基于耐久性的地铁结构设计研究[程旭东1]

基于耐久性的地铁结构设计研究[程旭东1]

程旭东 

广州地铁设计研究院股份有限公司   510000

摘要：为避免杂散电流、氯离子侵蚀、混凝土碳化作用以及其他施工因素影响地铁结构耐久性，文章本文认为需要结合地铁工程所处环境、施工工艺、功能需求等方面进行讨论，确立地铁结构设计、材料设计选取、施工控制设计要点，。随后，需要从优化围护结构、优化主体结构、优化施工作业方式、控制关键环节加强防水设计影响因素等方面入手，探究可提升地铁结构耐久性的设计对策，为城市居民高效化出行提供便利建设更具耐久性的地铁结构。

关键词：地铁结构；耐久性；结构设计；构造设计；材料设计；耐久性；围护结构防水设计

引言

与其他地下建筑或地面建筑不同，地铁结构通常深埋于地下十几米至几十米，其所处环境水分丰富，地下水、土可能存在腐蚀性、二氧化碳含量高，并且含有大量有害离子，这些影响因素会降低地铁结构耐久性。除此之外，地铁在投入运营使用后，通常会产生杂散电流，而这种杂散电流会腐蚀钢筋混凝土地铁结构中的钢筋钢构件，会降低地铁结构强度，从而影响地铁结构的受力性能和耐久性和稳定性。因此，在明确影响确立地铁结构，耐久性的影响因素后，不仅要考虑明确地铁结构耐久性设计要点，还需针对地铁围护结构以及主体结构以及围护结构等关键部位进行加强设计，给出具体施工质量控制措施和材料要求，加强防水措施，只有这样才能全方位提高地铁结构耐久性。

1基于耐久性的地铁结构设计要点

地铁结构耐久性影响因素主要包括杂散电流、氯离子侵蚀、混凝土碳化作用以及其他施工因素。其中，杂散电流主要腐蚀混凝土结构中的和钢构件钢筋，；氯离子腐蚀会破坏钢筋表面钝化膜，影响地铁结构耐久性；混凝土碳化作用会破坏混凝土内部钢筋表面钝化膜，以上因素都会从而引起钢筋发腐蚀现象和结构裂缝。；其他施工因素可归结为人为工因素，如是指混凝土结构养护不当、防渗处理不当所造成的一系列问题。结合以上影响因素，在设计地铁结构时，要想提升地铁结构耐久性时，需要着重考虑以下结构设计要点内容。

1.1构造设计

通过改变地铁结构特点，能够提升地铁耐久性。具体来说，针对地铁结构进行设计工作时，并结合在地铁结构设计时考虑以下几项内容：第一，合理布置结构布局时，提高结构整体均匀性，尽可能避免错层过大或荷载差异过大，以减小应力集中和差异沉降；在设计和布置地铁结构形式的时候，需要提高结构构件的均匀性，尽可能规避棱角问题，以此来实现大规模集中荷载应力、减少混凝土收缩应力的目标。第二，地铁车站结构多以与长条箱形结构为主，根据此结构特征，要想为控制混凝土收缩裂缝，需要加强纵向钢筋设置，并合理设置后浇带，给结构以变形时间，对于可能存在较大沉降差异的位置设置变形缝，如出入口接入车站的通道、明暗挖接口等；分布。并依托施工环境以及设计标准，科学确立混凝土保护层厚度。第三，与供电、轨道等相关专业配合做好杂散电流防护设计工作；第四，合理确定混凝土保护层厚度，对于地铁这种百年工程，设计使用年限按照100年考虑，且结构有较大范围迎土、迎水甚至存在干湿交替，结构所处环境类别较差，有必要适当加大保护层厚度。同时在设计阶段明确施工单位加强混凝土保护层厚度控制；第五，对于结构开洞部位如底板上的接地端子、降水井等，或是分期浇筑的部位如盾构井孔等，应采取增加渗水的绕流路径措施或是做好结构预留，从构造设计上控制防水薄弱环节。

在涉及地铁结构构件形状的时候，为避免出现有害物质聚集和黏附的问题，应在科学进行排水设计工作的基础上，采取堵排结合的方式，加强监测杂散电流，减少电流对地铁的腐蚀。

1.2材料选取设计

地铁车站主体结构结构具有混凝土浇筑面积大，构件多为大体积混凝土的特性，容易发生水热化反应大，可能会产生温度应力。在这样的情况下，为提升结构底板、地下侧墙以及、顶板以及底板的防水性能，建议在设计地铁结构时，应选择具有良好防抗水性、良好耐腐蚀性、含碱量少且水热化低的水泥材料。混凝土中除水泥外，可以掺入一定比例的优质粉煤灰等掺和材料组成复合型胶凝材料，提高混凝土耐久性能，并同时考虑混凝土的抗碳化性能要求。混凝土中掺合材料最大用量需要根据工程使用要求和条件确定，水胶比和胶凝材料用量应以满足结构设计对混凝土的各项指标为前提。同时，在选择混凝土集料时，为避免发生碱骨料反应，影响地铁结构耐久性，应选择碱性混凝土骨料。混凝土表面保温养护应根据天气条件采用控制措施，特别要做好内衬主体结构侧墙混凝土的早期养护工作。对于混凝土结构水化热问题，另外，提高混凝土密实度，也是提升地铁结构耐久性的主要措施，此时可通过利用合理的骨料等级配置，进一步优化混凝土骨料拌和物。应采取如添加外加剂、控制水泥用量、控制混凝土入模温度等措施减少混凝土的水化热。

