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地铁盾构管片预埋槽道防腐技术研究

靳世鹤
(兰州市轨道交通有限公司
1概述
    国内传统地铁盾构隧道内安装管线及固定设备采用打孔、化学锚栓与金属支架配合的方式,存在施工环境恶劣、安装时效低、对管片结构损伤大、维修保养困难等一系列问题。地铁盾构管片预埋槽道与盾构管片的分块设计相对应,采用分段设计,预埋槽道改善了隧道内施工环境,提高设备与管线安装效率,对隧道结构无损伤,延长结构物使用寿命,目前国内地铁盾构隧道开始大面积推广使用。国外预埋槽道技术的应用起始于20世纪30年代初,国际比较流行的有德国生产的哈芬槽道。目前已广泛应用于高铁隧道、桥梁、市政隧道与电力隧道、预装式地铁车站、建筑幕墙等领域,近些年我国高铁也已引进预埋槽道技术并成功应用于京沪、武广、郑西等高铁接触网工程上。国内地铁盾构管片预埋槽道于2013年在深圳开始试验使用,拉开了地铁盾构管片预埋槽道应用的序幕,2014年兰州地铁1号线一期工程全线采用盾构管片预埋槽道技术,国内众多城市轨道交通工程跃跃欲试。但是目前国内关于地铁盾构管片预埋槽道的国家技术标准还是空白,预埋槽道防腐设计笼统的要求满足100年的使用寿命,封闭层要求满足绝缘要求,但是缺少具体、统一的防腐、绝缘设计参数,在工程实际应用中出现多种防腐技术,如铝锌合金、镍锌合金、铁锌合金、不锈钢以及陶瓷防腐技术等,莫衷一是。从现有研究成果与工程实际应用情况来看,槽道的受力性能一般能够得到较好的保证,但耐久性,尤其是耐腐蚀性能却难以达到预期效果。主要原因是由于耐久性的现场检测相对难度大,这给产品质量留下了隐患。因此防腐检测的困难性,使得有些工程在运营阶段因为预埋槽道严重锈蚀失效导致设备管线脱落造成严重的事故,U形梁预埋槽道锈蚀实例见图1。预埋件防腐能力决定了其使用寿命的长短,直接影响工程运行的安全。因此,及时开展预埋槽道防腐技术的研究非常必要和迫切。
2槽道的设计参数
2.1槽道材质要求
    盾构管片预埋槽道及锚杆和相应配件的材质选用低碳高合金钢,其中碳元素含量≤0.08%,镍元素含量Ni≥0.40%,铬元素含量Cr≥0.35%,钼元素含量Mo≥0.30%,含碳量低,其韧性、机械性能、防腐性能均好,非常适合动载;镍钼铬多元合金增强了槽道的防腐能力,槽道材质也可采用综合性能优于此钢材的其他材质。预埋槽道中采用一定量的Mo元素,使其达到耐火性能要求。
2.2槽道截面尺寸
    国内目前地铁盾构管片设计的预埋槽道主要有38mm(高)×23mm(宽)、25mm×30mm、20mm×30mm三种型号。如图2所示。其中38mm×23mm型号的槽道预埋在2000mm宽盾构管片中,25mm×30mm型号的槽道预埋在1500mm宽盾构管片中,20mm×30mm型号的槽道预埋在1200mm宽盾构管片中。盾构管片预埋槽道一次热轧成型,表面防腐采用绝缘封闭层+多元合金共渗层,盾构管片预埋槽道轴向力、剪切力的工作荷载不小于10kN,设计荷载不小于14kN,槽道在拉力、轴力加载到30kN时槽道不发生任何屈服变形。预埋槽道槽口设计采用燕尾槽时,α值为75°,或者设计成平口槽时,α值为90°,这需要根据实际受力的不同来决定。预埋槽道可满足无预埋在混凝土时疲劳试验100万次,预埋混凝土时疲劳试验可达300万次,且满足疲劳频率1~3Hz,正弦波波形,荷载基准及幅值为(10±3)kN。

