含膏盐地层深埋隧道渗流场-化学场-应力场耦合作用致灾效应与防控对策研究

摘要

我国西南地区地质情况复杂恶劣，三叠系巴东组含膏盐地层分布广泛，其中在三峡库区附近修建的许多深埋在役隧道，在含硫酸盐地下水的侵蚀作用下，隧道衬砌均出现了或轻或重的腐蚀破坏现象，常常引发结构混凝土腐蚀疏松、渗漏水及剥落掉块等病害问题，其中边墙、隧底侵腐状况尤为严重，对其正常运营带来了严重的安全隐患。隧道工程总是寄存在一定的地质系统中，环境水、腐蚀介质以及地应力是该地层环境中的三个主要影响因素，这些因素均以场的形式存在。在膏盐地层中渗流场(H)、化学场(C)以及应力场(M)三者间总是彼此联系、相互影响，共同“促进”着围岩-支护承载结构的破坏，若将各作用场分开研究而忽略其中的耦合关系，那么得出的研究结论很难与实际情况相匹配，失去了工程指导意义。
　　本文以G42沪蓉高速公路上的分界梁隧道以及G50沪渝高速公路上的谭家寨隧道为工程背景，系统的阐述了硫酸盐的腐蚀破损机理，基于ABAQUS有限元软件进行了渗流-应力耦合数值分析，并通过考虑一定的强度折减与厚度折减来对化学场进行简化模拟，分别进行了不考虑耦合、考虑耦合的数值分析，最后系统的研究了膏盐地层中隧道的防腐蚀技术措施，并分别对分界梁、谭家寨隧道的硫酸盐侵腐病害提出行之有效的防控对策。本文主要的研究内容与成果如下:
　　1.由HCM三场耦合效应所造成的结构体破损程度及性能劣化速度均远超单场作用、双场耦合作用，尽管谭家寨隧道侵蚀性SO42-离子浓度比分界梁隧道高很多，但从实际的勘察数据来看，分界梁隧道的腐蚀破损程度反而更为严重，对这一现象的解释是:混凝土的劣化破损，并非是由侵蚀性离子浓度单一因素来决定，而是多个因素耦合作用的结果。
　　2.对于膏盐地层中的深埋隧道渗流场-化学场-应力场甚至更多作用场间的耦合作用致灾效应是不容忽视的。对于化学场的作用效果，可以基于强度折减理论，选取一适当的折减系数对其进行等效简化处理，由于不同环境中的化学场腐蚀作用强弱不一，所以折减系数的具体取值还需结合实际情况进行更加深入的分析、研究，同时还可考虑一定的厚度折减以提高结构的安全富余度。
　　3.ABAQUS数值分析显示，不考虑耦合、考虑流固耦合以及考虑强度折减“等效”化学场的三场耦合，对结构的承载性能影响较大。在按严重腐蚀程度考虑5cm厚度折减的基础上，进行HCM三场耦合分析计算，得出特征截面的最小安全系数为2.789满足规范要求，从而验证了分界梁隧道硫酸盐腐蚀处治设计选用C45强度的耐腐蚀钢筋混凝土是合理、可行的。
　　4.在准确判定硫酸盐的腐蚀类别，弄清其侵蚀机理的基础上，组合多方面的防侵腐措施进行联合防护，以增强防腐时效性，延长隧道的使用寿命。硫酸盐侵腐病害处治推荐方案:①服役于干湿交替环境中的隧道结构，需考虑材料“灯芯效应”的影响，宜采取防腐蚀配合比设计/高性能混凝土+注浆隔水+迎水面表面处理的防腐措施;②处于湿润环境中的富水隧道，除采取防腐蚀配合比设计/高性能混凝土+注浆堵水的防腐措施外，还需注重防排水系统的设计。本文依托工程分界梁隧道便选用①方案作为病害处治方案，从目前来看，该方案的防腐蚀效果较为显著。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 硫酸盐腐蚀研究现状

1．2．2 多场耦合研究现状

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 本文技术路线

第二章 膏盐(硫酸盐)侵腐机理分析

2．1 混凝土的硫酸盐腐蚀

2．1．1 水泥的水化与成分分析

2．1．2 腐蚀原因分析

2．1．3 腐蚀反应类别

2．2．1 物理腐蚀

2．2．2 化学腐蚀

2．2．3 复合型腐蚀

2．3 影响因素

2．4 本章小结

第三章 渗流场-化学场-应力场耦合作用致灾效应研究

3．1 工程地质中的场

3．2 应力场-化学场耦合作用致灾效应

3．2．1 化学场对应力场的影响

3．2．2 应力场对化学场的影响

3．3 化学场-渗流场耦合作用致灾效应

3．3．1 渗流场对化学场的影响

3．3．2 化学场对渗流场的影响

3．4 渗流场-应力场耦合作用致灾效应

3．4．1 渗流场对应力场的影响

3．4．2 应力场对渗流场的影响

3．5 渗流场-化学场-应力场三场耦合作用致灾效应

3．6 本章小结

第四章 含膏盐地层隧道服役性能退化机理分析

4．1 硫酸盐腐蚀评价指标与测试方法

4．2 硫酸盐环境中混凝土劣损规律分析

4．2．1 混凝土强度变化规律

4．2．2 混凝土质量变化规律

4．2．3 混凝土相对动弹性模量变化规律

4．3．1 依托工程概况

4．3．2 水质分析

4．3．3 现场取样与结果分析

4．3．4 劣损程度评价

4．3．5 腐蚀破损机理

4．4 本章小结

第五章 多场耦合作用的工程实例研究

5．1．2 渗流场-应力场耦合数值方程

5．2 强度折减理论

5．3 基于ABAQUS的渗流场-应力场耦合数值模拟分析

5．3．1 分界梁隧道计算参数

5．3．2 模型建立与特征截面选取

5．3．3 无渗流场无化学场的分析计算

5．3．4 有渗流场无化学场的分析计算

5．3．5 有渗流场有化学场的分析计算

5．3．6 对比分析

5．4 本章小结

第六章 膏盐地层多场耦合致灾效应的防控对策研究

6．1 材料方面措施

6．1．1 水泥与集料

6．1．2 矿物掺合料

6．1．3 外加剂

6．2 工程技术措施

6．2．1 表面处理

6．2．2 养护工艺

6．2．3 施工质量控制

6．2．4 地质超前预报

6．3 设计规划措施

6．3．1 混凝土配合比设计

6．3．2 结构设计

6．3．3 防排水系统设计

6．3．4 路线规划设计

6．4 高性能混凝土

6．5 依托工程病害处治方案

6．5．1 完善排水系统

6．5．2 采用耐腐蚀材料

6．5．3 涂刷防腐材料

6．5．4 提高衬砌混凝土强度

6．5．5 优化施工工艺

6．6 本章小结

第七章 结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果