摘 要：强度和耐久性是混凝土结构的两个重要指标，然而工程中往往只重视结构的强度，或片面追求高强度而忽视结构的耐久性。本文结合地铁结构和劣化机理，从材料选择、构造措施和施工措施三个方面提出了改善地铁结构耐久性的设计要点，希望能引起设计人员的重视。

关键词：地铁结构；耐久性设计；钢筋锈蚀

 

      所谓混凝土结构耐久性，是指混凝土结构在设计确定的环境作用和维修、使用条件下，结构构件在设计使用年限内，保持其适用性和安全性的能力。由于地铁结构多埋置于地下，与地下水、岩土介质紧密接触，加之各种突发性灾害等不确定性因素的影响，由此引发的各类耐久性问题越来越严重。另外，地铁工程属于城市公共轨道交通工程，投资大、建设周期长、质量要求高，主体结构工程设计使用年限为100年，因此，其结构耐久性设计至关重要。

      然而长期以来，很多地铁设计人员只关注结构的安全性和适用性，而对结构的耐久性设计缺乏全面认识和充分的考虑。本文旨在对地铁结构的耐久性设计内容进行梳理归纳，提出自己的探讨观点。

 

      混凝土结构的耐久性设计可分为传统的经验方法和定量计算方法。目前，环境作用下耐久性设计的定量计算方法尚未成熟到能在工程中普遍应用的程度。在各种劣化机理的计算模型中可供使用的还只局限于定量估算钢筋开始发生锈蚀的年限。因此，现行的钢筋混凝土结构设计规范中仍然是传统方法或是改进的传统方法。

      近年来，传统的经验方法有很大的改进：首先是按照材料的劣化机理确定不同的环境类别，在每一类别下再按温、湿度及其变化等不同环境条件区分环境作用等级，从而更详细地描述环境作用。其次是对不同设计使用年限的结构构件，有不同的耐久性要求。

      混凝土结构的耐久性设计主要包括下列内容：

      1、结构的设计使用年限、环境类别及其作用等级；

      2、有利于减轻环境作用的结构形式、布置和构造；

      3、混凝土结构材料的耐久性质量要求；

      4、钢筋的混凝土保护层厚度；

      5、混凝土裂缝控制要求；

      6、防水、排水等构造措施；

      7、恶劣环境作用下合理采取防腐蚀附加措施或多重防护策略；

      8、耐久性所需的施工养护制度与保护层厚度的施工质量验收要求；

      9、结构使用阶段的维护、修理与检测要求。

 

      钢筋和混凝土共同工作的一个很重要的因素就是混凝土呈高度碱性，钢筋在高度碱性环境中会在表面生成一层致密的钝化膜，使钢筋具有良好的稳定性。一旦混凝土开裂后，空气中的二氧化碳等酸性气体会扩散到混凝土内部，通过化学反应降低混凝土的碱度，使混凝土碳化。混凝土碳化的进一步结果，就会破坏钢筋表面的钝化膜从而使钢筋失去稳定性，发生锈蚀。美国著名混凝土科学家P.Mehta提出“混凝土耐久性的整体论模型”，见图1

      地铁混凝土结构埋置于地下岩土体中，还可能与地下水接触，因而其耐久性的影响因素相对于地面结构更具复杂性和不确定性。一方面，由于土壤及地下水中的各种离子（包括CI^-、S0₄²⁺、Mg²⁺等）的作用，化学腐蚀对钢筋锈蚀的作用明显。另一方面，地铁列车采用直流电力牵引，受各种因素的影响，不可避免地存在一定的泄漏电流(也称迷流)。地铁迷流会对车站和区间隧道主体结构中的钢筋发生电化学腐蚀，降低地铁结构的强度和耐久性。另外，工程所处的地质环境特点不同，土体的流变性和固结度也有差异。由于地铁隧道周围环境土体、土层的不均质性，在地铁隧道建成后，隧道周围土体的差异沉降会引起地铁结构的受荷不均，进一步引发结构变形，产生裂缝。同时，由于地铁结构多处于地下，这就给后期的观测、模拟、试验等工作带来较大难度，也不利于结构耐久性问题的及时发现和采取补救措施。此外，由于各地区地质条件的差异，地铁混凝土结构所处的环境特点不同，结构的侵蚀机理也不尽相同。

 

      从前面的分析可以看出，结构的耐久性是一项综合性能，虽然结构在不同环境条件下的破坏过程各不相同，但是对地铁结构来说，提高耐久性的措施有一个共同之处：控制结构裂缝。其主要设计要点大致可从材料选择、构造措施和施工措施三个方面考虑。