban passenger transport. Durability design in subway structure must be considered， in order to guarantee the security of subway. The paper firstly analyzes several factors that affect the durability of the subway structure， and then puts forward design methods to enhance durability.

关键词： 地铁结构；耐久性；设计方法

Key words： subway structure；durability；design method

中图分类号：U231+.3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）06-0096-02

0 引言

与一般地上地下建筑比较，地铁投资大、实际使用年限长、维修加固困难，且地铁因为所处环境、施工方案、功能使用等的特殊性，故而对其耐久性也提出了更高的要求。除高架及深埋外地铁结构通常在地下埋深为几至二十米，受地下围岩环境影响较大，且在车站中间存在一定浓度的二氧化碳，有害离子的含量也更丰富，极容易给结构混凝土造成较恶劣的负面影响。再者当地铁正式运营时，杂散电流的存在，也会让地铁结构混凝土里的钢筋加速腐蚀。

1 影响地铁结构耐久性的几点原因

地铁工程中的混凝土结构，绝大部分是安置在岩土内，岩土内所存在的地下水将使其耐久性分析研究的过程变得更加复杂与不确定。地铁结构耐久性研究需要考虑到几方面的影响因素，如：同土体或者水体发生直接接触、应力情况更为复杂；岩土介质具有流变性、非线性、不均匀性特点；地下施工管理的实际情况给模拟、观察、试验等项工作带来不便。具体来讲，影响地铁结构耐久性的因素有几个方面：其一是环境影响，包括温度、湿度、二氧化碳、地下水、特殊离子、杂散电流等；其二是材料影响，包括水灰配合比、骨料、水泥种类等；其三是结构力学影响，包括土体流变、裂缝存在、偏移沉降、结构尺寸变化等；其四是施工影响，包括混凝土浇筑、混凝土振捣、支护模式、质量管理等。

1.1 化学作用力给结构带来的破坏 化学作用力所带来的破坏有碳化腐蚀，氯离子、硫酸根离子、镁离子的腐蚀等。化学作用力对于钢筋的破坏非常严重，所造成的损失亦极为庞大。据美国标准局的调研，美国每年因为腐蚀所造成的工程损失为数百亿美元，其中钢筋腐蚀约占总数的40%。结构本身存在一定有害离子直接威胁着地铁结构的安全与耐久性，如：碱骨料反应；地铁周边岩土环境中存在的有害离子，在长期作用下侵蚀混凝土、锈蚀钢筋；而地铁内部环境里面的氧气与二氧化碳气体也容易侵入到结构中去，产生另一方面的化学腐蚀，由此带来很多钢筋混凝土碳化严重的问题。以上情况导致混凝土出现裂缝、钢筋大面积锈蚀，必须依靠大范围的维修才能保证工程安全。

1.2 杂散电流给结构带来的破坏 一般的地铁列车都是采取直流电力进行牵引，受到很多方面原因的影响，结构中会出现数量不等的迷流，亦称泄露电流。泄露电流会对地铁附近的通讯电缆、金属管道等位置的结构钢筋产生化学性腐蚀，不但可能减少金属管线的应用期限，而且会让钢筋混凝土主体结构耐久性与强度降低，严重的会造成突发性灾难事故。

1.3 差异沉降给结构带来的破坏 不同地铁结构工程所处地质环境特点有较显著差别，土体的固结特质与流变程度区别也很大，当地铁完成建设以后，一部分地段土体依然保留程度不同的流变变形与固结下降特点，而其附近位置的流变变形与固结下降特点则表现得不甚明显，这就会使得不同位置的结构发生不稳定欠均匀的沉降变形，最终造成不同地段间的结构应用挤压影响，在此基础上发生裂缝。这样的现象在管道结构连接位置出现的机率最高。

1.4 受力与荷载给结构带来的破坏 不同地铁结构工程所处环境与施工方式的区别，会让结构所受荷载出现区别，每一部分结构物的应力状态也随之产生变化，在受弯区、拉压区、剪应力区的状态都会造成改变。地铁工程混凝土结构耐久性同混凝土材料的渗透性有密切关系，受力情况则是材料渗透性的直接影响因素，处于拉应力位置的材料孔隙大，其渗透性会更加明显，混凝土也就容易发生碳化，氯化物等有害介质渗透其中，会对钢筋造成锈蚀影响。再者，地下水如果发生耦合渗流效应，也会直接关系到土体结构的质量，间接造成结构耐久性的损失。

