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开题报告

XXXXXXXXX大学

攻读硕士学位研究生

课题论证报告

姓名

学号

专业

研究方向

指导教师

2010年01月11日

共10页第1页

课题名称：

盾构隧道混凝土管片的耐久性退化规律及其数值模拟

选题依据（包括课题的来源、研究目的、必要性和重要性、意义以及国内外研究的技术现状分析）

一、课题的来源

本课题来源江苏省“六大人才高峰”项目B类资助。

二、研究必要性和重要性、意义

我国有为数不少的城市跨江、跨河而治，连接江（河）两岸的大桥在国民经济建设中发挥了重大作用。

与跨江（河）大桥相比，建设水下隧道具有征地少、拆迁容易、对地面影响小、不影响水面航道的通航能力、不受恶劣气候变化影响、工程隐蔽性好、具有很强的抵抗战争破坏的能力等优势，已经受到了各城市的高度重视。

早在1995年，中国国际工程咨询公司交通项目部专家就提出：

应根据地理、地形、气象及环境特点，本着“宜桥则桥，宜隧则隧”的原则，尽可能建设水底隧道。

放眼全球，一些国家为了满足海轮进内河和战备的需要，在法律上规定不允许兴建桥梁、只能建设隧道。

欧美发达国家和日本均以桥隧并举的方式跨越江河、湖泊和海峡。

美国为解决纽约的曼哈顿岛到新泽西州跨越哈德逊河的交通，先后建桥10余座，水下隧道41座，隧道数量远远超过桥梁。

在我国，上海的跨江隧道改变了整个城市的格局，武汉跨江隧道即将落成，南京第一条跨江隧道已经动工建设，杭州钱江隧道即将开工，广州、南昌等城市也将跨江隧道的建设列入了日程。

可以预见，在今后一段时期内我国将会兴建更多的公路和地铁跨江（河）隧道。

我省地处长江流域，连接长江两岸的跨江大桥在国民经济建设中发挥了重大作用。

与跨江大桥相比，建设跨江隧道已经受到了江苏省和南京市政府的高度重视，在南京第一条跨江隧道动工兴建之际，最近召开的南京市党代会正式确立了南京市“跨江发展”的战略决策，今后一段时期内我省将要兴建更多的公路和地铁跨江隧道。

因此，本项目成果应用前景广阔。

众所周知，盾构法是当前重要的的隧道施工方法，其重要结构构件就是钢筋混凝土管片。

与大气环境中的混凝土结构相比，影响盾构隧道混凝土管片结构耐久性的破坏因素可能来自：

（1）隧道内部空气环境——由于车流量大，隧道内空气环境的CO2浓度较高，混凝土发生的碳化作用及其引起的钢筋锈蚀；

（2）隧道外部土壤环境——江（河）底土层地下水可能含有一定的硫酸盐、氯盐等离子，对混凝土产生的化学侵蚀作用；（3）地铁杂散电流腐蚀——对于地铁隧道还存在比较严重的杂散电流对钢筋的电化学腐蚀作用。

可见，水下盾构隧道混凝土管片结构是在大气碳化、地下水腐蚀或杂散电流腐蚀共同作用下工作的，其服役条件非常恶劣，耐久性问题复杂而严重，应该专门开展研究。

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水下盾构隧道混凝土管片结构的耐久性和寿命问题是当前我国科学和工程领域急需解决的重大课题。

运用钢筋混凝土结构理论、混凝土碳化理论和氯离子扩散理论硫酸盐腐蚀理论，结合钢筋混凝土结构的性能退化模型、结构可靠度理论、有限元分析等工具，提出水下盾构隧道混凝土管片结构的承载能力与耐久性退化模型，为今后继续研究盾构混凝土管片结构的寿命设计理论，建立水下隧道工程的耐久性评估方法与质量保证体系，建设长期监控系统，跟踪工程运行过程中结构承载能力、钢筋锈蚀程度和耐久性动态演化规律，确保工程的百年耐久性设计，提供重要的前期技术支撑。

本课题成果对于国家重大基础设施建设和国民经济发展均具有重要的意义。

三、国内外研究现状及分析

进入21世纪，混凝土依然是工程建设中最主要的结构材料，混凝土结构的耐久性和服役寿命是国际国内工程界关注的重大科技问题。

当前，由于混凝土耐久性不足导致结构工程服役寿命达不到设计要求，全世界每年因此造成的社会经济损失十分巨大。

我国多数工业建筑在正常使用环境中不能安全使用50年，海洋混凝土工程服役寿命普遍不足20年。

就隧道工程而言，上海市上世纪70年代初建成的打浦路越江隧道是国内第一条盾构隧道，在运营不到20年时间就出现了钢筋保护层剥落现象；70年代建成的香港地铁部分区间隧道，在90年代发现混凝土管片的内排钢筋严重锈蚀，导致混凝土保护层剥落，不得不花费几年的时间进行修补；北京地铁一期工程投入运营数年后就发生主体结构的钢筋严重锈蚀。

