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氯盐和冻融循环复合作用对浅埋公路隧道安全性能的影响

文档作者：尹蓉蓉朱合华文档来源： 1．同济大学地下建筑与工程系 2．江苏科技大学船舶与海洋工程学院		点击数：	更新时间： 2022年11月19日
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第37卷第6期
2011年12月
四川建筑科学研究
Siehuan Building Science 109
氯盐和冻融循环复合作用对浅埋公路隧道安全
性能的影响
尹蓉蓉 ，朱合华
(1．同济大学地下建筑与工程系，上海200092；
2．江苏科技大学船舶与海洋工程学院，江苏镇江212003)
摘要：对氯盐和冻融循环复合作用后V级围岩中埋深为10 m的隧道，运用同济曙光软件建立荷载一结构法拉压弹簧模型进
行分析计算。计算表明：1)随着环向裂缝宽度(钢筋锈蚀程度的增加)以及纵向裂缝深度的增加，隧道安全性能逐渐降低；2)
衬砌具有相同钢筋锈蚀程度和纵向裂缝深度时，拱顶处病害比拱腰处病害对隧道安全性能的影响大；3)当环向裂缝宽度小于
0．2 mm时，环向裂缝宽度的变化对隧道衬砌安全性能影响不大。
关键词：浅埋；公路隧道；氯盐；冻融循环；安全性状
中图分类号：U452．2 7 文献标识码：A 文章编号：1008—1933(2011)06—109—04
Safety influenced by combined action of chloride and cycles of freezing and
thawing to shallow highway tunnel
YIN Rongrong ．ZHU Hehua
(1．Dept．of Geotechnical Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China；
2．School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，China)
Abstract：This study，using GeoFBA，generates a load—structure method tensile—eompressional model for analyzing and calculating the
tunnel that is lOm·-depth--embedment surrounding rock V and is eroded by combined action of chloride and cycles of freezing and
thawing．The calculation indicates that first of all，the tunnel safety falls down gradually with the increase of circumferential crack width
(the degree of corrosion of reinforcement)as well as longitudinal crack depth；furthermore，when lining sufers the same corrosion
degree of reinforcement and the same depth of longitudinal crack，the problem Occurs on the arch crown which would bring up bigger
efect to the tunnel safety than that occurs in the haunch；In addition，the change of circumferential crack width，which is smaller than
0．2 mm，would make less influence to the tunnel lining safety．
Key words：shallow；highway tunnel；chloride；cycles of freezing and thawing；safety
0 引 言
