摘要：所谓结构耐久性，是指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百年左右，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。基于此，本文就地铁结构的耐久性设计方法展开了讨论。
关键词：地铁结构；耐久性；设计方法
1影响地铁结构耐久性的几方面因素
1.1化学作用力给结构带来的破坏
化学作用力所带来的破坏有碳化腐蚀，氯离子、硫酸根离子、镁离子的腐蚀等。化学作用力对于钢筋的破坏非常严重，所造成的损失亦极为庞大。据美国标准局的调研，美国每年因为腐蚀所造成的工程损失为数百亿美元，其中钢筋腐蚀约占总数的40%。结构本身存在一定有害离子直接威胁着地铁结构的安全与耐久性，如：碱骨料反应；地铁周边岩土环境中存在的有害离子，在长期作用下侵蚀混凝土、锈蚀钢筋；而地铁内部环境里面的氧气与二氧化碳气体也容易侵入到结构中去，产生另一方面的化学腐蚀，由此带来很多钢筋混凝土碳化严重的问题。以上情况导致混凝土出现裂缝、钢筋大面积锈蚀，必须依靠大范围的维修才能保证工程安全。
1.2 杂散电流引起的电化学腐蚀破坏
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）。地铁迷流主要是对地铁周围的埋地金属管道、通讯电缆外皮以及车站和区间隧道主体结构中的钢筋发生电化学腐蚀，不仅会缩短金属管线的使用寿命，而且会降低地铁钢筋混凝土主体结构的强度和耐久性，甚至可能酿成灾难性事故。
1.3差异沉降给结构带来的破坏
不同地铁结构工程所处地质环境特点有较显著差别，土体的固结特质与流变程度区别也很大，当地铁完成建设以后，一部分地段土体依然保留程度不同的流变变形与固结下降特点，而其附近位置的流变变形与固结下降特点则表现得不甚明显，这就会使得不同位置的结构发生不稳定欠均匀的沉降变形，最终造成不同地段间的结构应用挤压影响，在此基础上发生裂缝。这样的现象在管道结构连接位置出现的机率最高。
1.4荷载及受力状态变化引起的破坏
由于工程施工情况不同和水土环境的变化，地铁结构承受的荷载会相应地发生改变，结构物各部分的应力状态随之变化，从而导致拉、压区及受弯区、剪应力区的状态和范围都会有所变化。混凝土结构的耐久性与混凝土材料的孔隙率（或渗透性）关系密切，而受力状态则能影响材料的渗透性。在拉应力区，材料的孔隙率大，渗透性也将明显提高，混凝土易于碳化，氯化物等侵蚀性物质也易通过受拉区的混凝土到达钢筋，从而引起钢筋锈蚀。另外，地下水运动及渗流耦合效应也将影响到土体及结构的应力、应变和耐久性能。
2地铁结构的耐久性设计要点
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。
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2.1材料选择
地铁车站大体积浇筑的混凝土应减小水化热产生的温度应力，地下车站顶、底板、侧墙混凝土应具有较好的自防水性能。因此，地铁结构中的水泥材料应选择碱含量小，水化热低，干缩性小，耐热性、抗水性、抗腐蚀性、抗冻性等性能良好的水泥。混凝土集料的选择应考虑其碱活性，宜使用非碱活性骨料，防止“碱骨料反应”造成的危害。还应选择合理的级配，改善混凝土拌合物的和易性，提高混凝土的密实度。在地铁结构设计中，由于地质条件的差异，土体环境中各种侵蚀性物质的存在在所难免，采用高性能混凝土也是提高结构耐久性的一种重要途径。即采用高性能的优质水泥﹑级配良好的优质骨料﹑优质参和料和高效减水剂，并利用高效减水率尽量降低混凝土的水胶比。