在国际上，日本、美国、法国、意大利、英国、加拿大和俄罗斯等国家的地铁隧道同样发生了杂散电流引起的钢筋锈蚀问题。

因此，如何保证盾构隧道混凝土管片结构的“百年大计”，是摆在土木工程专家学者面前的一项艰巨任务。

几十年来，国内外对于混凝土结构的耐久性研究都非常重视，针对各种单一破坏因素条件下的耐久性进行了大量的研究，取得了许多成果。

例如，对于隧道混凝土，通常进行的单因素耐久性研究包括：

地铁杂散电流、硫酸盐侵蚀、氯离子扩散、碳化等。

但是，这些单因素研究成果不能准确反映盾构隧道工程中各种破坏因素的耦合作用。

在工程服役条件下，混凝土结构是在多因素、至少是双因素耦合作用下工作的，混凝土材料与结构的耐久性退化过程并非单一破坏因素的作用，而是不同破坏因素引起综合损伤或劣化的结果。

因此，目前国内外取得的许多单一因素作用下的耐久性成果，往往只具有实验室意义或相对比较作用，并不能真正反映出实际混凝土结构工程服役过程中的耐久性演化规律。

上世纪90年代以后，恶劣环境条件下混凝土结构的耐久性研究受到了广泛关注，近十年以来在不同国家和地区连续召开了多次国际会议，其中1998年在挪威专门召开了“第二届恶劣环境条件下的混凝土国际会议”，2001年在加拿大召开了“第三届在恶劣环境与荷载下混凝土国际会议”、

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在荷兰召开了“工程安全度、风险和可靠度国际会议”，有关混凝土结构耐久性方面的技术问题已经成为国际学术界的研究热点。

我国在2001～2006年由中国工程院等单位组织连续召开了5届“工程科技论坛”，重点研讨混凝土结构工程的耐久性和以服役寿命为目标的耐久性设计问题。

从国内外的会议报道看，混凝土结构的耐久性问题越来越受到重视，国际上许多重大工程开始按照服役寿命进行设计，设计寿命一般在100～250年。

我省的南京地铁隧道、南京跨江隧道等混凝土结构的耐久性均要求在100年以上。

但是，如何进行混凝土结构的百年耐久性设计，以及动态掌握重大混凝土结构工程在长期服役条件下其耐久性的退化规律，既是重大工程设计的关键问题，也是国内外至今没有完全解决的重大科技难题。

关于混凝土材料与结构在多因素耦合作用下的耐久性与承载能力变化规律，前苏联学者曾提出了腐蚀和冻融的两种因素耦合作用下的实验方法，取得了有益的结果。

1999年东南大学孙伟院士等对混凝土材料在3.5%NaCl溶液腐蚀、5%Na2SO4溶液腐蚀和冻融等多因素耦合作用下的耐久性问题进行了开创性的研究。

不过，以上研究工作往往是将混凝土材料与混凝土结构分开进行的，更多的是着眼于混凝土材料小试件的耐久性。

关于混凝土结构的氯离子扩散对钢筋锈蚀的影响规律，国内外基本上是采用简单的Fick第二扩散定律。

不过，Fick定律的应用要求下列具备4个条件：

（1）混凝土必须是均质的，

（2）混凝土的氯离子扩散系数必须恒定，（3）氯离子不与混凝土发生反应，（4）边界条件（即混凝土表面的氯离子浓度）是固定的。

显然，实际混凝土材料与结构并不满足上述条件，其氯离子扩散过程难以用理想化模型描述。

首先，混凝土属于非均质材料，它在形成和使用过程中存在结构微缺陷或损伤；其次，氯离子扩散系数是随龄期而减小的，同时结构微缺陷对氯离子扩散有加速作用；第三，氯离子与混凝土发生了化学结合、化学吸附和物理吸附；第四，混凝土表面的氯离子浓度是随着时间的推移而逐渐增加的，最终与环境介质的浓度达到平衡状态。

因此，应用Fick第二扩散定律研究混凝土结构的氯离子扩散问题并不可靠，必须对该定律进行修正。

根据清华大学陈肇元院士介绍：

欧洲“DuraCrete”项目出版的《混凝土结构耐久性设计指南》中，成功解决了Fick第二扩散定律在混凝土中应用的第1个和第2个问题，但是对后两个问题仍然没有解决。

