上海轨道交通地下工程混凝土结构耐久性设计
摘要：在上海轨道交通工程地下混凝土结构设计以及环境条件的调查与分析的基础上，论证了地铁混凝土的耐久性设计途径、基本策略及相应措施。建议选用强度等级不低于42.5的硅酸盐水泥；对盾构管片预制构件、车站结构采取抗裂防渗措施；采取混凝土附加防腐措施；以及结构工程的监测等。它为上海轨道交通工程混凝土结构耐久性设计标准等相关文件的出台提供理论依据。
关键词：轨道交通；混凝土结构；环境条件；耐久性设计
1上海城市轨道交通工程的环境条件
1.1基本环境状况
上海地区潜水水位埋深0.3～1.5 m；微承压水或承压水水头的埋深分别为地下3.0～8.0 m和3.0～10.0 m，并呈幅度不等的周期性变化；轨道交通1、2号线的地铁车站和盾构隧道的埋深一般为10～20 m，而计划建设或者在建的地铁线路的车站和盾构隧道在部分地段的埋深接近30 m或更深。因此，地铁车站和盾构隧道外表面的水压力较大，从而使得地下水和水中的有害离子的渗透速度增大。
上海是沿海城市，水质情况比较复杂，地下水中的Cl-（氯离子）和SO42－（硫酸根离子）含量在靠近长江口附近区域有明显增加；沿海或者长江口沿线的地铁车站和盾构隧道的混凝土结构存在Cl-和SO42－等化学侵蚀的可能性。上海地区属亚热带海洋性季风气候，地表极低温度为-9.4℃，最冷月平均温度为4.1℃，高于微冻地区的气温要求，混凝土结构基本不受冻融循环作用的影响。
1.2地铁工程特殊环境状况
上海地铁车站运营期间的温度为25～28℃，相对湿度为40%～80%。站台及站厅的相对湿度变化幅度较大，且CO2（二氧化碳）浓度较高，运营期间接近0.15％；区间隧道及站台交界处的相对湿度变化幅度较小，且CO2浓度较低。因而站台及站厅的混凝土结构碳化程度较大，以地铁1号线为例，运行10 a，碳化为5～10 mm。钢筋混凝土结构物在杂散电流的腐蚀作用下易被破坏。如上海地铁1号线以1 500 V直流对列车供电，地铁牵引供电的接触网或受流器产生的杂散电流较小，在10～100 mA以下，因而钢筋受到迷流腐蚀的作用很小。但是在个别结构部位和排流网局部（如各个变电所的回流点附近）仍存在杂散电流局部腐蚀的隐患。
对上海地铁1、2号线的地铁车站、盾构隧道混凝土结构裂缝和渗漏情况调查结果[1]表明，地铁车站的地下连续墙、内衬侧墙、顶板和底板等有一定裂缝和渗漏现象存在，盾构隧道管片接缝处也有不同程度渗漏，且处于特殊的干湿交替环境中。
1.3环境类别及作用等级确定
参照CCES01—2004《混凝土结构耐久性设计与施工指南》、JTG/T B07－01—2006《公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范》、《铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定》和《混凝土结构耐久性设计规范》讨论稿的相关规定，地铁车站和盾构隧道混凝土结构按照环境类别及作用具体划分见表1。
2地下混凝土结构耐久性设计途径
2.1地下结构混凝土耐久性设计技术路线
针对地铁结构混凝土所处的特殊环境荷载情况，耐久性设计的基本路线是将根本措施和补充措施相结合；对工程在设计、实施、使用管理、维修保养等全过程中，按技术路线（见图1）进行综合协调处理。
根本措施为设计合理的保护层厚度，并根据不同的环境条件要求、结构强度、构造要求等设计高性能混凝土。
补充措施为根据使用环境条件的特殊要求、使用部位的实际耐久性状况，采取必要的附加措施。
1）针对施工阶段产生的混凝土开裂、渗水问题，从结构设计、材料设计、施工等方面采取抗裂措施，并在易出现渗水现象的盾构隧道管片接缝处采取必要的附加防渗措施。具体为：地下连续墙背土/水面在内衬墙施工前进行裂缝封闭处理，背土/水面混凝土表面宜采用防水涂层涂覆；车站结构混凝土顶、底板，应在通常设置的防水层的基础上，增设具有一定渗透性的涂层材料（如水泥结晶渗透型涂层材料）等；排风口结构内侧由于长期处于较高浓度CO2气体和冷凝水等不利条件，采用具有一定防水性能的抗碳化涂层。
2）针对杂散电流的影响，在变电所回流点附近，增加排流网布置密度，采取局部掺入阻锈剂的方式，增强该部位钢筋混凝土抗电化学腐蚀能力；对于变电所回流点附近结构混凝土耐久性设计参数参照所处部位的环境类别和结构型式进行耐久性参数设计，同时在结构外侧迎水面采用防渗透涂层，杂散电流峰值影响点附近1 m范围内的结构中掺入阻锈剂。
3）针对长江口沿线或沿海区域地铁线路受Cl侵蚀的影响，采取涂覆有一定渗透性的防护涂层，增强抗渗透性能；地铁车站侧墙、顶板等易出现混凝土开裂现象的部位，可采取防护涂层，减少或修复裂缝。
2.2耐久性设计参数的确定
高性能混凝土是轨道交通混凝土结构耐久性设计的根本措施。主要控制指标见表2。