我国目前有很多已建成的隧道处于沿海地区，
当这些地区还存在正负温交替时，隧道衬砌不仅受
到氯盐侵蚀，同时还存在严重的冻融破坏。因此，有
必要分析氯盐与冻融循环复合作用下隧道的安全
性能。
1 氯盐及冻融循环复合作用下混凝
土劣化机理
根据试验¨剖对宏观体积的氯盐溶液和水结冰
以后的体积膨胀率、抗压变形能力进行测定的结果
收稿日期：2010-07-07
作者简介：尹蓉蓉(1974一)，女，江苏淮安人，江苏科技大学副教授。
工学博士，同济大学博士后，主要从事隧道方面的研究。
E —mail：ecsi_ tangjian@163．COrn
显示，盐溶液对混凝土抗冻融循环有双重作用，冰点
的降低、变形能力的增大对混凝土抗冻有利，结冰体
积膨胀率增大和渗透性提高对混凝土抗冻融循环不
利。氯盐溶液中试件表面层饱和程度比在水中高得
多，所以表面层的不利作用大于有利作用，表现为混
凝土严重剥落。表面层以内则是有利因素大于不利
因素，宏观表现为相对动弹性模量下降速度稍为缓
慢。氯盐溶液改变了混凝土在冻融循环过程中的相
对动弹性模量下降和重量损失的速度，而不改变混
凝土的冻融循环破坏机理。
2 氯盐及冻融循环复合作用后钢筋
混凝土的力学性能
2．1 氯盐及冻融循环复合作用后钢筋混凝土的
强度
隧道衬砌中的混凝土受氯盐及冻融循环复合作
用时，其弹性模量因病害会产生折减，折减后的弹性
1l0 四川建筑科学研究 第37卷
模量见(1)式：
E =(1一Y)E (1)
式中 ——衬砌混凝土腐蚀后的弹性模量，kPa；
y——弹性模量的损失率，％ ；
— — 未腐蚀衬砌混凝土的弹性模量，kPa。
2．2 氯盐及冻融循环复合作用后衬砌截面面积
氯盐及冻融循环复合作用不仅会腐蚀混凝土，
还会使钢筋锈蚀。本文引用惠云玲 通过试验得
出的规律和结论：当混凝土结构中钢筋锈蚀到一定
程度，最常见的外观表现形式是}昆凝土沿钢筋出现
纵向锈蚀裂缝，其锈蚀程度主要与钢筋直径和锈蚀
裂缝开展宽度有关。钢筋的锈蚀程度可以用钢筋的
重量损失百分率P来表示。在隧道衬砌的计算中，
从钢筋重量损失百分率可知钢筋截面的损失率，氯
盐及冻融循环复合作用后衬砌截面面积见公式
(2)：
式中
2．3
刚度
E A=E (1一JB1)Ac0+E。(1一P)A 。 (2)
A——材料劣化后衬砌等效截面面积，m ；
E ——混凝土弹性模量，kPa；
— — 混凝土面积损失率，％，大小为h／h。；
A曲——未腐蚀衬砌混凝土截面面积，m ；
E —— 钢筋弹性模量，kPa；
p——钢筋重量损失率，％；
曲— — 衬砌中未锈蚀钢筋截面面积，m 。
氯盐及冻融循环复合作用后钢筋混凝土的
关于氯盐及冻融循环复合作用对钢筋混凝土刚
度的影响，本文引用赵新 的试验结果：外荷载作
用下钢筋发生锈蚀的钢筋混凝土梁既产生横向裂缝
同时也出现了纵向钢筋的锈胀破坏时，横向裂缝和
锈胀开裂会降低钢筋混凝土梁的抗弯刚度，钢筋混
凝土梁抗弯刚度降低的程度决定于横向裂缝的深
度、锈胀开裂形成的纵向裂缝的宽度。假设将锈蚀
钢筋混凝土梁刚度的减小程度用刚度折减系数 来
表示，氯盐及冻融循环复合作用后衬砌的刚度用下
式表示：
E1 =otEI (3)
式中 E——钢筋弹性模量，kPa；
， ——钢筋锈蚀后衬砌的惯性矩，m ；
— — 锈蚀钢筋混凝土梁的刚度折减
系数，％ ；
，——钢筋锈蚀前衬砌的惯性矩，m 。
3 衬砌结构安全性验算方法
隧道设计规范 中将安全系数K定义为结构
的极限承载能力 与实际结构轴力N的比值：
= (4)
如果(4)式计算得到的安全系数 大于或等于
隧道设计规范规定的安全系数K，则认为结构是安
全的，否则认为结构是危险的。
4 模型计算
4．1 模型情况
本文选择V级围岩中埋深为10 m的某单拱标
准二车道隧道作为研究对象，运用同济曙光软件建
立荷载一结构法拉压弹簧模型对衬砌受氯盐及冻融
循环复合作用后的隧道进行分析计算，模型中初期
衬砌采用喷射混凝土，厚20 em，标号为C30；钢筋混
凝土二衬，混凝土厚45 cm，标号亦为C30，钢筋的直
径为22 mm；弹簧的弹性抗力系数参照规范 选取，
其中，压弹簧弹性抗力系数k =200000 kN／m ，拉
弹簧弹性抗力系数取压弹簧的1／2，混凝土氯盐及
冻融循环复合作用后的弹性模量由试验可知减小
了42％ 。
由病害量化方法可知，有病害隧道模型计算结
果与病害位置、病害作用范围、病害的程度(裂缝宽