2.2构造措施
（1）地铁在布置结构时尽量保证构件截面均匀，防止截面出现突变式尖角，防止混凝土的荷载应力和收缩应力过度集中。（2）因为地铁结构以长条型宽大式为多，所以在进行配筋时需要增强纵向分布钢筋，依据细而密的基本原则进行配置，防止混凝土发生收缩裂缝。（3）混凝土结构构件在形状的选择上应该避免水、汽等有害物质的侵入。（4）防迷流设计内容必不可少，防护杂散电流通常要仿照堵为主、排为辅的原则进行设计。
2.3施工措施
地铁明挖结构通常采用分段施工，有效释放水泥水化过程中产生的大量热量，避免温度应力引起结构产生的温度裂缝，从而导致钢筋锈蚀。暴露在混凝土结构构件外的吊环、紧固件、连接件等金属部件，表面应采取可靠的防腐措施。严重环境作用下合理采取防腐蚀附加措施或多重防护策略，如在混凝土组成中加入阻锈剂、防腐剂、水溶性聚合树脂，在混凝土构件表面涂敷或覆盖防护材料，选用环氧涂膜钢筋，以及必要时采用阴极保护等措施。施工中应实行严格的施工养护制度，施工养护方法和养护时间需要考虑混凝土强度等级、施工环境、构件尺寸等诸多因素。
3提升地铁结构耐久性的方法建议
3.1防止钢筋发生锈蚀
除了对混凝土加以保护间接防止钢筋发生锈蚀之外，还可以在环境恶劣的环境中直接给钢筋以保护性处理。除了一般的使钢筋材质发生变化的办法如加用不锈钢筋与耐腐蚀钢筋以外，还可以应用下列办法，即：施加钢筋去锈剂；给以铁钢筋阴极保护；电化学碱化；电化学去氯；钢筋涂层；钢筋镀层等。
3.2对混凝土实施保护
混凝土里面如果存在大量孔隙，则会给介质的渗入提供便利。若想使耐久性得到提高，需要从改变自身抗渗性能、抗裂性能，改变介质隔离工作效果上着手，现代在技术允许的范围内可以应用一些新型混凝土，如：性能标准高的混凝土，用高性能掺和料与凝胶材料代替传统水泥，这样制作出来的混凝土强度高、收缩性低、抗渗特征明显；钢纤维形式混凝土，把钢纤维加到混凝土里面，可以提高混凝土抗拉、抗弯、抗断裂功能，让原本柔脆的混凝土塑性更好；具备梯度功能的混凝土，其中包含一般混凝土的防护层、过渡区水泥材料等，可以让混凝土抗裂与抗渗性能更优越。除了应用新型混凝土材料以外，还可以把侵蚀物质同混凝土进行隔离，比如可以将混凝土的外部涂上保护膜，以起到提高混凝土抗渗能力与表面憎水功能的作用。就目前来讲，混凝土保护膜大致可以分成两类，第一类是环氧沥青型，包括改性沥青、环氧聚胺酯等，其具有坚实耐磨、适应轻微裂缝、耐腐蚀、粘结性好的优点；第二类是渗透结晶型，这种类型的保护膜是无机材料，可以将其在混凝土表面压平、收水并抹光，使之可以渗入到混凝土的每一处微小裂缝中。
4结束语
综上所述，影响地铁地下工程耐久性的因素很多，有些因素目前尚未明确或研究不够，具有不确定性。工程结构设计人员应当借鉴国外的成功经验和做法，从设计理念、结构体系和构造特点的角度，充分考虑现阶段的施工管理水平和材料工艺水平，设置适当的安全度，运用科学合理的设计方法，以提高地铁结构的耐久性。
参考文献:
[1]天津滨海地区地铁结构耐久性设计研究[J].许芃.中国高新区.2017（10）
[2]一种地铁负荷预测的数据仿真方法[J].丁宁，霍天.智能电网.2016（11）
[3]地铁设备维修问题与对策探讨[J].汤建华.科技创新与应用.2016（36）
论文作者:洪霞1,魏波2,曾秀娟3
论文发表刊物:《防护工程》2018年第36期
论文发表时间:2019/4/16
标签：混凝土论文; 结构论文; 耐久性论文; 地铁论文; 钢筋论文; 应力论文; 材料论文; 《防护工程》2018年第36期论文;