保护层厚度是指混凝土外表面至最外层钢筋外表面的最短距离，为规定的最小保护层厚度要求；根据实际情况在混凝土结构背水面保护层厚度可适当减少。最大水胶比根据最低混凝土强度等级进行设计。
最小胶凝材料用量根据最低混凝土强度等级进行设计，胶凝材料中除水泥外，应掺入一定比例的复合型胶凝材料，考虑到混凝土抗碳化性能的要求，混凝土中掺合材料最大用量限制为总胶凝材料用量的50％。
混凝土渗透性能包括电通量和扩散系数两个指标。电通量为混凝土标准养护28 d时的电通量值，试验方法参照JTJ 275—2000《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》和美国标准ASTM C1202—1997《混凝土抗氯离子渗入能力测定方法》；扩散系数为混凝土标准养护56 d后放入标准溶液中浸泡90 d时的表观氯离子扩散系数，试验方法参照欧洲标准NTBUILD 443《混凝土抗氯离子渗入能力测定方法》方法。抗碳化性能的指标为快速碳化深度，即混凝土标准养护28 d后，按标准条件快速碳化56 d的碳化深度，试验方法参照GBJ 82—1985《普遍混凝土长期性能和耐久性能试验方法》。混凝土材料抗裂性能以抗裂等级为指标来评定，试验参照CCES01—2004《混凝土结构耐久性设计与施工指南》附录A。
3地下混凝土结构耐久性的确保措施
3.1混凝土基材
1）选用优质、适用和经济合理的高性能混凝土原材料，并控制原材料的质量波动。建议选用强度等级不低于42.5的硅酸盐水泥；掺合材料采用优质粉煤灰、矿渣（微粉）、微硅粉等活性矿物掺合料；细集料采用中砂，细度模数2.3～2.9符合Ⅱ区颗粒级配；粗集料粒径5～25 mm且级配良好；外加剂优选聚羧酸高效减水剂；根据工程要求，若需加入纤维，应采用聚丙烯等有机类纤维。
高性能混凝土施工中应注意的一些细节：首先，注意控制混凝土保护层厚度和质量，保护层垫块宜采用工程塑料制作的保护层定位夹和定型生产的纤维砂浆块，混凝土必须振捣充分；其次，浇注大体积混凝土时，宜选择在气温较低的情况下进行，以便降低入模温度，在夜间施工较为合适；最后，注重养护，混凝土浇筑后应立即覆盖保湿，防止混凝土失水。
2）高性能混凝土结构抗裂防渗措施。
（1）盾构管片预制构件。蒸汽养护要严格按照规定，控制降温梯度，可以有效减少裂缝出现的概率。
（2）地铁车站结构。首先，设置诱导缝能使结构的温度和混凝土收缩应力明显得到释放；其次，强化诱导缝与地下墙缝对齐的施工要求，如部分诱导缝实在无法对齐，则应对该诱导缝至地下墙缝间的内衬墙采取柔性连接；再者，车站结构采用无梁楼盖+地下连续墙侧墙的结构形式，顶板裂缝较少；最后，建议将车站钢筋混凝土结构的开裂程度列入工程验收考核内容。
3.2混凝土附加防腐措施
当施工工艺和经济性允许时，在卷材、有机涂料等柔性防水的基础上，考虑采用具有一定渗透性的涂层，以对施工过程中可能出现的早期微裂缝进行渗透封闭、提高迎水面混凝土结构抗渗透性能。同时，在风井内侧施用抗碳化防水涂层，以抵御碳化和冷凝水的影响。
3.3混凝土结构工程的监测
1）混凝土材料性能的监测。通过在混凝土结构实体上提取混凝土样品进行性能测试、同条件模拟试验，以及建立混凝土结构长期在线监测与预警系统予以实现。
2）杂散电流腐蚀监测。采用长效铜/硫酸铜电极或更为稳定的新型参比电极进行监测，与智能化的排流调解系统结合，形成监测与防治系统的有机结合。
3）结构裂缝和渗水状况监测。有必要对结构定期进行监测，观察裂缝的发展状况，对裂缝进行有效的描述；同时建立结构的裂缝档案，以有效规避裂缝对混凝土耐久性的影响。
4结语
1）上海轨道交通工程有工程量大、任务紧、投资大以及结构耐久性要求高等特点，因此对工程混凝土耐久性进行专题研究，提出针对性策略。
2）地铁车站和盾构隧道混凝土结构耐久性主要受到碳化、地下水中有害离子、杂散电流以及混凝土结构裂缝和渗漏等4方面的影响，应根据不同的环境条件，环境类别和作用等级有所区别。
3）地下结构混凝土的耐久性设计应遵循“以防为主”的原则，重点在“预先设防”并“兼顾经济”；以根本措施（高性能混凝土）和补充措施相结合作为其耐久性设计的基本思路；在工程的设计、实施、使用管理、维修保养等全过程中，结合使用要求和条件进行综合协调处理。
4）为了保证混凝土结构耐久性设计的有效性，必须在工程实践中采取相应的确保措施，通过对HPC在选材、施工、抗裂防渗等方面的控制，混凝土附加防腐措施的设计以及对混凝土结构进行长期监测等手段予以实现。
参考文献
［1］俞海勇，王琼，施钟毅,等.《上海轨道交通工程地下混凝土结构耐久性设计咨询研究[R].上海：上海市建筑科学研究院，2006.
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