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混凝土耐久性设计在辽河路地下通道工程中的应用
常州市市政工程设计研究院有限公司 陆 峰
关键词: 地下通道 混凝土 耐久性 设计
概要: 辽河路地下通道是辽河路地下通道及附属配套工程中的主要节点, 本文对该地下通道的总体设计做出简要介绍, 并重点总结混凝土耐久性设计在该工程中的应用及重要性, 类似城市地下通道的设计起一定的借鉴作用。
1．工程概况
常州是长江三角洲的重要城市之一, 在该区域中经济实力居于中等地位。一批大型市场, 如凌家塘农副产品批发市场等已形成一定的规模和辐射力, 同时, 继续扩大开放、 扩大对外贸易、 发展外向型经济, 许多产品向国际市场进军。
常州位于江苏省南部、 沪宁铁路中段。东临无锡、 南接宜兴和浙江, 北枕长江, 西毗茅山山脉, 中贯京杭大运河。全市交通便利, 水陆空运输齐全。东距上海167公里, 西距南京138公里, 处于中国国土开发沿江与沿海”T”型发展战略的结合部附近。
近年来, 常州市被列为全国第二轮综合体制改革试点城市、 社会发展综合实验区, 高新技术产业开发区被国务院、 国家科委批准为国家级开发区。常州市区被中国经济社会发展水平评价中心列为全国城市综合实力50强和投资环境40优城市之一。经济的快速增长使区域的经济联系更为密切, 必将带来客、 货运量的大幅度增长, 经济实力的增强必将使常州作为中心城市的作用更加明显, 其辐射范围也将更大, 与之相适应, 也必然要求建设现代化的、 发达的道路交通系统。
随着京沪高速铁路建成投运, 位于常州市新北区的高铁常州北站也同步建成投入了使用, 为配合京沪高铁常州北站而进行的常州北部新城建设也在逐步推进中。
”北部新城”位于常州高新区内, 东邻江阴市, 南靠龙城大道, 西到龙江路, 北至S122省道, 规划面积约70平方公里。”北部新城”规划将形成”一个市级行政文体中心、 两条城市发展轴线、 两条滨水特色风光带、 八大城市功能板块”的空间布局。作为八大城市功能板块之一的高铁板块, 将依托京沪高铁常州站, 在其周边1.6平方公里的”高铁中心区”内建设高铁广场、 区级公共服务中心、 市民广场、 商业综合体、 科技CBD等重要内容, 打造国际化功能集聚的商务区和生态化形象突出的城市新中心。
高铁站北广场区域是北部新城的核心区。高铁站北广场的建设是北部新城开发的关键点, 也是带动北部新城建设的推动力。为配合北广场的建筑、 景观及开发需求, 辽河路( 乐山路-长江路) 需要下穿, 以保证辽河路( 乐山路-长江路) 南北两侧景观体系的足够的空间、 完整、 统一。辽河路地下通道及附属配套工程是北部新城核心区建设的重要一环。
因此在常州市开发北部新城的背景下, 为进一步促进北部新城的开发建设, 更好地服务于周边地块的发展和经济建设, 创造便利的交通条件, 营造良好的投资环境, 辽河路地下通道及附属配套工程的建设有重要意义, 有其必要性。
辽河路地道暗埋段长280米, 敞开段长320米, 总长600米; 暗埋段结构净宽40.3米, 敞开段结构净宽39.5米。
2．设计标准
1、 道路等级: 城市主干道。
2、 计算行车速度: 40km/h。
3、 防洪标准: 1 一遇。
4、 不设缓和曲线最小平曲线半径为500米, 凸形竖曲线最小半径600米, 凹型竖曲线最小半径700米, 竖曲线最小长度35米。
5、 路面结构设计年限: 。
6、 主体结构设计使用年限为1 , 安全等级为一级, 重要性系数为1.1。
7、 地下通道设计荷载等级: 公路-Ⅰ级汽车荷载; 人群荷载标准值3.5KN/m2^, 设备用房荷载标准值8KN/m2^。
