喷射混凝土隧道结构耐久性与寿命预测研究

With shotcrete tunnel structure selected as research object，this project will conduct a system research on durability damage mechanism, structural performance degradation law, durability design as well as assessment methodologies. The combination of environmental simulation test and field test, theoretical analysis and engineering validation will be used in this research. Based on micro-structural composition and characteristics of shotcrete and the difference between shotcrete and form working concrete, the durability damage mechanism and performance degradation law of shotcrete under regional corrosive medium will be studied. For typical tunnel structures, the structural performance degradation mechanism and law of shotcrete under the combined action of environmental coupling effect and surrounding rock pressure will be given. The durability failure standard and relationship among durability, safety and usability as well as durability design and assessment method of shotcrete tunnel structure will also be presented. Based on practical engineering and aimed at the frontier, this project satisfy the urgent demand of infrastructure construction, it has great important theoretical and practical significance to the discipline development and the modern tunneling security.

本项目以喷射混凝土隧道结构为研究对象，系统开展喷射混凝土隧道结构的耐久性损伤机理与结构性能退化规律、耐久性设计与评估理论方法研究。采用模拟试验与现场试验相结合、理论分析与工程验证相结合的方法，从喷射混凝土微观结构组成和微观结构特征研究出发，以喷射混凝土与模筑混凝土微观结构性能差异及其对耐久性影响研究为核心，考虑不同地域隧道工程腐蚀介质和环境特点，研究区域环境下喷射混凝土结构的耐久性损伤机理和性能退化模型；针对典型隧道工程环境与结构特征，研究喷射混凝土结构在多环境因素耦合及围岩压力共同作用下的结构性能退化规律，建立喷射混凝土衬砌结构性能退化模型；研究喷射混凝土隧道结构耐久性失效标准，建立隧道结构耐久性与安全性及使用性的关系，构建隧道结构耐久性设计与评估理论。本项目立足工程实际，瞄准学科前沿，适应重大基础设施建设的迫切需求，对学科发展与保证现代隧道工程的安全耐久具有重要的理论意义和实际意义。

项目以喷射混凝土永久衬砌隧道结构为背景，分别对喷射混凝土水化硬化过程、力学性能及渗透性能、单因素作用耐久性、承载喷射混凝土耐久性及多因素耦合作用耐久性能劣化规律进行了研究，采用X射线衍射、热分析、扫描电镜、压汞测孔等微观测试方法，对损伤喷射混凝土微观结构进行了表征，研究了喷射混凝土耐久性能劣化机理。确定喷射混凝土衬砌结构失效指标，对喷射混凝土隧道衬砌碳化耐久性寿命进行预测。. (1) 从研究喷射混凝土和模筑混凝土水化硬化过程和微观结构差异入手，考虑水胶比、粉煤灰和钢纤维掺量，对喷射混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度、孔结构及渗透性能进行了试验研究，同时，对抗压强度与劈裂抗拉强度、孔结构与渗透性之间的关系进行了分析，建立了喷射混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度模型，为喷射混凝土性能劣化规律及机理研究提供理论基础。. (2) 采用快速碳化法、硝酸浸泡法、快冻法、氯盐浸泡法、干湿交替法及盐冻法等试验方法，开展了单因素作用喷射混凝土耐久性、承载(弹簧四点弯曲加载)喷射混凝土耐久性和多因素耦合作用喷射混凝土耐久性试验，对喷射混凝土中性化及氯离子扩散规律、抗冻性和抗硫酸盐侵蚀性能进行研究。采用分层取粉法和电位法，对侵蚀喷射混凝土中水溶性硝酸根、氯离子含量分布进行试验测试，对侵蚀性离子在喷射混凝土中的扩散过程进行研究。. 结果表明：与同配合比模筑混凝土相比，喷射混凝土耐久性能较好，这是由于水化硬化及施做方式的不同，使喷射混凝土形成独特的矿物组成和微观结构所造成的。随着喷射混凝土水胶比增大和钢纤维掺量减小，喷射混凝土耐久性能提升；随着喷射混凝土中粉煤灰掺量增大，其耐久性能先提升后下降。而喷射混凝土抗盐冻性能随着喷射混凝土水胶比、粉煤灰掺量和钢纤维掺量增大而降低。通过对试验数据进行分析，建立了考虑水胶比、粉煤灰掺量、钢纤维掺量、弯曲应力比以及混凝土成型方式的，多因素耦合作用喷射混凝土中性化深度预测模型和氯离子扩散模型。