胶州湾海底隧道衬砌混凝土关键参数研究
金祖权1, 2，孙伟3，侯保荣2，张鹏1
(1. 青岛理工大学 土木学院，山东 青岛，266033；
2. 中国科学院海洋研究所，山东 青岛，266071；
3. 东南大学 材料科学与工程学院，江苏 南京，211189)
摘要：对我国第2条海底隧道即胶州湾海底隧道已施工衬砌混凝土的强度、氯离子扩散系数、保护层厚度、抗渗透性能、浇注厚度、空洞及胶结性能进行试验研究。研究结果表明：胶州湾海底隧道衬砌混凝土3 d强度大于30 MPa，28 d强度大于60 MPa，但与标准养护相比，现场养护混凝土强度降低6%~7%；已施工衬砌混凝土回弹强度为53~75 MPa，氯离子扩散系数均值为(2.1~2.7)×10-12 m2/s，抗渗等级大于S12，海底隧道左、右线衬砌混凝土保护层偏差分别为-6~15 mm和-4~15 mm；衬砌混凝土芯样抗压强度大于50 MPa，氯离子扩散系数均值分别为1.60×10-12 m2/s和3.39×10-12 m2/s，满足设计要求；衬砌混凝土厚度超过设计值为1.0~3.5 cm，初衬和二衬间未发现脱空异常区，衬砌混凝土胶结好，合格率超过98%；此外，隧道洞口段衬砌混凝土受环境气候影响，其性能比其他部位的性能略差，建议对该部位进行防水处理。
关键词：海底隧道；衬砌混凝土；强度；氯离子扩散系数；保护层厚度；渗透性
中图分类号：TU528.01 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2011)03-0810-07
Key parameters of constructed lining concrete in Jiaozhou Bay Subsea Tunnel
JIN Zu-quan1, 2, SUN Wei3, HOU Bao-rong2, ZHANG Peng1
1. College of Civil Engineering, Qingdao Technological University, Qingdao 266033, China;
2. Institute of Oceanology, Chinese Academy of Science, Qingdao 266071, China;
3. College of Materials Science and Engineering, Southeast University, Nanjing 211189, China)
Abstract: The strength, chloride diffusion coefficient, cover thickness, permeability, casting thickness, void region and bonding quality of constructed lining concrete in Jiaozhou bay subsea tunnel were investigated. The results indicate that the compressive strength of lining concrete is about 30 MPa and 60 MPa at the age of 3 d and 28 d in the field or in the standard condition, respectively, and the compressive strength of lining concrete decreases by 6%-7% in the field compared with in the standard condition. The rebound strength, chloride diffusion coefficient, and anti-permeability level of constructed lining concrete in Jiaozhou bay subsea tunnel is 53-57 MPa, (2.1-2.7)×10-12 m2/s, and more than S12, respectively, and the varied cover thickness of the left and right are -6-15 mm and -4-15 mm, respectively. The compressive strength of drilled lining concrete core sample is more than 50 MPa, and its chloride diffusion coefficient of left and right are 1.60×10-12 m2/s and 3.39×10-12 m2/s, respectively, which satisfies the designed requirement. The thickness of lining concrete exceeds by 1.0-3.5 cm of designed parameters and the void region between outer lining and lining concrete is not observed in the tunnel. The bonding quality of lining concrete is good. Additionally, the performance of lining concrete in mouth of subsea tunnel is worse than that of the rest parts, therefore, the waterproof measurements should be considered.