8、 地下通道道路横断面:1.5( 人行道) +3.5( 非机动车道) +1.75( 分隔带) +11.75( 机动车道) +2.5( 中央分隔带) +11.75( 机动车道) +1.75( 分隔带) +3.5( 非机动车道) +1.5( 人行道) =39.5m。
考虑设施带、 装饰层宽度, 暗埋段结构净宽为40.3m, 敞开段结构净宽为39.7m。
9、 通行净空: 机动车道净高5m、 非机动车道净高3.5m、 人行道净高2.5m。
考虑顶部0.5m设施带, 底部0.4m铺装厚度, 暗埋段结构净高为5.9m。
10、 标准横坡: 机动车道、 非机动车道2.0%, 人行道为反向2.0%。
11、 设计抗浮水位: 按室外地坪标高以下0.5m考虑, 本工程取4.50m。
地下通道运营期抗浮安全系数: Kf≥1.10。
12、 结构防水等级: 二级。
13、 抗震要求: 按地震烈度七度设防,地震动峰值加速度0.1g。
14、 环境类别: 本工程所处环境类别取I类。
15、 钢筋砼结构允许裂缝产生, 最大裂缝宽度允许值≤0.2mm。当考虑地震荷载组合时, 不验算裂缝宽度。
3．地道结构总体设计
3.1 设计原则
1、 贯彻执行”重大工程百年大计”的方针, 在确保工程安全、 耐久、 适用、 优质的同时, 做到经济合理、 技术先进、 方便施工。
2、 满足总体设计、 道路设计、 施工、 运营使用、 城市规划、 防排水等要求。
3、 保证净空尺寸满足地道建筑限界、 设备限界、 施工工艺及使用等要求, 并考虑施工误差、 结构变形、 位移、 测量误差等因素, 留有一定的富裕量。
4、 根据施工阶段和使用阶段可能同时出现的永久荷载、 可变荷载及特殊荷载进行最不利荷载效应组合, 按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行计算和验算, 确保结构设计满足强度、 刚度、 稳定性、 抗浮和允许最大裂缝开展宽度等要求。
5、 充分考虑施工时对环境的影响并采取相应的环境保护措施, 最大限度地减少工程建设对现有环境的影响。
6、 以工程地质勘察数据为依据, 按工程的不同地段、 结构形式、 施工方法、 使用条件及荷载特性等, 选用现行、 有效、 合适的设计规范, 执行国家有关强制性设计标准, 建立合理的结构力学模型, 采用合适的计算方法及参数, 对结构在施工过程和使用过程中可能出现的各种工况进行结构分析, 使结构设计尽可能准确地模拟实际结构受力状态, 获得合理的结构计算结果。
7、 满足抗震设防的要求, 并采取相应的构造措施。
8、 结构设计应满足《地下工程防水技术规范》GB50108- 的有关地下工程防水技术要求, 确保工程的防水抗渗能力。
9、 根据周围环境条件、 基坑开挖深度及支护结构功能等因素确定基坑工程等级, 采用合理的支护体系, 并按相应要求进行设计。
10、 支护结构应进行强度、 变形、 稳定性及抗渗流等计算和验算。
3.2 总体布置
本工程主线地下通道位于辽河路( 乐山路-长江路) K1+820～K2+420处, 全长600m, 从人工湖面下下穿。其中K1+980～K2+260为暗埋段( 每40m设一道变形缝, 共计7段, 即A1-A7),采用矩形框架结构, 结构净宽40.3m; K1+820～K1+980及K2+260～K2+420为敞开段( 每40m设一道变形缝, 共计8段, 即U1-U4,U5-U8), 采用U型槽结构, 结构净宽39.7m。本工程在A1及A7段各设置一座雨水泵房, 在A3段设置最低点泵房, 泵房均与通道框架结构合建。在U4及U5段各设置2座人行通道及踏步。
3.3 结构设计
1、 结构建筑限界