3预埋槽道的表面防腐技术
3.1绝缘封闭层
    盾构管片预埋槽道的绝缘层大多采用的是改性环氧树脂,改性环氧树脂因其优异的性能被应用于各个领域。但也有使用陶瓷等其他材料作为绝缘层的。
3.1.1强度
    盾构管片预埋槽道在管片制作时,在管片模具对混凝土的自振捣模式下,混凝土里面的碎石、砂以及粉煤灰的棱角对槽道的封闭层持续刮擦,使得绝缘封闭层局部被刮。因此,应该根据管片模具的自振捣功率以及混凝土骨料特性,通过试验来确定预埋槽道绝缘层的强度。
3.1.2韧性
    绝缘层应具有一定的韧性,在盾构管片预制的过程中,混凝土中的骨料在振捣作用下,或不断地碰撞、摩擦预埋槽道的绝缘层,若是绝缘层没有良好的韧性,容易开裂脱落。
3.1.3厚度
    改性环氧树脂的绝缘性除与其性能有直接关系外,还与其厚度也有很大关系,地铁盾构管片预埋槽道的绝缘层厚度除应满足抵抗盾构隧道内杂散电流的需要之外,还应满足封闭槽道的作用,根据工程应用要求其厚度不小于1mm。
3.1.4软化点
    在盾构管片蒸汽养护时,环境温度达到55℃,混凝土内部温度会接近100℃,加之混凝土的碱性环境,使得环氧树脂极易软化泪流,从而失效,因此改性环氧树脂的软化点应大于120℃。另外,若是预埋槽道采用铝锌合金作为防腐层,如果没有绝缘层软化泪流,起不到对防腐层的封闭作用,防腐层中的铝元素会与混凝土中碱性物质发生反应,使得防腐层遭到破坏。
3.1.5绝缘性
    地铁列车采用1500V直流电供电,预埋槽道的绝缘层要满足抵抗地铁隧道内杂散电流腐蚀的要求,隧道内有杂散电流,会对预埋槽道和管片钢筋电化腐蚀,根据法拉第电解定律,1A的电流通过钢管表面流向土壤溶液一年可溶解约10kg,由此可看出直流杂散电流干扰腐蚀的严重性。因此,盾构管片预埋槽道应具有良好的绝缘性。
3.1.6憎水性
    由于预埋槽道前断面裸露在地铁隧道内,地铁隧道内冰冷潮湿,盾构管片表面常见水渍,因此预埋槽道要有良好的憎水性。
3.1.7黏结力
    地铁盾构管片预埋槽道应与金属具有较好的黏结力,否则,在盾构管片预制的过程中,混凝土中的骨料在振捣作用下,不断地碰撞预埋槽道的绝缘层,若绝缘层没有良好的黏结力,容易与多元合金共渗层分离脱落。
3.1.8抗酸、碱性
    预埋槽道在管片制作时,因为混凝土具有一定的碱性,因此预埋槽道的绝缘层必须要有一定的抗碱性。同时地铁隧道要求二级防水要求,也就是隧道内会偶见局部地方渗水现象,由于不同地区地下水具有的酸碱程度不同,因此,预埋槽道的绝缘层应该具有一定的抗酸碱能力。
3.1.9阻燃性
    盾构隧道会不可避免地发生火灾,因此,预埋槽道的绝缘层要有阻燃性,防止绝缘层燃烧而被破坏。
3.2防腐层
    多元合金共渗是在真空渗锌的基础上发展起来的一种钢铁制件最新的防腐处理工艺,是渗锌工艺的发展和创新。多元合金渗层均匀,金相组织致密,渗层厚度可达到10~100μm,抗腐性能大大优于热镀锌、电镀锌和普通粉末渗锌,多元共渗没有氢脆现象,具有良好的耐热性能,因此多元共渗可满足对疲劳强度、耐磨性、韧性要求高的钢铁结构件和紧固件的防腐处理。经共渗处理的钢铁制件不改变基体的金相结构,也不影响其力学性能,其抗拉、屈服强度还有所提高。在国内预埋槽道目前常采用的多元合金共渗层的种类主要有铝与锌、镍与锌两种多元合金共渗种类。
3.2.1铝锌合金共渗