Key words: subsea tunnel; lining concrete; strength; chloride diffusion coefficient; cover thickness; permeability
随着我国厦门东通道海底隧道、青岛胶州湾海底隧道的开工建设，海底隧道结构混凝土的耐久性问题受到越来越多的关注[1-4]。青岛胶州湾海底隧道北连青岛市区团岛，南接黄岛区的薛家岛，下穿胶州湾湾口海域，海水最大水深为42 m。隧道全长为7.8 km，其中海域段长度约3.95 km，是中国最长的海底公路隧道。项目总投资32.98亿元(不含市区接线1.6 km投资)。胶州湾海底隧道薛家岛段从2007年开始施工，至2009年3月右洞衬砌混凝土施工里程为YK8+850~YK7+247 km，喷射混凝土施工里程为YK8+850~YK6+945 km；左洞衬砌混凝土施工里程为ZK8+814.3~ZK7+646.7 km，喷射混凝土施工里程为ZK8+814.3~ZK7+086 km；左、右洞均已进入海域段。考虑到胶州湾海底隧道100 a服役寿命要求，设计时考虑了胶州湾海底隧道环境，并基于氯盐腐蚀模型给出了衬砌混凝土耐久性设计参数[5-6]。然而，这些参数在实际施工过程中与设计时并不吻合，这将极大地影响衬砌混凝土的服役寿命[7-11]。此外，隧道衬砌混凝土难施工、易开裂以及拱顶空洞问题是隧道的常见问题，胶州湾海底隧道首次采用了C50高性能衬砌混凝土并建立了相应的耐久性施工技术规程[12-15]。为了验证其实施效果，本文作者对已施工胶州湾海底隧道衬砌混凝土多个关键参数进行测试和分析，以评定衬砌混凝土质量。
1 实验
1.1 混凝土配合比
依据胶州湾海底隧道衬砌混凝土耐久性设计要求，混凝土强度等级为C50，其氯离子扩散系数小于4×10-12 m2/s，抗渗等级为S12，混凝土保护层偏差应小于10 mm。二衬混凝土配合比如表1所示。
表1 胶州湾海底隧道衬砌混凝土配合比
Table 1 Mixed proportion of lining concrete for Jiaozhou bay subsea tunnel kg?m-3
1.2 实验方法
胶州湾海底隧道二次衬砌混凝土采用标准养护和隧道现场养护2种方式，测试其强度变化规律；二次衬砌混凝土现场强度采用回弹法测试，氯离子扩散系数、抗渗等级采用施工里程内现场浇注二衬混凝土标准养护试件测试，衬砌混凝土保护层偏差采用钢筋定位仪测试；采用地质雷达测试衬砌厚度、脱空异常区及混凝土胶结性能。
2 结果与讨论
2.1 海底隧道衬砌混凝土强度发展规律
隧道混凝土强度变化决定了衬砌混凝土早期拆模和后期耐久性能的发挥，本文对标准养护和现场养护的二次衬砌混凝土的强度变化规律进行测试，其结果如图1所示。
图1 混凝土强度变化规律
Fig.1 Compressive strength varied with curing age for lining concrete
由图1可知：胶州湾海底衬砌混凝土3 d强度为30 MPa左右，有利于混凝土拆模，后期强度变化正常，有利于提高混凝土耐久性能；无论采用那种养护方式，其28 d强度均在60 MPa左右，满足设计要求。与标准养护相比，衬砌混凝土现场养护劣化了混凝土性能，其28 d抗压强度降低6%~7%。
对胶州湾海底隧道右线YK8+850~YK8+643 km范围内标养衬砌混凝土28 d强度进行统计，其结果如图2所示。
图2 胶州湾海底隧道右线衬砌混凝土抗压强度
Fig.2 Compressive strength of constructed lining concrete in Jiaozhou bay subsea tunnel
由图2可知：胶州湾海底隧道在近200 m施工里程内衬砌混凝土抗压强度波动性较小，混凝土28 d抗压强度均在60 MPa左右，满足设计要求。
2.2 海底隧道衬砌混凝土强度波动
考虑到衬砌混凝土强度现场施工过程中可能出现波动，采用高强混凝土回弹仪对胶州湾海底隧道左、右线衬砌混凝土在左、右边墙进行回弹，其结果如图3所示。
由图3可知：胶州湾海底隧道衬砌混凝土右线回弹值在35~50之间，左线在33~40之间。根据高强混凝土回弹法测区混凝土强度换算表，则其强度分别为58~75 MPa和53~66 MPa，满足设计强度要求。此外，由3个回弹测线可知：衬砌混凝土在入口前80 m，强度逐渐上升；在距入口80 m后，混凝土强度均匀性较好；因而，在后期的装饰处理过程中，建议对隧道入口进行防水处理。
2.3 衬砌混凝土氯离子扩散系数
海底隧道衬砌混凝土在施工过程中质量控制不稳会导致材料结构不均匀，从而导致混凝土的氯离子扩散系数波动。若某处衬砌混凝土氯离子扩散系数最大，则该点将可能成为隧道的薄弱点。胶州湾海底隧道在不同施工里程对现场将要浇注的衬砌混凝土成型50 mm×100 mm(高×直径)的扁圆柱体标准养护28 d，采用RCM法测试其氯离子扩散系数，左、右线已施工
图3 胶州湾海底隧道衬砌混凝土强度波动
Fig.3 Varied compressive strength of lining concrete in Jiaozhou Bay Subsea Tunnel
衬砌混凝土氯离子扩散系数如图4所示。
由图4可知：胶州湾海底隧道右线主洞YK8+740~ YK8+515 km以及服务洞FK6+100~FK6+62.5 km衬砌混凝土的氯离子扩散系数平均值为2.1×10-12 m2/s；左线主洞ZK8+810~ZK8+640 km施工里程的氯离子扩散系数平均值为2.7×10-12 m2/s，均低于设计要求4×10-12 m2/s，这将能有效保证隧道混凝土在氯盐腐蚀下的服役寿命。