标准暗埋段结构净宽
地道标准暗埋段的结构形式为单箱四室矩形箱涵结构, 根据道路横断面设计, 中间两箱用于机动车通行, 单向机动车道宽度为11.75m; 两边各一箱用于非机动车和行人通行, 非机动车道宽度为3.5m, 人行道宽度为1.5m, 并考虑建筑限界、 防火装饰、 安装必要设施及施工误差等因素, 确定中孔结构净宽确定为13.90m, 边孔结构净宽为5.5m, 隔墙厚度0.50m, 总结构净宽为13.90×2+5.5×2+0.50×3=40.30m。
标准暗埋段
标准敞开段结构净宽
地道标准敞开段的结构形式为U型槽结构, 总结构净宽为39.50m。
标准敞开段
结构净高
中孔结构净高考虑道路路面铺装、 车辆通行限高(5m)、 车道横坡(2.0%, 按最厚处铺装约0.4m控制)、 设备空间( 安装照明、 监控探头、 烟雾探测器等) 等因素, 结构净高按5.9m控制。
边孔结构净高考虑路面铺装、 通行限高(非机动车道净高3.5m, 设风机处, 人行道局部净高2.5m)、 车道横坡(2%)、 设备空间( 安装通风、 照明、 监控探头、 烟雾探测器等) 及市政给水管道通行等因素, 并考虑施工便捷, 结构净高仍按5.9m控制( 非机动车道及人行道结构层按道路设计设置) 。
2、 主体结构设计
地道工程范围为K1+820～K2+420之间, 全长600m。呈东西走向。其中暗埋段桩号为K1+980～K2+260, 暗埋段长280m;敞开段段桩号K1+820～K1+980及K2+260～K2+420, 敞开段长320m。分述如下:
桩号K1+820～K1+980( W1-W8) 及K2+260～K2+420( E1-E8) , 为主线地道敞开段, 采用U型槽结构, 按20m长一节分段, 共计16节U型槽。主要采用放坡开挖( 土钉墙支护) , 靠近新盛家园5层楼处( K2+260~K2+380) 采用桩锚支护。U型槽结构高度由9.1m变化至2.3m, 结构厚度由深至浅逐渐缩小, 底板厚度由1.1 m过渡至0.60m, 侧墙厚度由1.1m过渡至0.60m, 底板两侧各外挑1m。W4-W8及E4-E8底板设置Φ800或Φ1000钻孔灌注桩作为抗拔桩, 每节标准段共计45根抗拔桩。W1-W3及E1-E3均采用自重抗浮。
U型槽标准断面
桩号K1+980～K2+260( W9-W15, E9-E15) 为地道暗埋段, 标准段采用现浇矩形箱涵单箱四室结构( 与雨水泵房合建处局部断面加宽) , 按20m长一节分段, 共计14节。基坑为放坡开挖( 土钉墙支护) 。结构净宽40.3m, 净高为5.90m, 顶板顶埋深0.6m~0.8m, 地道标准暗埋段顶板厚度为0.9~1.0m, 底板厚度为1.0m, 侧墙厚度为1.0m , 隔墙厚度为0.5m。底板设置Φ1000钻孔灌注桩作为抗拔桩, 每节标准段共计45根抗拔桩。
暗埋段箱身标准断面
3、 附属构造设计
结构防水:
变形缝: 顶、 底板及侧墙均埋设中埋式钢边止水带, 底板外侧、 侧墙外侧设置外贴式橡胶止水带, 顶板外侧采用底模量聚氨酯密封胶+附加防水层。
外包防水: 结构侧墙及顶板外侧均涂刷附加防水层。
铺装:
机动车道结构底板设置厚度不小于80mm的C40混凝土铺装层, 内设Φ8@100冷轧带肋钢筋网。
4．主体结构混凝土耐久性设计
1、 耐久性设计原则:
①耐久性设计的技术路线应根据预先确定的钢筋混凝土结构耐久性设计要求的环境类别和环境作用等级, 采取相应的根本措施和附加措施。
②采取合理的结构构造, 便于施工、 检查和维护, 减少环境因素对结构的不利影响。
③对钢筋混凝土施工过程的质量控制提出要求。
