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文丨大声科普

编辑丨大声科普

盾构隧道管片结构的接头部分是其力学性能的薄弱部分，在长期受荷载、振动、渗漏水以及复杂环境作用下，接头自身的健康状况容易受损，影响盾构降道的正常使用。

对目前国内既有盾构隧道结构的检测结果表明，盾构隧道常见结构病害中就包括接头部位管片的损坏与锈蚀。

因为在盾构隧道的建设和运营过程中，环向螺栓是连接衬砌管片的重要结构元件。

然而，由于环境因素、运行条件以及设计或施工缺陷等原因，环向螺栓的锈蚀问题常常出现。

螺栓的锈蚀不仅可能导致接头部分的结构病害，还对盾构降道的承载性能产生潜在的影响。

接下来，就让大声带大家了解一下：如何通过改善环向螺栓锈蚀程度，提高盾构降道的承载性能？

螺栓锈蚀性

螺栓作为连接元件，经常暴露在复杂的环境中，例如潮湿、高温、多尘、化学腐蚀等。

这些环境因素会导致螺栓表面产生氧化、腐蚀和锈蚀现象，从而削弱螺栓的力学性能和连接稳定性。

我们为了能够还原最真实的螺栓锈蚀，选择了通电锈蚀的方式。

因为通电锈蚀不仅可以较快速度制备试验试件，还可以人为控制通电量达到所要求的锈蚀程度，以模拟不同工况下的锈蚀螺栓。

此外，其锈蚀原理与实际盾构降道中的螺栓锈蚀机理相似，能够较好地还原自然腐蚀后的接头螺栓。

对试验后的接头螺栓进行取样分析，能够得到不同锈蚀率下的锈蚀分布规律。

我们采用地铁盾构隧道常用规格的接头螺栓，螺栓直径30mm，长度为533mm，质量约3kg，螺栓主材为Q235低碳钢，表面采用镀锌处理。

电化学试验需准备铜电极、电源、电解槽、氯化钠电解液等，铜片规格尺寸严格按照国标GB/T5096一85：纯度大于99.9%的电解铜。

宽为12.5mm,厚为1.5~3.0mm长为75 mm，为缩短试验时间，需要较高的电流强度。

电源采用稳压稳流双内环高频调制技术，输端为常规220V交流电压，输出端由导线与电极直接连接，电流可调范围0~30A、电压可调范0~100V。

测试过程中采用稳流模式，即调节电流至所需大小，保持数值稳定不变，电压满负荷运行。

电解池所用容器选择定制加工PP板方形槽，长1m，宽0.5m，高0.5m考虑到半结晶性材料本身绝缘性能好，不易被腐蚀，具有一定的隔热性。

试验时，槽内铺设两块钢化玻璃板作为置物台，参考土木工程中常用于研究钢筋锈蚀的试验方法,选用5%浓度的NaCI溶液作为电解液。

那么，环向螺栓在不断锈蚀的过程中，有什么规律？

螺栓锈蚀规律

既有运营盾构隧道锈蚀较为严重的区域中，接头螺栓的最大锈蚀率不超过10%，因此在制定试验方案时，我们将最大锈蚀率设定为10%。

此外还有3%、5%试验组和0%的对照组，依照方案进行理论计算确定需要的电路参数。

根据法拉第定理，腐蚀量是电压、申流与通电时间的函数，在电压一定的情况下，通过控制电流和通电时间可以得到理论上通电造成的锈蚀率，锈蚀质量的计算公式如下:

在公式中：i为平均电流强度，t 为通电时间，系数K与电化学反应的两种金属成分有关(正极螺栓不锈钢的主要成分是铁)

