城市地下混凝土結構耐久性評估方法及工程應用分析

唐孟雄，陳曉斌，胡賀松，周治國

（1.廣州市建筑集團有限公司，廣東廣州 510440；2.中南大學土木工程學院，湖南長沙 410083；3.廣州市建筑科學研究院有限公司，廣東廣州 510440）

0 引言

城市地下混凝土結構，如城市軌道交通地下結構，常受水分、鹽分和化學物質侵蝕，導致其耐久性損失。結構耐久性評估是確保長期穩定和安全、降低維修成本和踐行綠色建筑理念的重要環節，做好該工作具有重要意義（Cai et al.， 2020； Gartner et al.， 2020； 袁洋和郭偉， 2020； 劉映晶等， 2022； 莫莉和王平， 2023）。城市地下混凝土結構耐久性評估涉及到勘察、設計、施工和運營環節（Guo et al.，2018； 林宜光， 2023； 蔡渝新和劉清風， 2023； Tian et al.， 2023； 羅大明等， 2024； 夏晉等， 2024），評估方法的實用性是現場能否得到應用的重要保障。對此，近年來許多學者開展了相關研究。當前研究普遍認為影響地下結構耐久性的主要因素是碳化作用、氯離子和硫酸根離子的侵蝕（唐孟雄等，2012； 陳曉斌等， 2009），這些因素共同決定了地下建筑物的耐久性能及其在長期環境影響下的穩定性。在這些影響因素中，學者對氯離子研究關注較高，通過試驗和理論系統分析了氯離子對鋼筋混凝土結構造成的嚴重危害（Shi et al.， 2012； Bo?a and Top?u， 2012； Dang et al.， 2021； 黃楊等， 2022； 陳昊翔等， 2023）。另外，部分學者從結構全壽命周期性能劣化過程出發，提出了基于鋼筋銹蝕的混凝土結構耐久性極限狀態，明確了典型構件的腐蝕作用等級和混凝土結構耐久性分級標準，提出了防腐蝕措施方案（唐孟雄和陳曉斌， 2010； 林政園等，2020； 羅大明和牛荻濤， 2022； 胡鋮等， 2022； 胡正濤等， 2023）。為提高混凝土耐久性，學者通過試驗研究了混凝土的力學性能、耐久性能和變形性能，獲得了高耐久性能混凝土配合比（Youm et al.，2016； 劉慶方等， 2022； 杜繼新等， 2023； 辛照東，2023），也有學者通過理論及模擬方法進行在役混凝土的表觀劣化發展過程的模擬分析與評價（葉新一和李全旺， 2022； 張彥飛等， 2023； 蘭素戀等，2023）。已有研究表明通過評估，可以早期發現潛在問題，如裂縫、腐蝕或其他破損，從而采取及時的維護或修復措施?；炷两Y構耐久性評估是確保結構安全和長壽命的關鍵步驟。雖然在城市地下混凝土結構耐久性已經取得了許多研究成果，提出了針對不同環境的耐久性評估方法（李曉妮，2020； 谷慧等， 2021； 陳穎等， 2023），但是依然缺乏現場容易操作的評定方法，特別是城市軌道交通混凝土結構耐久性評估方面。

針對目前存在的不足，在調查和研究的基礎上，按照技術合理、經濟可行、現場容易操作的工作原則，提出一種簡化的城市地下混凝土結構耐久性評估方法，包括評估程序、耐久性等級劃分、耐久性調查和典型環境耐久性評估。該方法能夠快速評估城市地下混凝土結構耐久性，并劃分耐久性等級，為城市地下混凝土結構維修和養護提供參考。

