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                                      地鐵盾構管片預埋槽道防腐技術研究

                                      靳世鶴
                                      (蘭州市軌道交通有限公司
                                      1概述
                                          國內傳統地鐵盾構隧道內安裝管線及固定設備采用打孔、化學錨栓與金屬支架配合的方式,存在施工環境惡劣、安裝時效低、對管片結構損傷大、維修保養困難等一系列問題。地鐵盾構管片預埋槽道與盾構管片的分塊設計相對應,采用分段設計,預埋槽道改善了隧道內施工環境,提高設備與管線安裝效率,對隧道結構無損傷,延長結構物使用壽命,目前國內地鐵盾構隧道開始大面積推廣使用。國外預埋槽道技術的應用起始于20世紀30年代初,國際比較流行的有德國生產的哈芬槽道。目前已廣泛應用于高鐵隧道、橋梁、市政隧道與電力隧道、預裝式地鐵車站、建筑幕墻等領域,近些年我國高鐵也已引進預埋槽道技術并成功應用于京滬、武廣、鄭西等高鐵接觸網工程上。國內地鐵盾構管片預埋槽道于2013年在深圳開始試驗使用,拉開了地鐵盾構管片預埋槽道應用的序幕,2014年蘭州地鐵1號線一期工程全線采用盾構管片預埋槽道技術,國內眾多城市軌道交通工程躍躍欲試。但是目前國內關于地鐵盾構管片預埋槽道的國家技術標準還是空白,預埋槽道防腐設計籠統的要求滿足100年的使用壽命,封閉層要求滿足絕緣要求,但是缺少具體、統一的防腐、絕緣設計參數,在工程實際應用中出現多種防腐技術,如鋁鋅合金、鎳鋅合金、鐵鋅合金、不銹鋼以及陶瓷防腐技術等,莫衷一是。從現有研究成果與工程實際應用情況來看,槽道的受力性能一般能夠得到較好的保證,但耐久性,尤其是耐腐蝕性能卻難以達到預期效果。主要原因是由于耐久性的現場檢測相對難度大,這給產品質量留下了隱患。因此防腐檢測的困難性,使得有些工程在運營階段因為預埋槽道嚴重銹蝕失效導致設備管線脫落造成嚴重的事故,U形梁預埋槽道銹蝕實例見圖1。預埋件防腐能力決定了其使用壽命的長短,直接影響工程運行的安全。因此,及時開展預埋槽道防腐技術的研究非常必要和迫切。
                                      2槽道的設計參數
                                      2.1槽道材質要求
                                          盾構管片預埋槽道及錨桿和相應配件的材質選用低碳高合金鋼,其中碳元素含量≤0.08%,鎳元素含量Ni≥0.40%,鉻元素含量Cr≥0.35%,鉬元素含量Mo≥0.30%,含碳量低,其韌性、機械性能、防腐性能均好,非常適合動載;鎳鉬鉻多元合金增強了槽道的防腐能力,槽道材質也可采用綜合性能優于此鋼材的其他材質。預埋槽道中采用一定量的Mo元素,使其達到耐火性能要求。
                                      2.2槽道截面尺寸
                                          國內目前地鐵盾構管片設計的預埋槽道主要有38mm(高)×23mm(寬)、25mm×30mm、20mm×30mm三種型號。如圖2所示。其中38mm×23mm型號的槽道預埋在2000mm寬盾構管片中,25mm×30mm型號的槽道預埋在1500mm寬盾構管片中,20mm×30mm型號的槽道預埋在1200mm寬盾構管片中。盾構管片預埋槽道一次熱軋成型,表面防腐采用絕緣封閉層+多元合金共滲層,盾構管片預埋槽道軸向力、剪切力的工作荷載不小于10kN,設計荷載不小于14kN,槽道在拉力、軸力加載到30kN時槽道不發生任何屈服變形。預埋槽道槽口設計采用燕尾槽時,α值為75°,或者設計成平口槽時,α值為90°,這需要根據實際受力的不同來決定。預埋槽道可滿足無預埋在混凝土時疲勞試驗100萬次,預埋混凝土時疲勞試驗可達300萬次,且滿足疲勞頻率1~3Hz,正弦波波形,荷載基準及幅值為(10±3)kN。