④对于局部区段可能出现的腐蚀环境条件下的钢筋混凝土结构, 除了对混凝土本身提出严格的耐久性要求外, 还应提出可靠的附加耐久性措施。
2、 环境作用等级: Ⅰ-B级。
3、 耐久性设计技术要求:
①耐久性设计的总体技术要求:
a、 选择合理的结构形式和有利于结构抗裂、 防渗和耐久性的构造要求, 并充分考虑到运营期间荷载变化和结构变形的影响。
b、 选用质量稳定并有利于混凝土抗裂、 防渗性能的水泥、 矿粉、 粉煤灰等混凝土基本原材料。
c、 适当降低混凝土的水胶比和单方混凝土用水量, 在混凝土中掺加矿粉、 粉煤灰等矿物掺合料。
d、 适当增加混凝土结构的保护层要求。
e、 新施工的混凝土结构物要及时得到保湿养护, 并保证有足够的养护时间。
f、 应针对地下结构顶板等易出现开裂, 渗水现象的部位, 从结构设计、 材料设计、 施工技术和施工管理等方面采取抗裂、 防渗措施。
g、 所有结构预埋件、 连接件应有防止锈蚀、 确保其耐久性的可靠措施。
②材料要求:
a、 混凝土及其配合比要求
混凝土胶凝材料必须掺用优质粉煤灰和矿粉等矿物掺合料或矿物复合掺合料, 掺量控制在30～50%, 掺合比在不同季节宜作调整。
主体结构可采用聚羧酸类减水剂, 一般不使用膨胀剂。
钢筋混凝土结构混凝土强度等级≥C35。
混凝土碱含量≤3.0Kg/m3^。
混凝土原材料( 水泥、 矿物掺合料、 集料、 外加剂、 拌合水等) 中引入的水溶氯离子总量≤0.1%胶凝材料重。
混凝土的配合比应按高性能混凝土的要求配制。
混凝土的配合比设计和混凝土配制, 在满足施工和易性( 必要的流动性) 、 强度等级的前提下, 应以混凝土密实性、 抗渗透性能、 抗裂性能和抗碳化性能为主要控制指标。
b、 胶凝材料
为达到混凝土高性能、 高耐久性的要求, 混凝土配制时应选用优质的水泥、 性能优良的矿粉、 粉煤灰等矿物掺合材料, 或者选用有上述二者复配形成的复合型胶凝材料, 且可在混凝土的胶凝材料中加入少量硅灰; 限制每立方米混凝土中胶凝材料的最低和最高用量, 胶凝材料的技术性能要求如下:
★水泥:
宜选用强度等级≥42.5的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥, 其质量必须符合《通用硅酸盐水泥》( GB175- ) 要求; 碱其质量必须符合《通用硅含量＜0.6%, C^3A含量≤8%; 水泥比表面积≤350m2^/Kg( 硅酸盐水泥) , 普通硅酸盐水泥的80μm方孔筛筛余≤10.0%; 在确定最终水泥品种之前, 应对水泥与所使用的掺合材料、 外加剂等进行复配试验, 以选用匹配的、 性能优良的水泥。
★粉煤灰:
粉煤灰原材料必须符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》( GB/T1596- ) 标准中规定的Ⅱ级灰以上标准, 且含碳量≤2%。
★矿粉:
矿粉原材料必须符合《用于水泥和混您图中的粒化高炉矿渣粉》( GB/T18046- )、 《混凝土结构耐久性设计和施工指南》( CCES01- )( 修订版) 中规定的S95级以上的要求。
c、 细骨料:
不得使用碱活性细骨料, 要求使用中砂, 品质必须符合《建筑用砂》( GB/T14684- ) 的规定, 细度模数2.5～2.9, 符合Ⅱ区颗粒级配。粒径0.06mm累计筛量≥65%, 粒径0.015累计筛量≥95%, 砂中含泥量≤1.5%, 泥块含量≤1.0%。不得使用海砂、 山砂及风化严重和多孔砂。
d、 粗骨料:
不得使用碱活性粗骨料, 要求使用碎石, 品质必须符合《建筑用卵石、 碎石》( GB/T14685- ) 的规定, 要求级配良好, 最大粒径≤38mm, 建议粒径5～25mm, 碎石中氯离子含量≤0.02%, 含泥量≤0.7%, 泥块含量≤0.3%, 吸水率≤1%, 针片状含量≤8%。