1 耐久性評估方法

1.1 評估程序

城市軌道交通工程混凝土結構耐久性評估是一個復雜且系統的過程，其核心目標是確保結構的長期性能和安全。首先，前期調研與資料收集是基礎。需要深入了解混凝土結構的設計、施工和使用歷史，包括所使用的材料、施工方法、歷年的維護記錄等。這些資料為后續的評估提供了寶貴的參考信息。其次，現場實地檢查。通過觀察和記錄混凝土結構的外觀，找出裂縫、脫落或其他可見的損傷。這一步驟可以迅速了解結構的整體狀況。接下來是非破壞性檢測。采用超聲波、電磁波探測等技術，對混凝土內部進行詳細的檢查，尋找內部裂縫、空腔或其他潛在問題。然后進行化學和機械性能測試。通過取樣并在實驗室進行分析，了解混凝土的成分、強度、耐久性以及是否存在潛在的腐蝕風險。最后，數據分析與報告編制。整合所有收集到的數據，進行深入的分析，確定混凝土結構的當前狀況，預測其未來的性能，并提出相應的維護和修復建議。

當遇到以下情況時，必須進行耐久性評估：（1）結構達到設計使用年限但仍需繼續使用；（2）主要部件出現如鋼筋銹蝕或保護層裂縫損傷；（3）結構的功能或所處環境發生重大變化；（4）結構性能因時間退化需進行鑒定；（5）地下結構存在嚴重滲水，影響其正常功能；（6）其他任何可能影響其耐久性的情況。針對這些情況，進行評估不僅能確保結構的安全性，還能確保其長期穩定運行。評估工作流程見圖1。

圖1 耐久性評定工作流程Fig.1 Durability assessment workflow

圖2 外觀調查評估現場Fig.2 Visual inspection assessment site

圖3 離子含量測試與鋼筋銹蝕驗證Fig.3 Ion content testing and reinforcement corrosion verification

1.2 耐久性等級劃分

城市軌道交通工程混凝土結構的耐久性等級評定是確保其長期穩定和安全運營的關鍵。評定的依據主要包括結構的外觀調查、所處的環境類別以及是否受到雜散電流腐蝕等因素的影響。在這些評定條件中，最不利的因素往往是最關鍵的，因為它可能暗示結構存在的最大風險。

外觀調查是對混凝土結構進行直觀檢查，尋找裂縫、腐蝕、脫落或其他可見損傷。這一步驟可以迅速了解結構的整體狀況，為后續評估提供初步信息。環境類別指的是混凝土結構所處的外部環境。例如，鹽霧環境、工業排放或高濕度環境都可能加速混凝土結構的退化過程。因此，了解并評估結構所處的環境是非常重要的。雜散電流腐蝕是指由于電流的非正常路徑流動導致的金屬腐蝕。這種腐蝕可能會加速鋼筋的退化，從而影響混凝土結構的整體性能。

按照技術合理、經濟可行、現場容易操作的工作原則，耐久性等級評定依據外觀調查、環境類別、雜散電流腐蝕等條件，取最不利結果，城市軌道交通工程混凝土結構耐久性等級可按表1評定。

表1 耐久性等級評定Table 1 Durability level assessment

2 耐久性調查分析

耐久性現狀外觀調查內容應包括外觀質量、尺寸偏差、外觀損傷與缺陷、構件裂縫情況、滲漏水情況等。進行外觀檢查時，應涵蓋若干關鍵項目，包括：對混凝土強度的測定、保護層厚度的評估、鋼筋腐蝕程度的檢查。此外，根據需要，還應考慮執行環境水質分析和土壤腐蝕性的評估?？砂幢?評價結構耐久性外觀等級。

表2 結構耐久性外觀評定等級Table 2 Visual assessment level of structural durability

3 典型環境耐久性評估

3.1 碳化侵蝕環境

大氣碳化腐蝕的城市軌道交通工程地下混凝土結構耐久性評估，應包括下列內容：碳化腐蝕環境指標檢測、碳化腐蝕耐久性外觀調查、構件和結構碳化深度檢測、碳化導致鋼筋銹蝕情況檢測。

混凝土保護層碳化耐久性評定等級按表3劃分。當碳化深度超過混凝土保護層厚度時，應該評價鋼筋銹蝕風險，鋼筋銹蝕風險耐久性等級可按表4劃分。依據《既有混凝土結構耐久性評定標準》GB/T 51355，在碳化環境下對混凝土結構的耐久性進行評估時，建議使用幾個關鍵指標：鋼筋開始銹蝕時的耐久性裕度系數、混凝土保護層由于銹脹引起開裂的耐久性裕度系數，以及混凝土保護層因銹脹而產生裂縫寬度的耐久性裕度系數。這些指標中的最低值應用于確定整體結構的耐久性。