                                      3預埋槽道的表面防腐技術
                                      3.1絕緣封閉層
                                          盾構管片預埋槽道的絕緣層大多采用的是改性環氧樹脂,改性環氧樹脂因其優異的性能被應用于各個領域。但也有使用陶瓷等其他材料作為絕緣層的。
                                      3.1.1強度
                                          盾構管片預埋槽道在管片制作時,在管片模具對混凝土的自振搗模式下,混凝土里面的碎石、砂以及粉煤灰的棱角對槽道的封閉層持續刮擦,使得絕緣封閉層局部被刮。因此,應該根據管片模具的自振搗功率以及混凝土骨料特性,通過試驗來確定預埋槽道絕緣層的強度。
                                      3.1.2韌性
                                          絕緣層應具有一定的韌性,在盾構管片預制的過程中,混凝土中的骨料在振搗作用下,或不斷地碰撞、摩擦預埋槽道的絕緣層,若是絕緣層沒有良好的韌性,容易開裂脫落。
                                      3.1.3厚度
                                          改性環氧樹脂的絕緣性除與其性能有直接關系外,還與其厚度也有很大關系,地鐵盾構管片預埋槽道的絕緣層厚度除應滿足抵抗盾構隧道內雜散電流的需要之外,還應滿足封閉槽道的作用,根據工程應用要求其厚度不小于1mm。
                                      3.1.4軟化點
                                          在盾構管片蒸汽養護時,環境溫度達到55℃,混凝土內部溫度會接近100℃,加之混凝土的堿性環境,使得環氧樹脂極易軟化淚流,從而失效,因此改性環氧樹脂的軟化點應大于120℃。另外,若是預埋槽道采用鋁鋅合金作為防腐層,如果沒有絕緣層軟化淚流,起不到對防腐層的封閉作用,防腐層中的鋁元素會與混凝土中堿性物質發生反應,使得防腐層遭到破壞。
                                      3.1.5絕緣性
                                          地鐵列車采用1500V直流電供電,預埋槽道的絕緣層要滿足抵抗地鐵隧道內雜散電流腐蝕的要求,隧道內有雜散電流,會對預埋槽道和管片鋼筋電化腐蝕,根據法拉第電解定律,1A的電流通過鋼管表面流向土壤溶液一年可溶解約10kg,由此可看出直流雜散電流干擾腐蝕的嚴重性。因此,盾構管片預埋槽道應具有良好的絕緣性。
                                      3.1.6憎水性
                                          由于預埋槽道前斷面裸露在地鐵隧道內,地鐵隧道內冰冷潮濕,盾構管片表面常見水漬,因此預埋槽道要有良好的憎水性。
                                      3.1.7黏結力
                                          地鐵盾構管片預埋槽道應與金屬具有較好的黏結力,否則,在盾構管片預制的過程中,混凝土中的骨料在振搗作用下,不斷地碰撞預埋槽道的絕緣層,若絕緣層沒有良好的黏結力,容易與多元合金共滲層分離脫落。
                                      3.1.8抗酸、堿性
                                          預埋槽道在管片制作時,因為混凝土具有一定的堿性,因此預埋槽道的絕緣層必須要有一定的抗堿性。同時地鐵隧道要求二級防水要求,也就是隧道內會偶見局部地方滲水現象,由于不同地區地下水具有的酸堿程度不同,因此,預埋槽道的絕緣層應該具有一定的抗酸堿能力。
                                      3.1.9阻燃性
                                          盾構隧道會不可避免地發生火災,因此,預埋槽道的絕緣層要有阻燃性,防止絕緣層燃燒而被破壞。
                                      3.2防腐層
                                          多元合金共滲是在真空滲鋅的基礎上發展起來的一種鋼鐵制件最新的防腐處理工藝,是滲鋅工藝的發展和創新。多元合金滲層均勻,金相組織致密,滲層厚度可達到10~100μm,抗腐性能大大優于熱鍍鋅、電鍍鋅和普通粉末滲鋅,多元共滲沒有氫脆現象,具有良好的耐熱性能,因此多元共滲可滿足對疲勞強度、耐磨性、韌性要求高的鋼鐵結構件和緊固件的防腐處理。經共滲處理的鋼鐵制件不改變基體的金相結構,也不影響其力學性能,其抗拉、屈服強度還有所提高。在國內預埋槽道目前常采用的多元合金共滲層的種類主要有鋁與鋅、鎳與鋅兩種多元合金共滲種類。
                                      3.2.1鋁鋅合金共滲