图4 海底隧道左、右线衬砌混凝土氯离子扩散系数
Fig.4 Chloride diffusion coefficient of constructed lining concrete in Jiaozhou Bay Subsea Tunnel
2.4 衬砌混凝土抗渗透性
海底隧道最大水压力为0.7 MPa，故衬砌混凝土应具有自防水功能，设计时要求其抗渗透性大于S12。海底隧道左、右线衬砌混凝土的抗渗透性能统计结果如表2所示。
由表2可知：胶州湾海底隧道衬砌混凝土具有优良的抗渗透性能，即使对衬砌混凝土采用现场养护方式，其抗渗等级依然满足S12的设计要求。
2.5 衬砌混凝土保护层波动情况
衬砌混凝土的服役寿命与其保护层厚度呈线性关系[9]，保护层厚度偏差直接决定了混凝土的施工质量和服役寿命。采用瑞士生产的钢筋定位仪(型号为Profometer5)检测海底隧道衬砌混凝土中纵向钢筋和横向钢筋的位置，并记录衬砌混凝土保护层厚度。将测试的保护层厚度减去设计保护层厚度(60 mm)，得 到衬砌混凝土保护层偏差。胶州湾海底隧道1 m和 2 m高程衬砌混凝土保护层厚度偏差测试结果如图5所示。
由图5可知：海底隧道左、右线衬砌混凝土保护层偏差为-6~15 mm和-4~15 mm，满足耐久性设计计算时考虑保护层最大负偏差10 mm的要求，有助于提高海底衬砌混凝土的服役寿命。
2.6 海底隧道混凝土芯样强度
为得到衬砌混凝土实体的强度及氯离子扩散系数，对海底隧道衬砌混凝土现场取芯。衬砌混凝土芯样表观形貌良好，混凝土结构致密，少见空洞、大气泡等现象，这表明衬砌混凝土结构体致密，浇注效果良好。对芯样混凝土测试其强度，其结果如图6所示。
表2 海底隧道衬砌混凝土抗渗透试验结果
Table 2 Permeability experimental results of lining concrete in subsea tunnel
对各芯样测试其氯离子扩散系数，其结果如图7所示。图6和图7中：A1和A2分别为右线左边墙1号和2号芯样；B1，B2和B3分别为右线右边墙1~3号芯样；C1和C2分别为左线左边墙1号和2号芯样。
图5 海底隧道衬砌混凝土保护层偏差
Fig.5 Cover thickness varied of lining concrete in jiaozhou bay subsea tunnel
图6 芯样抗压强度
Fig.6 Compressive strength of drilled lining concrete core sample
图7 混凝土芯样氯离子扩散系数
Fig.7 Chloride diffusion coefficients of drilled lining concrete core sample
由图6可知：海底隧道左、右线衬砌混凝土钻芯样强度均达到50 MPa，满足设计要求。由图7可知：胶州湾海底隧道左、右线衬砌混凝土芯样氯离子扩散系数均值分别为3.39×10-12 m2/s 和1.6×10-12 m2/s，满足设计要求。
2.7 海底隧道衬砌检测
对胶州湾海底隧道第4合同段的YK8+850~ YK7+640 km和第3合同段的ZK8+814.3~ZK7+806 km间衬砌混凝土质量采用地质雷达进行检测，检测时沿隧道纵向的左、右边墙，左、右拱腰以及拱顶布设5条测线[16]，二衬厚度偏差如图8所示。
图8 隧道二衬混凝土厚度偏差
Fig.8 Varied thickness of lining concrete in subsea tunnel
由图8可知：胶州湾海底隧道浇注二衬混凝土厚度偏差为1.0~3.5 cm，均超过设计值，满足设计要求，这有效地保证了衬砌混凝土的密实度。检测结果表明：在已施工里程范围内，二衬与初衬之间未发现脱空异常区，仅在左线隧道的ZK8+722 km右边墙等4个点和右线隧道的YK8+745 km拱顶等5个点出现混凝土胶结较差，异常率小于2%。
3 结论
(1) 海底隧道标准养护和现场养护衬砌混凝土 3 d强度大于30 MPa，28 d强度大于60 MPa；与标准养护相比，现场养护衬砌混凝土28 d抗压强度降低6%~7%。
(2) 海底隧道左、右线已施工衬砌混凝土回弹强度分别为58~75 MPa和53~66 MPa，满足设计强度要求。衬砌混凝土在洞口处强度比其他部位的略低，建议对衬砌隧道洞口段进行防水处理。
(3) 海底隧道左、右线衬砌混凝土氯离子扩散系数均值分别为2.1×10-12 m2/s和2.7×10-12 m2/s，低于设计要求；左、右线衬砌混凝土抗渗等级满足设计要求的S12；左、右线衬砌混凝土保护层偏差分别为-6~15 mm和-4~15 mm。
(4) 衬砌混凝土芯样表观形貌良好，结构致密，芯样抗压强度大于50 MPa，海底隧道左、右线氯离子扩散系数均值分别为3.39×10-12 m2/s和1.60×10-12 m2/s，满足设计要求。衬砌混凝土厚度符合设计要求，二衬与初衬间无脱空异常区，混凝土胶结异常率小于2%。
致谢：
胶州湾海底隧道施工单位中铁隧道局和中铁十八局为本文提供了衬砌混凝土调查数据及地质雷达测试数据，并对本试验提供了帮助，在此表示感谢！
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(编辑 陈灿华)
收稿日期：2009-11-06；修回日期：2010-03-08
基金项目：国家自然科学基金资助项目(50708046，50739001)；山东省教育厅项目(J08LA04)；山东省自然科学基金资助项目(ZR2009FQ011， ZR2009FQ014)
通信作者：金祖权(1977-)，男，四川南充人，博士，副教授，从事高性能混凝土制备及耐久性能研究；电话：15964239984；E-mail: jinzuquan@126.com