表3 混凝土保護層碳化耐久性評定等級Table 3 Durability assessment level for carbonation of the concrete protective layer

表4 碳化腐蝕鋼筋銹蝕風險耐久性評定等級Table 4 Durability assessment level for the risk of steel corrosion due to carbonation

3.2 凍融環境評估

凍融環境作用耐久性外觀調查，包括保護層厚度、表面剝落率、相對平均剝落深度，平均等級如表5所示。凍融環境作用導致鋼筋銹蝕情況與銹蝕率檢測，并做銹蝕情況評價。必要時主要承載構件和結構的承載性能檢測，并做承載能力評價。

表5 凍融環境作用的耐久性等級Table 5 Durability level under the influence of freeze-thaw environments

3.3 氯鹽腐蝕環境

氯鹽環境作用的地下混凝土結構耐久性評估內容應包括：氯鹽腐蝕環境指標檢測、氯鹽腐蝕耐久性外觀調查、氯鹽導致鋼筋銹蝕情況與銹蝕率檢測，并做銹蝕情況評價。必要時主要承載構件和結構的承載性能檢測，并做承載能力評價。參考《既有混凝土結構耐久性評定標準》GB/T 51355，在考慮氯鹽環境中的城市軌道交通混凝土結構耐久性極限狀態時，建議采取兩個關鍵指標進行評估：一是鋼筋開始出現銹蝕的耐久性極限狀態裕度系數，二是混凝土保護層由于銹脹導致的開裂的耐久性極限狀態裕度系數。這兩個指標中較低的一個應用于確定結構的整體耐久性評價。氯鹽環境作用的城市軌道交通混凝土結構耐久性，可按表6評定耐久性等級。

表6 氯鹽環境作用的耐久性評定等級Table 6 Durability assessment level under the influence of chloride environments

3.4 硫酸鹽腐蝕環境

硫酸鹽侵蝕環境混凝土結構耐久性極限狀態，采用極限狀態裕度系數進行評定，可按表7進行等級評定。參考《既有混凝土結構耐久性評定標準》GB/T 51355，計算極限狀態裕度系數。

表7 硫酸鹽腐蝕環境的耐久性評定等級Table 7 Durability assessment level in sulfate corrosion environments

3.5 雜散電流影響

雜散電流造成鋼筋銹蝕，鋼筋銹蝕膨脹導致保護層開裂剝落。雜散電流腐蝕環境耐久性病害評估。雜散電流腐蝕耐久性評估內容包括：運營環境中雜散電流強度與分布情況；電流腐蝕耐久性外觀調查，包括表面剝落率、鋼筋銹蝕情況與銹蝕率檢測。必要時主要承載構件和結構的承載性能檢測?？砂幢?評定耐久性等級。

表8 雜散電流腐蝕環境的耐久性評定等級Table 8 Durability assessment level in stray current corrosion environments

4 案例應用分析

4.1 案例簡介

廣州市某人防工程建于20世紀60年代，已經歷了五十多年的時光。主隧道的深度大約在-28.5～-38.5 m，平均深度接近40 m。隧道主要穿行于砂巖、含礫的中細砂巖和粉砂質泥巖層，其中大部分巖層保持較好的完整性。在巖層裂隙較為顯著區域，可以見到中細砂巖中夾雜著薄層礫巖和泥鈣鐵質膠結物。隧道區域還包括燕山期的變質花崗巖和巖體破碎帶，以及局部的溶洞、小斷層和斷層破碎帶。而襯砌結構完全位于地下水位線以下，因此經常處于地下水浸泡或干濕循環狀態，導致其內外部濕度條件存在顯著差異。該結構主要面臨碳化和氯鹽腐蝕環境的挑戰，但并未受到凍融環境和硫酸鹽腐蝕環境的影響，同時也避免了雜散電流的侵蝕。