1.3施工设计控制措施

混凝土结构施工时，采用应用分工分期分块施工方式，可以释放水泥水化水化热形成的温热应力，避免减小

地铁结构施工环节产生温度裂缝，主体结构沿纵向采用跳仓施工或采用后浇带施工，留置一仓不施工作为后浇仓，一定时间后再浇筑后浇仓。后浇仓可以采用高于两侧结构混凝土强度一级的微膨胀混凝土浇筑。此外施工缝也是混凝土结构渗漏水的控制关键位置，避免房间发生严重的腐蚀现象。因此，对于一些暴露在室外的混凝土结构连接件、金属部件以及紧固件，通常需要应用防腐蚀性措施进行混凝土表面保护作业，以求减少出现混凝土裂缝。此外，在地铁结构设计工作展开之际，设计人员还需综合性考虑地铁工程实际特点，以提高地铁运营安全性和持久性为标准，完成高质量的地铁结构设计工作。施工缝的位置应留在结构受剪力较小且便于施工的部位，并考虑注意车站内部的设施（如水池、电梯井、出入口等）的完整性，明挖结构一般在跨间1/3处左右设置施工缝。

2基于耐久性的地铁结构设计措施

2.1优化围护结构设计

地铁围护结构通常按照临时构件考虑，但车站经常需要考虑围护结构作为抗浮受力构件，或是作为减小结构沉降的构件。当围护结构作为抗浮构件的一部分时，需要考虑其耐久性，保证与主体结构相同的设计使用年限，以满足整个生命周期的结构抗浮性能。围护结构设计首先要根据地层情况，对于软弱地层进行地基处理，可以更好地保证围护结构施工质量，同时也能减小围护结构的渗漏水，能在基坑开挖阶段更好地控制主体结构构件尺寸。其次，考虑抗浮或者减少沉降时，需要加强受力构件的构造设计，如抗浮设置的压顶梁、减少沉降设置的砼牛腿等，都是以抗剪受力为主的构件，要求在施工围护前做好钢筋预留，以实现更好的整体性和连接性能。

围护结构施工是地铁工程施工的基础内容，是展开后续施工的保障。针对该结构进行设计工作期间，应结合地铁围护结构类型以及侧重点，优先考虑以下四项内容。第一，所设计的围护结构形式，应符合地铁施工区域地质条件。例如，常规地层以及软弱地层，需要选择不同的围护结构。第二，所设计的围护结构要具备可行性，要能够突出整体结构的支护效果。第三，在展开设计工作期间，要综合性考虑技术性与经济性的平衡，尽可能在提升围护结构耐久性的前提下，采用先进技术手段，控制围护结构成本。第四，充分考虑地表沉降等因素，尽可能设计符合地铁工程项目防护等级要求的围护结构。

2.2优化主体结构设计

在设计地铁主体结构时，整体设计方案要综合性对比经济性、安全性、实用性以及可靠性，根据功能需求和荷载分布，合理布置主体结构构件，从布置上减小结构尺寸突变、减少错层布置。按照100年的设计使用年限出发考虑，合理确定构件保护层厚度，对于迎水、迎土侧采用更严格的裂缝控制要求，对于应力集中、受力较大部位主动调整并加强构造设计，这些措施都可以有效减小结构裂缝发展，在合理造价情况下设计更高耐久性的结构。

在设计地铁主体结构时，整体设计方案要综合性对比经济性、安全性以及便捷性，尽可能选择现浇混凝土框架式施工方式，以平台宽度为参照标准，保证地铁主体结构的耐久性。通常来讲，主体结构设计有别于围护结构设计，关乎地铁工程运营使用寿命。所以，在落实具体设计工作期间，要以耐久性为衡量指标，在设计环节解决主体结构、沉降形变以及破坏等问题。例如，以地铁工程设计使用年限为100a为标准，严格管控地铁主体结构设计工作。

2.3加强防水设计[程旭东2]

防水设计应遵循“因地制宜、以防为主、防排结合、综合治理”的原则遵循以防为主、，刚柔结合、，多道防线、综合治理的原则，地下工程防水以混凝土结构自防水为主，根据不同深度和环境选取不同的抗渗等级，具体可按爱《地下工程防水技术规范》及《地铁设计规范》标准进行。主要技术标准：。地下车站及机电设备集中区段的防水等级为等机会，一级，不允许出现渗水，结构，表面无湿渍；无石子区间隧道及连接通道的防水等级为二级，。结构不允许漏水，结构表面有少量湿渍量石，总湿渍狮子面积不应大于总防水面积的200/10000㎡，任意100㎡防水面积上的湿渍不超过三处，单个湿渍的最大面积不大于不超过三个狮子的最大面积不大于0.2㎡，平均渗水量不大于0.05 L/m2·d.0，任意。100㎡防水面积上介绍的渗水量不大于0.15L/m2·d。，地下结构的防水应采用防水栓自采用防水防水结构，其抗渗标号不得低于P8，并根据需要设置附加防水层或采用其他防水措施。结构附加防水层好的需要设置附加防水层，采用其他防水措施结构，施工缝和变形缝应有可靠的防水措施，防水材料可采用橡胶止水带、袋，防水嵌线条等。施工控制是保证混凝土结构自防水和防水施工的重要环节，