2 地铁结构耐久性设计要点

2.1 选择材料 地铁设计施工特别是车站附近设计施工时，应该尽量减少混凝土水化热所造成的温度应力，在地下车站顶、侧墙、底板等位置的混凝土需要具备良好的自防水能力。所以，水泥的选择过程中，需要注意优选那些水化热水平低、含碱量小、干缩性弱、抗腐蚀性优越的材料。选择混凝土集料的时候，要考虑到碱活性因素，应当避免碱骨料不良反应造成的危害，选择合理级配，提高混凝土密实程度。

2.2 构造方法

①地铁在布置结构时尽量保证构件截面均匀，防止截面出现突变式尖角，防止混凝土的荷载应力和收缩应力过度集中。②因为地铁结构以长条型宽大式为多，所以在进行配筋时需要增强纵向分布钢筋，依据细而密的基本原则进行配置，防止混凝土发生收缩裂缝。③混凝土结构构件在形状的选择上应该避免水、汽等有害物质的侵入。④防迷流设计内容必不可少，防护杂散电流通常要仿照堵为主、排为辅的原则进行设计。

2.3 计算要点 ①根据环境类别、设计使用年限、构件形式合理选择混凝土强度等级、最大水胶比、保护层厚度、计算裂缝宽度等。②构件尺寸选择合理；力学基本假定合理；计算模型、计算工况符合实际；合理选择控制内力。

3 提升地铁结构耐久性的细节建议

3.1 对混凝土实施保护 混凝土里面如果存在大量孔隙，则会给介质的渗入提供便利。若想使耐久性得到提高，需要从改变自身抗渗性能、抗裂性能，改变介质隔离工作效果上着手，现代在技术允许的范围内可以应用一些新型混凝土，如：性能标准高的混凝土，用高性能掺和料与凝胶材料代替传统水泥，这样制作出来的混凝土强度高、收缩性低、抗渗特征明显；钢纤维形式混凝土，把钢纤维加到混凝土里面，可以提高混凝土抗拉、抗弯、抗断裂功能，让原本柔脆的混凝土塑性更好；具备梯度功能的混凝土，其中包含一般混凝土的防护层、过渡区水泥材料等，可以让混凝土抗裂与抗渗性能更优越。除了应用新型混凝土材料以外，还可以把侵蚀物质同混凝土进行隔离，比如可以将混凝土的外部涂上保护膜，以起到提高混凝土抗渗能力与表面憎水功能的作用。就目前来讲，混凝土保护膜大致可以分成两类，第一类是环氧沥青型，包括改性沥青、环氧聚胺酯等，其具有坚实耐磨、适应轻微裂缝、耐腐蚀、粘结性好的优点；第二类是渗透结晶型，这种类型的保护膜是无机材料，可以将其在混凝土表面压平、收水并抹光，使之可以渗入到混凝土的每一处微小裂缝中，让混凝土完成表面致密性改造，当混凝土终凝之前就可以形成外部保护层，避免水分发生蒸发，让混凝土上的毛细通路阻断，为碳化过程减速。

3.2 防止钢筋发生锈蚀 除了对混凝土加以保护间接防止钢筋发生锈蚀之外，还可以在环境恶劣的环境中直接给钢筋以保护性处理。除了一般的使钢筋材质发生变化的办法如加用不锈钢筋与耐腐蚀钢筋以外，还可以应用下列办法，即：施加钢筋去锈剂；给以铁钢筋阴极保护；电化学碱化；电化学去氯；钢筋涂层；钢筋镀层等。

4 总结

对地铁地下工程结构耐久性产生不良影响的原因是多方面的，有些原因目前为止尚不明确，还有一些原因研究的深入程度不够，具有较强的不确定性。地铁结构设计工作人员要多借鉴国际上成功的经验做法，在设计理念、构造特点、结构体系等角度进行研究，并且充分考虑到当前时期的工艺材料水平与施工管理能力，以备拿出安全度高、结构合理的设计方案，让地铁的耐久性更强。

参考文献：

[1]GB/T 50476-2008，混凝土结构耐久性设计规范[S].

[2]俞海勇.上海轨道交通地下工程混凝土结构耐久性设计[J].中国市政工程，2008（05）.

[3]吕文斌.聚羧酸耐久性混凝土在地铁车站工程中的应用[J].中国市政工程，2010（03）.