該隧道的橫截面設計為直墻半圓拱形式，其中邊墻與底板是分開設計的。在地質條件較差的區域或分支口處，采用了鋼筋混凝土襯砌以增強結構穩定性。隧道的主通道部分的凈寬度為3 m，凈高度為2.85 m，總凈面積約7.8 m2。拱頂和側壁的混凝土厚度通常在300～400 mm之間，而底板的混凝土厚度則為100 mm。自九號工程啟用以來，已經進行了多次維修工作，主要針對隧道滲水問題進行注漿封堵。在進行外觀檢查時，重點關注了混凝土裂縫、鋼筋銹蝕、地下水滲漏情況以及鋼筋保護層的厚度。環境因素的調查主要集中在溫度、相對濕度以及二氧化碳濃度的測定?，F場的測試工作包括了混凝土碳化深度、混凝土強度（通過抽芯法）、鋼筋銹蝕程度、鋼筋保護層厚度、鋼筋銹蝕量以及混凝土中氯離子含量的檢測。

4.2 分項評估

在對主隧道進行外觀檢查和評估時，發現了多個問題點，包括滲水和滴水現象、抹灰溶解、墻面出現起泡、發黃和霉變等。此外，局部區域的混凝土表面出現了損壞、裂縫以及蜂窩狀和麻面狀現象。由于隧道的襯砌結構防水性較差，導致其長期處于干濕交替的環境中，這對其結構的耐久性產生了負面影響。隧道襯砌中存在許多裂縫，并且在某些部分，混凝土內的鋼筋銹蝕情況較為嚴重。據觀察，其表面剝落率在5%～10%之間，主要構件的尺寸偏差范圍為1%～5%。根據表2中最不利的結果，結構耐久性的外觀評定等級被定為Ⅳ級。

碳化侵蝕環境：碳化深度測試結果統計顯示，最小碳化深度為0 mm，最大碳化深度為29 mm，相對碳化深度0.3≤d＜0.5。依據表3混凝土保護層碳化耐久性評定等級為Ⅲ級。依據《既有混凝土結構耐久性評定標準》GB/T 51355，碳化環境作用鋼筋開始銹蝕極限狀態耐久性裕度系數1.2＜ξd＜1.7，依據表4碳化腐蝕鋼筋銹蝕風險耐久性評定等級為Ⅲ級。

氯鹽腐蝕環境：在主體結構工程鉆取混凝土芯樣，同時打開隧道襯砌觀看鋼筋銹蝕外觀和測試鋼筋銹蝕量，采用化學滴定法測試隧道結構混凝土總氯離子含量?？偮入x子含量測試結果見表9所示。所打開的部位鋼筋全部已經生銹?；炷谅入x子平均含量為0.08%。

表9 氯離子含量檢測結果Table 9 Test results of chloride ion content

通過電化學技術對隧道結構內的鋼筋銹蝕情況進行了詳細的調查。在907A出口附近的主隧道區域，鋼筋的銹蝕測試結果表明，電極電位的最高值達到了-230 mV，而最低值則為-450 mV。盡管一些鋼筋的銹蝕程度相對較輕，但隧道的拱頂部分的鋼筋存在銹蝕現象?？傮w來看，這些發現指示出結構的耐久性狀況存在問題。

4.3 綜合評價

按照技術合理、經濟可行、現場容易操作的工作原則，取最不利結果，如表10所示，該混凝土結構耐久性等級評定等級為Ⅳ級。

5 結論

（1）按照技術合理、經濟可行、現場容易操作的工作原則，結合耐久性等級評定依據外觀調查、環境類別、雜散電流腐蝕等條件，提出一種分項評估、綜合評判的城市地下混凝土結構耐久性評估簡化方法。

（2）城市地下結構中，封閉的地下空間集聚了較高的CO2濃度、相對濕度和溫度，加快了地下結構耐久性破壞。該結果為加強廣州市地下空間結構耐久性維護管理和新建工程決策提供了基礎數據。

（3）城市地下混凝土結構耐久性評估簡化方法案例分析表明，該方法得到的結果與工程實際相符，具有良好的可操作性，評價結論容易得到。預測計算結果可有效指導城市地下結構的維護。

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