e、 混凝土拌合用水:
混凝土拌合用水, 应使用不含有影响水泥正常凝结、 硬化或促使钢筋锈蚀( CI-^含量＜250mg/L)的饮用水, 其品质必须符合《混凝土用水标准》( JGJ63- ) 的要求。
f、 外加剂:
外加剂的质量应符合《混凝土外加剂》( GB8076- )及相关规范的规定。外加剂的使用应符合《混凝土外加剂应用技术规范》( GB50119- )的规定, 混凝土中采用的化学外加剂的氯离子含量≤0.02%( 胶凝材料质量百分数) ; 混凝土砂浆减水率≥18%。
g、 混凝土耐久性主要技术指标:

注: 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;
最小和最大胶凝材料用量以强度等级42.5普通硅酸盐水泥为基准, 若使用更高强
度等级水泥可根据实际情况调整。
③结构构造要求:
a、 所有结构接缝处应采取抗裂、 抗渗的加强措施, 防止渗漏。
b、 混凝土保护层见相关结构说明, 该厚度是指混凝土构件外表面到最外排钢筋( 主筋) 外表面的最短距离, 并已计入施工允许偏差, 保护层厚度施工允许偏差取5mm, 若不符合要求, 应做补救措施。
c、 本工程的设计使用年限为1 , 不能使用冷加工钢筋作为受力钢筋。
d、 在钢筋混凝土构件中部分暴露在外的吊环或紧固件、 连接件等金属部位应采取附加防护措施使之在使用阶段与空气隔离。
e、 对现浇结构顶、 底板与侧墙接界处, 为确保混凝土施工密实性, 要求竖向钢筋净距≥50mm(有接驳器区段的混凝土粗骨料粒径d≤25mm) 。
f、 对结构裂缝渗水应按结构补强、 止水和耐久性等要求进行亲水环氧注浆等堵水、 防渗处理, 聚氨酯仅可用于堵漏、 防渗处理。
④保证混凝土耐久性的施工要求:
a、 高性能混凝土配合比必须经有资质的单位试配, 出具检验报告, 汇总至施工组织设计, 经上报批准后方可应用。
b、 模板必须牢靠, 并要求模板平整、 接缝严密, 防止跑模漏浆。
c、 根据不同的季节、 气候, 选择有利于抗裂防渗的时间段进行混凝土浇筑施工。
d、 对结构易产生渗漏的部位( 如变形缝、 接驳器位置处) 必须加强振捣施工, 严格防止过振, 以改进混凝土的密实度。
e、 控制混凝土入模温度, 夏季混凝土入模温度宜≤25度; 冬季混凝土入模温度宜≥12度, 并需加强保温保湿措施; 混凝土内部温度和外表温度差应≤20度。
f、 严格控制混凝土结构的保护层厚度, 应采用专门加工、 定型生产的钢筋定位垫块或定位夹, 提高钢筋施工安装的定位精度。限制使用工地现场制造的垫块。另外, 还必须按以下要求执行:
应采用纤维水泥基垫块, 强度等级≥C50, 尺寸误差±1mm, 垫块间距50d( 钢筋直径) 且≤1000mm, 并呈梅花形设置;
监理人员要把保护层厚度作为重点检查内容之一, 重复检查, 浇筑混凝土前和浇筑过程中都应检查;
施工验收时的实测保护层厚度应有95%以上的保证率。
g、 加强混凝土的早期养护和全过程养护。有抗渗、 抗裂要求的混凝土结构潮湿养
护≥14天。当气温低于0度时, 要及时覆盖新浇筑混凝土表面, 采取保温加热措施, 使混凝土不受冻害。
h、 混凝土结构未达到设计规定强度及养护时间, 严禁提前拆模。
i、 混凝土结构出现渗漏后, 宜在冬季进行堵漏施工。
j、 混凝土结构的开裂程度、 渗漏水情况及修复情况应反映在工程技术档案中, 并应列入工程验收内容。
⑤混凝土耐久性检验:
a、 混凝土原材料检验方法( 碱含量检验) :
水泥含碱量( ≤0.6%) , 按GB/T75检验;