在公式中：n 为化合物中正或负化合价总数的绝对值，这里是2F为法拉第恒量，数值为 F=96 487 C/mol，铁的摩尔质量M为55.847g。

根据上述原理，计算得到：

、

为了方便计算，时间t单位改为h，则：

设原始质量为mo，则锈蚀率：

实验数据得到的锈蚀率和直径变化率结果表明： 锈蚀虽然不完全均匀分布，但治轴向总体差距不大，因此模拟过程中假设它锈蚀均匀。

混凝土管片中嵌入的螺栓发生锈蚀以后，其产生的铁锈体积一般是相应钢材体积的2~4倍因此会向四周膨胀并产生锈胀力。

锈胀过程中，外部混凝土受力产生一定变形，螺栓表面自由膨胀的铁锈因受力也产生一定变形，二者之间变形协调。

在公式中： R，d分别为螺栓自由膨胀后的半径、直径，n为体积膨胀率，o为螺栓锈蚀率，d 为螺栓的原始直径。

设锈胀力大小为g，根据弹性力学则有：

在公式中：8为混凝土受锈胀力引起的变形，为混凝土泊松比，E为混凝土的弹性模量，c 为混凝有效受力半径，R为螺栓半径。

同理有：

在公式中：8为铁锈受锈胀力引起的变形，为铁锈的名义泊松比，E为铁锈的名义弹性模量，已有试验结果给出了u、E，的拟合值：

将上式带入变形协调方程

得到锈胀力的表达式：

模型中主要结构由管片、螺栓、钢筋等组成,在进行模拟时需定义混凝土、螺栓等材料的参数。

不仅能够较好地模拟盾构管片开裂和损伤，还可以大幅提高计算效率，需定义材料的弹性模量、应力-应变关系及损伤因子。

普通钢材采用复合Von Mises符准则的塑性本构，而锈蚀钢的主要成分为氧化铁。

模型的接触关系主要包括管片-管片、管片-螺栓、管片-钢筋这几种。

其中管片-管片和管片-螺栓为面面接触，这样的接触表现为挤压摩擦行为。

因此，其法向定义为“硬接触”，就是不同构件之间不存在入侵，切向上定义为“库伦摩擦接触”，设置相应的摩擦系数当切应力达到摩擦阻力之前不发生相对滑移。

而锈蚀螺栓试件的摩阻测试表明，锈蚀层和混凝土管片的摩擦相对较弱，因此，将库伦摩擦系数乘以相应的折减系数0.5。

钢筋采用人单元，不占用空间，不具有自由度，仅强化所在区域的刚度，不考虑相对滑动。

在实际工程中地铁盾构除道处于复杂地层中，其穿越土层为软弱土层，多为欠固结土土层参数以河西地区土建议取值为依据，侧压力系数取0.7，浅埋道顶部埋深为12m。

采用了基于荷载-结构模型的加载模式，作用于盾构降道的召载主要有顶底水土压力、侧向水土压力、自重和地层抗力，并考虑了服役期间由外部施工引起的超载情况，如下图所示。

计算过程中，初始阶段荷载线性增加，直至衬砌环达到极限状态。

如下图所示，在不同锈蚀程度下，盾构降道衬砌结构受荷作用时的收敛变形发展情况，其中横坐标荷载以加载过程中盾构隧道顶部荷载值为标准。

前期变形阶段衬砌环的收敛变形先线性缓由下图可知，螺栓锈蚀率分别为 0%、3%5%和10%时，衬砌环的整体变形发展规律基本一致。

当荷载水平较小时，4种锈蚀情况下的变形量几乎相同，均处于较低水平。

当荷载达到165kN时，10%锈蚀率的管片开始进人塑性变形阶段，其余3组在182kN时进大塑性段。

衬环的最终收敛变形量随锈蚀程度的加深不断增大，10%锈蚀率下的管片变形提升较为明显。

在相同荷载条件下提升最终破坏变形量提升约80%，3%和5%组相比于无锈蚀情况提升较小，约8%和15%。

与衬砌环总体的收敛变形发展规律类似，各个接缝的前期张开量几乎为零。

且受到锈蚀率的影响极小进入塑性变形阶段后各个接缝的张开量迅速增加，如图所示为进入塑性段后的各接缝张开量。

可以看出，4组管片的接锋张开均在195kN荷载水平下开始出现明显增加情况，拱腰邻接块与标准块之间外弧面接缝张开增长速率相对较慢，其最终张开量最大接近25mm。

拱底标准块之间的内弧面接缝张开量增长曲线最为陡峭，但最终张开量较小不超过10mm，拱顶接缝张开速率与量值介于二者之间。

锈蚀率增大对不同位置接缝张开量均起到了放大作用，但影响程度不一。

对于拱腰接缝，低锈蚀率时的变形曲线几乎与未锈蚀曲线重合，影响很小，高锈蚀率则影响显著,最终张开量提升了接近100%。

对于拱顶和拱底的接缝，随着锈蚀程度的分级增加,接缝张开量也有明显的分级增加。

纵缝接头螺栓应力荷载施加初期，接头螺栓应力线性缓慢增加，受力程度总体处于较低水平。

当衬砌环进入塑性变形阶段时，螺栓开始承受主要荷载，应力水平按照定的速率高速线性增加。

如图所示，最终变形破坏时，拱顶与拱底的螺栓均进入屈服阶段，应力水平基本保持不变，拱腰螺栓的应力水平在整个塑性变形过程中均保持增长。

对于拱顶和拱底的螺栓，锈蚀情况并不会影响其最终达到的屈服应力，但高锈蚀率会使得螺栓应力更早地进入平台期。

螺栓锈蚀率为10%的管片在荷载水平211kN时，就已经屈服未锈蚀组的螺栓应力则是在216kN时达到峰值。

此前，同荷载水平下10%锈蚀组的螺栓应力比未锈蚀组螺栓应力高出约 30%。

对于拱腰螺栓，随着锈蚀度的加深，同荷载水平下的螺栓应力也不断增大，增幅范围从0到 20%不等。

结论

在盾构隧道建设中，通过改善环向螺栓的锈蚀程度，可以有效提高盾构降道的承载性能，保障隧道的安全和可靠运行。

使用抗蚀性能优良的材料，如不锈钢或耐蚀合金，可以有效降低螺栓的锈蚀风险，选择材料时，需要考虑材料的耐蚀性、强度和可靠性等方面的因素。

采用涂层、防蚀剂或防腐蚀涂料等防护措施，可以形成一层保护膜，隔绝螺栓与环境的接触，减少锈蚀的发生，同时，定期进行防护层的检查和维护，确保其持久有效。

除此之外，正确的施工和维护也是必不可少的，在盾构隧道施工过程中，严格按照设计要求和操作规范进行施工，避免施工缺陷和损伤螺栓表面的情况发生。

在运营阶段，定期巡检和维护螺栓，清除腐蚀产物或排水，保持环境干燥清洁，也能有效延缓螺栓锈蚀的发生。

通过定期的螺栓锈蚀监测，及时发现锈蚀情况并采取相应的修复和保护措施，以减少安全隐患和承载能力的降低。

总的来说，通过选择合适的材料、加强防护措施、严格施工和维护以及加强监测和控制，可以有效改善环向螺栓的锈蚀程度，提高盾构降道的承载性能，确保隧道的安全稳定运行。

这将为盾构隧道工程的设计、施工和运营提供重要的参考和指导。