施工中应采用各种有效措施，效果是减少结构裂缝的产生，提高结构防水能力。其中，的防水基本措施如下：第一，，地下车站。。地下车站结构均采用防水混凝土，防水问题，并可根据需要增设附加防水层或，不采用其他防水措施；。第二，有侵蚀地段，砼的抗侵蚀系数不得低于0.8措施有机实行不断。地铁车站在的靠近时系数不低于

0.8，有条件的情况下，尽可能采用分离式的围护维护结构，以利于车站结构、防水体系的防裂与抗渗。；第三，，为了确保地铁运营时轨道结构具有足够的安全度，车站主体结构不设变形沉降缝，变形沉降缝仅设在主体结构与通道或其他设施接口处，施工中应采用各种有效措施，减少结构裂缝的产生，提高结构防水能力；第四，区间隧道，明挖结构的顶板、。结构的顶板，底板及侧墙均已设置外防水层，可采用卷材或防水涂料，防水层应设置保护层。盾构法施工的装配式衬砌隧道混凝土管片采用自防水混凝土。其抗渗等级不得小于p10，同时提高管片制作与拼装精度。减少直径变形与怀念不平整度管片外弧设置防水弹性密封垫内湖在预留的嵌缝槽内进。嵌缝蜜蜂及时在盾尾地层和疝气管片之间的孔隙同步均匀注浆。在隧道周围形成一道防水防线，采用矿山法施工的复合式衬气。应在初期支护与二次衬起之间设置防水层，必要时配合注浆防水，二次气应采用防水桶。高架车站结构，屋面防水主要通过建筑上的有组织排水系统和建筑防水层解决选用的外防水材料应保证变形缝伸缩缝应有可靠的防水措施，区间高架桥梁，高架桥面结构应设置防水层。并采取可靠

优化作业方式

单元墙与复合墙结构，是目前主体结构与围护结构的主要作业方式，两种结构优劣不同，需要遵循地铁施工需求以及工程实际情况做出恰当选择。具体，单一墙结构构造简单，不需增加内力构件，施工成本低，内外钢筋强度要求低，但为了满足地铁结构耐久性要求，在进行设计工作期间，需要考虑预留钢筋的设计工作，需要考虑墙体结构的整体密实性和抗渗性能。因此，要对地铁墙体结构关键部位进行防水设计。此外，单一墙结构耐久性较差，难以满足地铁结构设计的耐久性需求。而复合墙结构与单一墙结构相比，结构耐久性得到了明显提升，并且可以通过增加永久性抗力构件和抗浮构件的方式，提升地铁结构耐久性等级。因而，复合墙结构具有广泛应用性。

2.4控制影响因素

在设计阶段，应注重防控影响地铁结构耐久性的因素。具体可结合以下两项措施，控制影响因素。一方面，针对混凝土碳化作用影响，在设计地铁结构时，可依托碳化理论预测碳化作用的影响，实现有效控制。即如果碳化深度已经触达钢筋表面，就是指碳化深度到达混凝土保护层厚度，那么此时钢筋会发生腐蚀。所以可根据混凝土保护层厚度，反向推理钢筋腐蚀前结构寿命。这就表明在设计地铁结构的时候，可通过确定混凝土保护层厚度，有效控制混凝土碳化作用影响范围。另一方面，在地铁结构设计阶段，对于杂散电流所产生的钢筋腐蚀问题，可选择在回流轨地铁轨道上增加排流网密度的方式，降低杂散电流流散问题发生概率。同时，可考虑将抗腐蚀材料添加到回流轨附近的金属部件或钢筋中，通过这样的方式抵御杂散电流的影响，提升钢筋抗腐蚀性能。此外，对于处在回流轨周围的混凝土结构，要想降低杂散电流对其影响，需要结合环境特征以及结构形式，设计合理的结构参数，然后在混凝土结构外侧涂抹防腐蚀涂层。

结语

在城市化进程不断加快的现实背景下，交通压力持续上涨。为缓解城市交通压力，需要重视发挥地铁工程这种地下交通方式的优势，然而地铁在运行运营过程中，经常出现结构渗漏水容易出现及耐久性不足的问题。所以，文章将本文结合从地铁结构设计的角度进行研究与讨论，希望在确立地铁结构耐久性影响因素后，通过分析提升地铁结构耐久性的设计要点，掌握提升地铁结构耐久性的设计措施，制定科学的地铁结构设计方案，从而有效延长地铁结构使用寿命，增强地铁运营安全。

参考文献

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[程旭东1]补充防水设计相关的内容于2.3节。

[程旭东2]单独补充一节。