双因素腐蚀环境下岩体隧道衬砌抗力衰减模型及安全性评估

Tunnel disease caused by the chloride ion and sulfate erosion becomes an important factor affecting the structural safety of operating tunnels. According to the salient features of rock tunnel lining structural erosion effect under the two factor corrosive environments(“seepage field-stress-two factor erosion” multi-field coupling), this study focuses on the rock tunnel under two-factor corrosive environments with applying theoretical analysis, model experiment, numerical calculation and other means. First of all, erosion ions’ transport laws in the concrete and reinforcement mechanical properties’ degradation are explored under the two-factor corrosive environment; tunnel lining concrete’s mechanical properties’ degradation under “seepage field -stress” effect as well as the deterioration of mechanical properties of eccentric compression members under the combined action of “seepage field-stress-factor ions” are also explored. Secondly, based on the results of above, it established a sulfate time-dependent transmission model and reinforcement mechanical properties’ degradation model under “seepage field-stress” effect; the mechanical properties’ degradation model of concrete and eccentric compression members under multi-field coupling; and the rock tunnel lining’s resistance attenuation model. Finally, with the use of time-dependent reliability theory, contributing an evaluation method to the tunnel lining structure safety based on the structural resistance attenuation model, in order to provide the basic theory and methods for assessing operating tunnels’ long-term safety under two-factor corrosive environment.

氯离子及硫酸盐侵蚀作用所引起的隧道病害成为影响运营隧道结构安全性的重要因素，双因素腐蚀环境下岩体隧道衬砌结构侵蚀效应存在显著特征即“渗流场-应力场-双因素侵蚀”多场耦合作用。本研究针对双因素腐蚀环境下岩体隧道，借助理论分析、模型试验及数值计算等手段，首先，深入探讨双因素腐蚀环境下侵蚀性离子在混凝土内的传输规律和钢筋的力学性能退化规律、“渗流场-应力场”作用下隧道衬砌混凝土的力学性能退化规律以及“渗流场-应力场-侵蚀性离子”复合作用下偏心受压构件的力学性能退化规律；其次，在上述研究成果基础上，建立“渗流场-应力场” 作用下硫酸盐时变传输模型及钢筋力学性能退化模型、多场耦合作用下混凝土和偏心受压构件力学性能退化模型以及岩体隧道衬砌结构抗力衰减模型；最后，运用时变可靠度理论，建立基于衬砌结构抗力衰减模型的隧道结构安全评价方法，为双因素腐蚀环境下运营岩体隧道结构的长期安全性评估提供基础理论和方法。

混凝土的耐久性是工程界普遍关注的问题。我国东部沿海地区、西南地区、西北地区、内陆盐湖地区土壤及地下水中含有大量的氯离子和硫酸根离子，这些地区地下钢筋混凝土结构中的钢筋会因氯离子侵蚀而锈蚀，混凝土会因硫酸盐侵蚀而腐蚀破坏。不同于地上钢筋混凝土结构，地下钢筋混凝土结构除了受到腐蚀介质的作用，还会受到应力和地下水的渗透作用，如隧道衬砌除了要承受隧道开挖引起的地层应力的释放和重分布，还会受到地下水的渗透作用。而有关“渗流-应力场”、SO42-及Cl-作用下混凝土结构性能的研究尚未引起人们足够的重视。本课题主要研究“渗流-应力场”、SO42-及Cl-作用下软土隧道衬砌结构性能退化机理和破坏特征，建立SO42-和Cl-共同作用下软土隧道衬砌结构抗力衰减模型，为受SO42-和Cl-共同作用运营隧道的长期安全性评估提供基础理论和方法。.主要工作如下：.（1）通过检测受氯离子和硫酸根离子侵蚀混凝土试块的腐蚀层厚度并进行XRD衍射分析及电镜扫描，证实了氯离子对硫酸根离子腐蚀混凝土的抑制作用并导致混凝土中的钢筋开始锈蚀时间推迟。.（2）通过检测不同水头差、荷载作用下受氯离子和硫酸根离子侵蚀混凝土试块的抗压强度及沿离子侵蚀方向不同厚度混凝土中离子的浓度，并进行XRD衍射分析及电镜扫描，研究了水头差和荷载对混凝土受离子侵蚀破坏的影响和破坏机理以及硫酸根、氯离子在混凝土中的渗透规律，在此基础上建立抗压强度随水头差、荷载和时间变化以及离子浓度随水头差、荷载变化的数学模型。.（3）通过实验模拟地下钢筋混凝土结构（如隧道衬砌）所处的环境（地层压力、地下水的渗透及腐蚀性介质共同作用），检测受腐蚀偏心受压构件承载力，研究了离子浓度和侵蚀时间对偏心受压构件承载力、破坏特征及钢筋抗拉强度的影响，分析了影响构件承载力的因素。.（4）建立软土隧道钢筋混凝土衬砌在“渗流-应力场”及SO42-和Cl-作用下抗力衰减模型并应用于运营软土隧道安全性评估。