                                          鋁元素在常溫下會與堿、酸均能發生化學反應,鋅元素在常溫下不與堿發生化學反應,但是與酸會發生化學反應。鋁在常溫下會產生氧化膜,因此不會與水反應,在解決好預埋槽道的絕緣層性能后,選擇鋁與鋅合金共滲層的防腐性能得以保證。
                                      3.2.2鎳鋅合金共滲
                                          鎳元素的化學性能與鐵元素化學相似,鎳在高溫下不會與堿發生化學反應,但是鎳會與酸發生化學反應。鎳在潮濕空氣中表面形成致密的氧化膜,不但能阻止繼續被氧化,而且能耐堿、鹽溶液的腐蝕,因此鎳鋅合金防腐性能很好,但是鎳鋅合金價格高于鋁鋅合金,鋁鋅合金的延展性和附著力優良,很適合動載環境下使用。
                                      3.2.3鐵鋅合金共滲
                                          在常溫下,鐵元素在潮濕環境中容易生銹,無法起到防腐的作用。
                                      3.2.4陶瓷防腐
                                          采用陶瓷防腐層耐高溫,耐酸、耐堿以及耐鹽腐蝕效果好,但是陶瓷防腐層的韌性和黏結性較差,在預埋槽道施工安裝過程中難免會發生碰撞或在盾構隧道內列車運行的動荷載作用下容易脫落使其防腐失效。
                                      3.2.5不銹鋼
                                          采用不銹鋼作為預埋槽道的主材,可耐酸、堿、鹽類腐蝕,防腐性能最理想,但是不銹鋼材料力學性能與普通低碳鋼相比具有明顯的差異,主要表現在其具有較低的比例極限、明顯的應變硬化特性。因此目前國內不銹鋼一次熱軋成型無法完成。
                                      4防腐層的試驗檢測
                                      4.1絕緣層試驗檢測
                                          對絕緣層厚度可采用測厚儀或者電鏡來測定;對于絕緣性可以采用槽道試件通電,歐姆表測定表面電流值。強度、軟化點、黏結力和阻燃性測定可參考相應的國家技術標準,憎水性,耐酸、耐堿性可以在酸、堿溶液中浸泡來測定。
                                      4.2合金共滲層絕緣檢測
                                          地鐵盾構管片預埋槽道多元合金共滲涂層厚度大于50μm。其厚度需要電鏡檢驗并需按GB/T1732—93要求進行沖擊試驗,1.0kg重錘由500mm高度落下,涂層完好。合金中鋁元素的含量根據合金共滲層的延展性、附著力等參數來確定,一般在2%~10%。采用中性鹽霧試驗來檢測槽道多元合金共滲層的防腐能力。要求槽道滿足中性鹽霧試驗(NSS)不低于2400h且無紅繡產生。在中性鹽霧試驗中,24h等同于1年,2400h模擬試驗等用于預埋槽道設計使用壽命100年;蛘呓300h銅加速醋酸鹽霧試驗(CASS)無紅繡產生。
                                      5結論與建議
                                          (1)在考慮隧道雜散電流的情況下,預埋槽道的絕緣層是其防腐的第一步,研究解決好絕緣層的耐久性是預埋槽道防腐技術的核心和關鍵。若是預埋槽道的絕緣層老化失效,盾構隧道內的電化腐蝕會使得部分槽道失去使用功能,無法滿足100年的使用要求。因此,絕緣封閉層應檢測絕緣性、強度、韌性、軟化點、憎水性、抗酸堿、阻燃性、黏結力、厚度等9個指標來確定其性能。
                                          (2)在不考慮隧道雜散電流的情況下,采用鎳鋅合金共滲防腐層是可行的。因為鎳元素在高溫下不會與堿性物發生化學反應,鎳鋅合金廣泛應用于輪船和飛機核心部件的防腐方面,鎳鋅合金也非常適合盾構管片預埋槽道的防腐要求,在盾構管片制作過程中,采用蒸汽養護時,鎳元素也不會在近100℃的溫度下與混凝土中的堿性物發生化學反應。
                                          (3)采用改性環氧樹脂作為預埋槽道的絕緣層是目前普遍采用的一項技術,改性環氧樹脂因其性能優越被廣泛使用于多個領域,不管采用改性環氧樹脂還是其他化學材料作為絕緣層,其技術性能除滿足國家的技術標準之外,還應該根據工程的實際情況,通過試驗來確定技術指標,這樣才能更好地滿足工程實際的需要。
                                          參考文獻:中國知網
                                       
                                       
                                       
                                       

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