高地热环境隧道混凝土衬砌结构损伤演化机制与耐久性退化

The concrete lining structure in the high geothermal environment always seriously damaged due to coupling affection of geothermal water outside the cave and atmospheric environment inside the cave. Focuses on the corrosion problems of tunnel lining structure caused by geothermal water in western China, this project takes the erosion behavior of concrete caused by various ions in geothermal water as the research priority. The durability of composite in lining structures (including initial support and secondary lining structure) under the high geothermal will be systematically researched. The combination of theoretical analysis, rapid corrosion testing and field verification will be taken in this research. Based on the microstructure analysis of lining concrete under high geothermal environment, the combined effects of various high-concentration ions, temperature field, and rock pressure, ion transport behavior and microstructure of lining concrete will be investigated, the durability damage mechanism will be revealed, and the durability degradation model under multiple factors will be established. The durability failure criteria and the durability life prediction method which considering the couple affection of lining structure will be given. The results of this project will provide theoretical basis and technical support for the safe operation and life-cycle design of tunnel structure under high geothermal environment.

高地热环境中隧道混凝土衬砌结构，由于受到洞外高温地热水和洞内大气环境侵蚀的双向作用，耐久性损伤严重，并且高温地下水对混凝土衬砌的侵蚀速度快，可能导致靠近围岩外侧的衬砌已严重受损，但内侧衬砌表面并无明显损伤特征，产生极大的安全隐患。本项目以西部地区存在高地热水问题的隧道混凝土衬砌结构为研究对象，以地热水中多种离子对混凝土的侵蚀行为作为研究核心，围绕复合混凝土衬砌结构，分别对初期支护和二次衬砌结构在高地热环境中的耐久性问题开展系统研究。采用理论分析、快速腐蚀试验与工程验证相结合的方法，从高地热环境施工对衬砌混凝土微观结构影响分析入手，考虑多种高浓度离子、温度场、围岩压力的共同作用，研究混凝土中离子传输行为，分析混凝土微观结构变化，揭示高地热环境中复合混凝土衬砌结构耐久性损伤机理，建立多因素共同作用下衬砌结构耐久性退化模型。考虑地热环境中衬砌结构遭受内外双向腐蚀作用，建立隧道复合混凝土衬砌结构耐久性失效标准，提出耐久性寿命预测方法。项目研究成果将为高地热环境隧道结构的安全运营和全寿命设计提供理论依据和技术支撑。

在“一带一路”战略推动下，青藏高原铁路线和公路线日益增多，隧道建设中高地热问题凸显。采用理论分析、实验室快速试验及数值模拟相结合方法，系统研究了高地热环境隧道衬砌混凝土硫酸盐侵蚀机理、性能退化规律及损伤模型，主要研究成果如下：（1）明确了影响隧道衬砌混凝土耐久性的环境因素，以水化产物微观形貌为依据，将高地热环境分为轻微、轻度、中度、重度、严重与剧烈六个等级。（2）探明了不同温湿度养护下喷射混凝土水化产物种类和含量、C-S-H组成、微观结构、孔隙率、物相演变，40℃~80℃养护能提高喷射混凝土早期抗压强度，养护温度超过60℃喷射混凝土28d以后抗压与抗折出现了不同程度降低。（3）明晰了钢纤维、玄武岩纤维掺量、钢纤维种类及龄期对高地热环境下衬砌混凝土抗压强度、弯曲强度、韧性、应力应变关系影响规律，0.5%~1.0%钢纤维对抗压强度与抗折强度的改善效果较好，超细型优于端勾型与波浪型。（4）设计了能实现温度场与离子单向侵蚀共同作用的耐久性模拟制度与装置，揭示了高地热环境硫酸盐侵蚀衬砌混凝土外观形貌、侵蚀产物组成及含量、内部微观形貌、孔结构演变，侵蚀温度升高加快了硫酸盐侵蚀反应，但温度超过60℃后对硫酸盐侵蚀的加速作用不显著。（5）揭示了高地热环境硫酸盐侵蚀衬砌混凝土强度、质量、相对动弹性模量、吸水率、SO42-传输等演变规律，以“离子传输-化学反应-膨胀力计算-力学响应”为主线，并将混凝土中孔隙形状考虑为球形、圆柱形、椭圆形和椭圆球形四种，建立了考虑孔隙形状影响的高地热环境硫酸盐侵蚀衬砌混凝土损伤数值计算方法。（6）探明了高地热环境衬砌混凝土钢筋开始锈蚀与锈胀开裂条件，建立了高地热环境中衬砌混凝土耐久性失效标准，提出高地热环境衬砌混凝土耐久性寿命预测方法。本项目研究成果可为此类特殊地质条件下的混凝土衬砌结构全寿命设计提供技术支撑，对于保障它们的安全和持久运营具有重大的经济和社会意义。