度、裂缝深度等)、产生病害部位衬砌材料性能(弹
性模量、刚度)等因素的影响。本文主要讨论氯盐
及冻融循环复合作用引起隧道衬砌在拱顶、拱腰
(3O。一50。角)处产生的裂缝对隧道使用功能的影
响，衬砌病害情况见表1。
表1 隧道衬砌的病害情况
Table 1 Defections of tunnel lining
4．2 计算结果
氯盐及冻融循环复合作用使V级围岩埋深10m
隧道衬砌腐蚀后，有裂缝的隧道模型计算所得隧道
全周各个单元(单元在隧道断面的位置见图1～3)
的安全系数分别如图4～6所示。图4表示隧道衬
砌拱顶处有裂缝时的安全系数，拱顶病害处单元编
号为1—53，615—667；图5表示隧道衬砌拱腰处有
尹蓉蓉，等：氯盐和冻融循环复合作用对浅埋公路隧道安全性能的影响 l1 l
图1 拱顶有病害时单元在断面图中的位置
Fig．1 Unit site in the sectional view when disease exists
at arch crown
图2 拱顶、拱腰有病害时单元在断面图中的位置
Fig．2 Unit site in the sectional view when crack exists
at arch cromn。haunch
l50
100
50
。
出一50
． 100
- 150
0 200 400 600 800
单元号
(a)环向裂缝宽度为0．02 mm
360
l
图3 拱腰有病害时单元在断面图中的位置
Fig．3 Unit site in the sectional view when cra ck exists
at haunch
裂缝时的安全系数，拱腰病害处单元编号为243—
322；图6表示隧道衬砌拱顶、拱腰处同时有裂缝时
的安全系数，拱顶、拱腰同时有病害时单元编号为1
— 13，281—299，318—330。安全系数图中将隧道衬
砌受压时的安全系数设为正，受拉时的安全系数设
为负，图中2线、一3线分别代表规范给定的混凝土
受压、受拉时安全系数的界限值，0．06，0．08，0．1，
0．2代表纵向裂缝深度分别为0．06 in，0．08 m，0．1
m，0．2 m时隧道的安全系数。根据安全系数计算结
果，表2～4总结了V级围岩埋深10 m隧道衬砌受
硫酸盐、氯盐及冻融循环复合作用后隧道的安全性
状，表中“、／”代表安全，“×”代表不安全。
单元号
Co)环向裂缝宽度为O．2nxtft
图4 拱顶处存在裂缝时隧道安全系数
Fig．4 Safety coefi cients when crack exists at arch crown
图5 拱腰处存在裂缝时隧道安全系数
Fig．5 Safety coe fficients when crack exists at haunch
4．2．1 拱顶处存在裂缝
V级围岩埋深10 m隧道衬砌受氯盐及冻融循
环复合作用后拱顶处存在裂缝时隧道安全性状见
表2。
单元号
(c)环向裂缝宽度为2Ⅻ “
0 100 200 300 400
单元号
(c)环向裂缝宽度为2 m
4．2．2 拱腰处存在裂缝
V级围岩埋深10 m隧道衬砌受氯盐及冻融循
环复合作用后在拱腰处存在裂缝时隧道安全性状见
表3。
～一 ／＼＼ ／／一 ～ ∞
l12 四川建筑科学研究 第37卷
150
1O0
糕 50
o
{b( 一50
． 100
- 150
，、
n 8 n 二
确 ～二
j 二
l50
100
籁5O
翳 。
悄一50
． 100
． 150
0 100 200 300 400 0 100 200 300 400
单元号 单元号
(a)环向裂缝宽度为0．02姗 (b)环向裂缝宽度为0．2伽n
图6 拱顶、拱腰处存在裂缝时隧道安全系数
Fig．6 Safety coeficients when crack exists at arch crown-haunch
表2 拱顶处存在裂缝时隧道安全性状
Table 2 Sfety condition when cra ck exists at arch crown
： = ： 型 深度／m 0．06 O．08 o．1 o．2 环向裂缝宽度／m — ＼
．
⋯
0．02 、／ 、／ 、／ ×
0．04 、／ 、／ 、／ ×
0．O5 、／ 、／ 、／ ×
0．O8 、／ 、／ 、／ ×
0．1 、／ 、／ V ×
O．2 V 、／ 、／ ×