从2000年开始，余红发老师所在的课题组针对氯离子扩散理论进行了大量的研究，同时解决了Fick第二扩散定律应用中的4个问题，推导出综合考虑混凝土的氯离子结合能力、氯离子扩散系数的时间依赖性和混凝土结构微缺陷影响的新扩散方程，建立了修正的混凝土氯离子扩散理论模型，已经成功地运用于氯盐环境混凝土结构的耐久性设计。

关于混凝土氯离子扩散与杂散电流之间的相互影响规律，国内外至今没有开展系统的研究工

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作。

这可能是一般隧道周围环境的腐蚀离子浓度比较低，所以不被人们所重视。

例如：

南京地铁工程钢筋混凝土管片外围的环境水和土壤中仅含有轻微的Cl-离子和SO42-离子，其浓度分别为160ppm和142ppm，在单独作用下的确不足以导致钢筋锈蚀破坏。

但是，已有初步研究证实，即使是很少量的腐蚀性离子如Cl-离子，也会大大加速杂散电流对钢筋的腐蚀作用，因为这些离子提高了混凝土的导电能力。

因此，研究杂散电流与腐蚀性离子的耦合作用是非常重要的。

关于混凝土在杂散电流、硫酸盐腐蚀、氯离子扩散和碳化共同作用下的耐久性研究工作，武汉理工大学正在开展少量的探索性实验，但尚未见研究成果报道。

关于从结构层次研究混凝土构件的承载能力与环境之间的相互作用方面，国内外开展的研究工作很少，国内仅大连理工大学的贡金鑫等研究了钢筋混凝土梁在人工海水作用下的钢筋锈蚀问题，但是没有涉及到承载能力的退化规律。

因此，水下盾构隧道混凝土管片结构的耐久性研究，将是今后我国混凝土结构的一个重要研究方向。

西方发达国家基本建设方面的经验教训表明，重大工程一旦出现耐久性失效问题，不仅使工程的寿命缩短，其维修费用甚至高达建设投资的5倍以上，使国家财力不堪负担。

我国在建设水下隧道工程时，更要吸取西方发达国家重大工程“先建后修”的惨重教训，采取万无一失的重重对策，避免重蹈覆辙。

这不仅是一项关系到工程耐久性和服役寿命的重大科学技术问题，而且是一项关系到国民经济能否健康、可持续发展的重大社会问题。

鉴于西方发达国家的大规模基本建设已经过去，这个重要科技难题只能由我们自己来解决。

在研究过程中，我们要借鉴国际上先进的“耐久性设计与再设计”理念，指导我们的科研工作，使我们的研究不仅要解决我国水下隧道急需解决的重要科学技术问题，而且还要提高我国混凝土结构的研究和应用水平，使我国的盾构隧道施工技术有所突破、有所创新，处于领先地位。

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课题研究方案

（包括具体的研究目标、研究内容和拟解决的关键问题；拟采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析）

一、研究目标

本研究从理论分析入手，在已有的混凝土材料单一因素作用下耐久性退化的数值模型基础上，提出多重耐久性因素耦合下盾构隧道混凝土管片的承载能力与耐久性退化模型。

二、研究内容：

（1）盾构隧道混凝土管片结构的受力特点

利用有限元软件分析管片衬砌的应力、应变、轴力、剪力及弯矩；

（2）盾构隧道混凝土管片在硫酸盐腐蚀与氯离子扩散、碳化和杂散电流等多重因素耦合作用下的耐久性演化规律

综合文献分析研究混凝土的碳化深度、氯离子浓度分布、硫酸盐腐蚀损伤层厚度、钢筋锈蚀程度、界面粘结破坏与保护层顺筋开裂规律；分析碳化、氯盐腐蚀与杂散电流之间的交互作用和劣化机理，提出混凝土管片结构的失效准则；

（3）盾构隧道混凝土管片的承载能力与耐久性退化模型

分析混凝土管片的结构性能退化规律，提出在水下隧道工程服役环境下混凝土管片结构的承载能力与耐久性退化模型。

三、拟解决的关键问题：

（1）ANSYS软件分析管片衬砌的应力、应变、轴力、剪力及弯矩；

（2）依据现有的耐久性系统知识和课题组积累的前期大量实验数据，确定各种耐久性因素之间相互作用的影响参数；

（3）盾构隧道混凝土管片的承载能力与耐久性退化模型的建立和数值模拟。

四、研究方案

借助相关学科成果，运用钢筋混凝土结构理论、可靠度理论、有限元分析等理论和分析工具，考虑水下隧道工程的实际环境和气候条件，在大量科学研究系统理论知识和实验数据积累的基础上，结合碳化理论、氯离子扩散理论和电化学原理，构筑水下盾构隧道混凝土管片的承载能力和耐久性退化规律的数学模型，建立相应的计算方法，把理论成果系统化、模型化、智能化。