    铝元素在常温下会与碱、酸均能发生化学反应,锌元素在常温下不与碱发生化学反应,但是与酸会发生化学反应。铝在常温下会产生氧化膜,因此不会与水反应,在解决好预埋槽道的绝缘层性能后,选择铝与锌合金共渗层的防腐性能得以保证。
3.2.2镍锌合金共渗
    镍元素的化学性能与铁元素化学相似,镍在高温下不会与碱发生化学反应,但是镍会与酸发生化学反应。镍在潮湿空气中表面形成致密的氧化膜,不但能阻止继续被氧化,而且能耐碱、盐溶液的腐蚀,因此镍锌合金防腐性能很好,但是镍锌合金价格高于铝锌合金,铝锌合金的延展性和附着力优良,很适合动载环境下使用。
3.2.3铁锌合金共渗
    在常温下,铁元素在潮湿环境中容易生锈,无法起到防腐的作用。
3.2.4陶瓷防腐
    采用陶瓷防腐层耐高温,耐酸、耐碱以及耐盐腐蚀效果好,但是陶瓷防腐层的韧性和黏结性较差,在预埋槽道施工安装过程中难免会发生碰撞或在盾构隧道内列车运行的动荷载作用下容易脱落使其防腐失效。
3.2.5不锈钢
    采用不锈钢作为预埋槽道的主材,可耐酸、碱、盐类腐蚀,防腐性能最理想,但是不锈钢材料力学性能与普通低碳钢相比具有明显的差异,主要表现在其具有较低的比例极限、明显的应变硬化特性。因此目前国内不锈钢一次热轧成型无法完成。
4防腐层的试验检测
4.1绝缘层试验检测
    对绝缘层厚度可采用测厚仪或者电镜来测定;对于绝缘性可以采用槽道试件通电,欧姆表测定表面电流值。强度、软化点、黏结力和阻燃性测定可参考相应的国家技术标准,憎水性,耐酸、耐碱性可以在酸、碱溶液中浸泡来测定。
4.2合金共渗层绝缘检测
    地铁盾构管片预埋槽道多元合金共渗涂层厚度大于50μm。其厚度需要电镜检验并需按GB/T1732—93要求进行冲击试验,1.0kg重锤由500mm高度落下,涂层完好。合金中铝元素的含量根据合金共渗层的延展性、附着力等参数来确定,一般在2%~10%。采用中性盐雾试验来检测槽道多元合金共渗层的防腐能力。要求槽道满足中性盐雾试验(NSS)不低于2400h且无红绣产生。在中性盐雾试验中,24h等同于1年,2400h模拟试验等用于预埋槽道设计使用寿命100年。或者经300h铜加速醋酸盐雾试验(CASS)无红绣产生。
5结论与建议
    (1)在考虑隧道杂散电流的情况下,预埋槽道的绝缘层是其防腐的第一步,研究解决好绝缘层的耐久性是预埋槽道防腐技术的核心和关键。若是预埋槽道的绝缘层老化失效,盾构隧道内的电化腐蚀会使得部分槽道失去使用功能,无法满足100年的使用要求。因此,绝缘封闭层应检测绝缘性、强度、韧性、软化点、憎水性、抗酸碱、阻燃性、黏结力、厚度等9个指标来确定其性能。
    (2)在不考虑隧道杂散电流的情况下,采用镍锌合金共渗防腐层是可行的。因为镍元素在高温下不会与碱性物发生化学反应,镍锌合金广泛应用于轮船和飞机核心部件的防腐方面,镍锌合金也非常适合盾构管片预埋槽道的防腐要求,在盾构管片制作过程中,采用蒸汽养护时,镍元素也不会在近100℃的温度下与混凝土中的碱性物发生化学反应。
    (3)采用改性环氧树脂作为预埋槽道的绝缘层是目前普遍采用的一项技术,改性环氧树脂因其性能优越被广泛使用于多个领域,不管采用改性环氧树脂还是其他化学材料作为绝缘层,其技术性能除满足国家的技术标准之外,还应该根据工程的实际情况,通过试验来确定技术指标,这样才能更好地满足工程实际的需要。
    参考文献:中国知网
 
 
 
 

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