混凝土总碱含量( ≤3.0Kg/m3^), 按照《混凝土碱含量限值标准》( CECS53:93)检验;
骨料按照《建筑用砂》( GB/T14684- ) 和《建筑用卵石、 碎石》( GB/T14685- ) 检验。
b、 混凝土密实度、 抗碳化、 抗裂性检验方法:
确定配合比前, 必须进行原材料、 混凝土碱含量、 混凝土快速碳化深度、 混凝土抗裂性和氯离子扩散系数的检测, 施工中还应进行混凝土电通量的检测; 采用钢筋保护层测定仪对主要混凝土结构或构件的保护层厚度进行测试, 取样数量、 范围和测试应符合《混凝土结构工程施工质量验收规范》( GB50204- )的要求。
混凝土耐久性检测指标与频度:

注: 混凝土标准养护56天时的电通量值, 试验方法参照《港工混凝土耐腐蚀规范》( JTJ275- ) ;
混凝土标准养护56天放入标准溶液中浸泡90天时的表观氯离子扩散系数, 实验方法参照NT BUILD443方法; 也可采用RCM方法检测, 龄期为56 天, 指标为4.0x10-12^m2^/s;
混凝土标准养护28天后, 按标准条件快速碳化至56天的碳化深度, 试验方法参照GB82-85;
混凝土抗裂性能试验参照《混凝土结构耐久性设计与施工指南》( CCES01- ) ( 修订版) 附录A混凝土抗裂性测试方法及评价中规定的混凝土抗裂性试验方法。
c、 混凝土结构裂缝和渗水状况的监测:
★裂缝的常规检测:
除按规定作混凝土抗裂性试验外, 首先是现场肉眼观察混凝土表面裂缝, 再用光学放大镜测量其宽度, 并用图纸描述。必要时采用取芯样检测裂缝的宽度。
★建立混凝土结构裂缝的全过程监测制度:
对混凝土结构的裂缝在竣工前应有《裂缝分布图》外, 在运营过程中应对结构定期进行监测, 观察裂缝发展。同时, 应建立结构裂缝档案。
★渗漏水的记录备案:
对现浇结构的渗漏水在竣工前应有《渗漏水平面展开图》, 据此进行渗漏水治理。治理措施与效果也应显示在图上, 并应以此为基础, 建立渗漏水及其治理档案。
5．结论
从钢筋混凝土结构问世至今已有130余年历史, , 随着时间的推移, 大量已建造的混凝土结构在环境作用下的安全使用和耐久性问题就摆到了人们面前。影响混凝土耐久性的因素分内部和外部两个方面。内部因素主要有混凝土的强度、 渗透性、 保护层厚度、 水泥品种和标号及用量、 外加剂、 集料的活性等, 外部因素则主要有环境温度、 湿度、 co2含量、 侵蚀性介质等。耐久性不好往往是内部的不完善性和外部的不利因素综合作用的结果。而结构的内在缺陷往往是设计不妥、 施工不良引起的。因此, 在辽河路地下通道工程的设计中, 我们在常州地区同类市政工程中首次引入了混凝土耐久性设计的概念, 并在设计文件中作为专项设计, 从设计的角度对可能影响混凝土耐久性的各个环节进行了详细规定, 实践证明, 经过设计手段, 本工程的混凝土结构的耐久性能得到有效的提高, 取得了良好的社会效益及环境效益。
经过本工程的设计实践, 我们认为在重大市政工程中除了进行承载能力计算、 变形和裂缝验算外, 进行有针对性的混凝土耐久性设计是非常必要的。只有高度重视混凝土的耐久性设计, 才能有效保证结构能达到正常设计使用年限, 避免混凝土结构频繁的修补、 改建, 甚至重建, 其社会效益、 经济效益及环境效益是非常显著的。

参考文献:
[1] 常州市规划设计院, 常州市城市总体规划( -2020)
[2] 常州市规划局新北分局, 辽河路地下通道及附属配套工程规划方案, .8
[3] 常州市市政工程设计研究院有限公司, 辽河路地下通道及附属配套工程可行性研究报告, .7
[4] 常州市市政工程设计研究院有限公司, 辽河路地下通道及附属配套工程初步设计, .8