其具体做法是——用钢筋混凝土结构理论和有限元方法分析钢筋锈蚀过程中混凝土管片结构性能的逐渐退化规律，并以相关文献成果和耐久性实测数据为基础，结合与时间相关的碳化理论、氯离子扩散理

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论和电化学理论，引进时间参数，提出在水下隧道工程服役环境下混凝土管片结构的承载能力与耐久性退化模型。

五、技术路线

在考虑水下盾构隧道混凝土管片的耐久性破坏因素时，水下隧道存在碳化作用、可能存在硫酸盐腐蚀与氯盐腐蚀，其中以碳化作用为主；对于地铁隧道，则还存在杂散电流的影响，其破坏作用以碳化和杂散电流为主，但极有可能存在氯盐与杂散电流的交互作用，因为即使是少量的氯盐也能够明显加快杂散电流对钢筋的电化学腐蚀破坏。

因此，本项目的基本思路是：

将混凝土结构内部锈蚀钢筋的强度衰减模型、与混凝土腐蚀的强度劣化模型，应用到钢筋混凝土结构承载能力的计算中，最终得到混凝土管片结构的承载能力退化规律。

根据现有的单一因素和多重因素作用下的混凝土耐久性和钢筋锈蚀的系统理论研究成果，建立的混凝土管片结构承载能力的退化模型由水平段和下降段组成，其中，水平段的时间长度由碳化、氯离子扩散或者杂散电流以及这些耐久性因素的交互作用引起钢筋开始锈蚀的时刻、以及硫酸盐腐蚀导致混凝土强度开始下降的时刻来确定；而下降段的时间长度则由不同耐久性因素及其交互作用引起钢筋发生锈蚀过程中钢筋强度的降低速率、硫酸盐腐蚀导致混凝土发生强度的降低速率来确定，下降段的曲线形状由锈蚀钢筋屈服强度、抗拉强度以及腐蚀混凝土的抗压强度的衰减理论方程或经验公式决定。

详见下图：

六、可行性分析

1.该课题由江苏省“六大人才高峰”项目B类资助，经费充足；

2.指导老师在承担国家自然科学基金重点项目和面上项目、国家973项目、国家863项目和江苏省自然科学基金前期预研项目等研究中，系统进行了混凝土材料和结构耐久性的基础性研究，对混凝土材料在单一因素和多重因素耦合作用下的损伤劣化规律、氯离子扩散理论、碳化规律等方面取得了大量的理论研究成果和实际应用模型，并积累了大量的实验数据，为本课题合理地确定模型参数提供了前期基础。

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研究基础

（包括与本项目有关的研究工作积累和已取得的研究工作成绩；课题研究现有的基础和已具备的实验条件，可能遇到的困难或问题和拟解决的途径和措施等）

一、现有基础：

（1）已经收集并阅读了大量的有关钢筋混凝土结构耐久性和杂散电流对钢筋混凝土结构耐久性的影响的文献；

（2）已完成盾构隧道衬砌管片有限元模型的建立。

二、困难及拟解决的途径：

困难：

混凝土在多重因素耦合作用下各因素之间的互相影响参数如何确定。

解决的途径：

查阅文献，收集相关实验数据，依据现有的混凝土耐久性和钢筋锈蚀的系统基础理论知识，通过对数据的回归、综合分析研究，得到各相关参数。

研究计划和进度

2010.3~2010.10，查阅文献、收集资料，分析研究对象，论证课题的可行性；

2010.11~2010.01，完成管片衬砌上各种作用力的分析，利用有限元软件分析管片衬砌的应力、应变、轴力、剪力及弯矩；

2010.2~2010.3，研究分析混凝土结构各种破坏机理和现有的耐久性退化的数字模型；

2010.4~2010.9，研究分析盾构隧道混凝土管片耐久性退化规律及其数值模拟，提交论文发表；

2010.10~2010.12，撰写毕业论文，提交答辩。

预期研究成果

研究成果：

本研究盾构隧道混凝土管片的耐久性退化规律及其数值模拟问题，得到混凝土管片结构的承载能力退化规律。

该研究成果有可能应用于我省跨江隧道工程的耐久性设计与寿命评估；

研究成果将以论文的形式发表，预期发表核心期刊论文1~2篇。

研究经费预算与来源（含支持本课题的项目编号）

该课题经费来源于江苏省“六大人才高峰”B类项目资助。

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参考文献（应有20篇以上）

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共10页第10页

开题报告专家组考核意见

（包括专家组提出的意见和建议，总体考核结论：

通过、修改后通过或不通过）

专家组成员（签字）年月日

导师意见

导师（签字）：

年月日

系意见

负责人（签字）：

年月日

学院

意见

负责人（签字）：

年月日

备

注