0．6 、／ 、／ × ×
1．0 x × × ×
1．5 × × × ×
2．0 × × × ×
表3 拱腰处存在裂缝时隧道安全性状
Table 3 Safety condition when crack exists at haunch
一环：向=裂=缝：宽：-=度：／ 型缝深度／m o．o6 o．o8 o．1 o．2 m m — ～ ＼ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯
O．O2 、／ 、／ V 、／
O．o4 、／ 、／ 、／ 、／
0．O5 、／ 、／ 、／ 、／
O．O8 、／ 、／ 、／ 、／
O．1 、／ 、／ 、／ 、／
O．2 、／ 、／ 、／ ×
O．6 V 、／ x／ ×
1．O 、／ 、／ 、／ ×
1．5 、／ 、／ 、／ ×
2．0 × × × ×
4．2．3 拱顶、拱腰处同时存在裂缝
V级围岩埋深10 m隧道衬砌受氯盐及冻融循
环复合作用后在拱顶、拱腰处同时存在裂缝时隧道
安全性状见表4。
表4 拱顶、拱腰处存在裂缝时隧道安全性状
Table 4 Safety condition when crack exists at arch cromn，
haunch
一环向：裂：=缝 宽度／ 型缝深度／m 0．o6 o．o8 0．1 o．2 m m ～ — —
～
⋯ ⋯ ⋯ ⋯
O．O2 、／ 、／ 、／ V
0．04
0 05 x／ -,／
0．08 x／ 、／ 、／ ×
0 1 x
0 2 x
0．6 、／ x／ 、／ ×
1．0 × x X ×
1．5 × × × ×
4．3 结论
1)从安全系数图可以看出，由于氯盐及冻融循
环复合作用造成的隧道衬砌劣化，对病害处衬砌的
200
150
100
50
0
． 50
- 100
／n一 l } ‘
三
． 刚 二
0 10O 200 300 400
单元号
(c)环向裂缝宽度为2 mm
力学性能影响较大，对无病害处衬砌的力学性能影
响较小。
2)随着环向裂缝宽度(钢筋锈蚀程度的增加)
以及纵向裂缝深度的增加，隧道安全性能逐渐降低，
隧道逐渐变得不安全。
3)公路隧道因氯盐及冻融循环复合作用产生
裂缝病害，拱顶处环向裂缝宽度分别为1 mm，1
mm，0．6 mm，0．02 mm，纵向裂缝深度分别为0．06
m，0．08 m，0．1 m，0．2 m时，隧道开始处于不安全状
态；拱腰处环向裂缝宽度为2 m，2 m，2 m，0．2 mm，
纵向裂缝深度为0．06 m，0．08 1TI，0．1 m，0．2 m时，
隧道开始处于不安全状态。由此可得，当衬砌具有
相同钢筋锈蚀程度和纵向裂缝深度时，拱顶处的病
害对隧道安全性能的影响程度比拱腰处的病害对隧
道安全性能影响要大。另外，由于拱顶、拱腰同时存
在病害时的裂缝分布、钢筋锈蚀长度与只是在拱顶
或拱腰处有裂缝的情况不同，由此，拱顶、拱腰同时
存在裂缝这种病害情况的计算结果与仅拱顶或拱腰
处有病害情况的计算结果没有可比性。
4)分析计算结果可以看出，当环向裂缝宽度小
于0．2 mm时，环向裂缝宽度的变化对隧道衬砌安
全性能影响不大。
5)对计算得到衬砌的受力情况进行分析，可以
看出，当钢筋锈蚀程度或纵向裂缝深度较大时，病害
处衬砌结构性能变化较大，此时从衬砌受力状况可
以看出，衬砌在此处发生失稳，而此时用规范给出的
安全系数公式计算得到的安全系数的值不但没有减
小，反而有所增加，这主要是由于规范给出的安全系
数公式不适合衬砌失稳时的计算。因此，本文在判
断隧道是否安全时，要结合安全系数与衬砌受力情
况两种因素综合进行考虑。
参考文献：
[1] 魏广和，张玉生，慕儒．氯化钠溶液对混凝土抗冻性的影响
[J]．工业建筑，2001，31(1)：50-53．
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能[J]．建筑技术，2001，32(10)：658-660．
[3] 惠云玲．混凝土结构中钢筋锈蚀程度评估及预测试验研究
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[4] 赵新．锈蚀钢筋混凝土梁工作性能的试验研究[D]．长沙：
湖南大学，2006．
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