型钢钢架锈蚀下隧道初期支护力学劣化性能

Mechanical Deterioration Performance of Tunnel Primary Support under Corrosion of Section Steel Frame

摘要

为探究腐蚀性地层中Cl^-，SO₄^2-等离子长期侵蚀致隧道初期支护型钢钢架锈蚀后，诱发初期支护承载能力衰减的机制，基于某钻爆法隧道初期支护受力特征状态，制作型钢钢架混凝土偏心构件12个，考察不同锈蚀率、不同加载偏心距对承载能力的影响，以及型钢钢架初期支护满足平截面假定的临界锈蚀率，明确不同因素作用下型钢钢架锈蚀对初期支护承载力衰减的影响程度。结果表明：型钢钢架锈蚀率为0%~9%时，锈蚀初期支护的破坏模式特征主要由偏心距决定，锈蚀率仅在一定程度上削弱构件承载力，而不改变破坏模式；偏心距一定、目标锈蚀率由0%增至9%时，初期支护荷载特征值均逐渐近似线性减小，幅度在23.9%~34.0%；锈蚀率一定时，随着偏心距增大，构件荷载特征值均减小；小偏心构件在工字钢锈蚀率不大于3%时，横截面符合平截面假定；假定前提下，锈蚀致型钢钢架自身的几何及力学参数对初期支护承载力衰减的贡献率达32.69%~37.75%，锈胀致混凝土力学参数衰减的贡献率在18.36%~20.8%，黏结滑移退化的贡献率在43.09%~46.58%。

Abstract

To investigate the degradation mechanism of the load-bearing capacity of tunnel primary support structures, which arises from the corrosion of section steel frames within the primary support system due to prolonged exposure to aggressive ions such as Cl^- and SO₄²^- in corrosive strata, 12 eccentric concrete specimens of section steel frame were fabricated based on the stress characteristic states encountered in the primary support of a tunnel constructed via a drill-and-blast method. The impact of varying corrosion rates and different loading eccentricities on the load-bearing capacity of these specimens, and the critical corrosion rate of section steel frames at primary support system adhering to the plane-section hypothesis were examined. Finally, the influence degree of section steel frames corrosion on the deterioration of the load-bearing capacity of the primary support under the influence of various factors was determined. The results indicate that when the corrosion rate of section steel frames ranges from 0% to 9%, the failure mode characteristics of the corroded primary support are predominantly determined by the eccentricity, while the corrosion rate only weakens the load-bearing capacity of the specimens to a certain extent without altering the failure mode. When the eccentricity remains constant and the target corrosion rate increases from 0% to 9%, the characteristic values of the primary support load gradually decrease in an approximately linear manner, with a reduction range of 23.9%-34.0%. For a given corrosion rate, as the eccentricity increases, the characteristic values of the specimen load all decrease. When the corrosion rate of I-steel does not exceed 3%, the cross-section of specimens with small eccentricities conforms to the plane-section assumption. Under this assumption, the contribution rates of the geometric and mechanical parameters of the corroded section steel frames themselves to the degradation of the load-bearing capacity of the primary support range from 32.69% to 37.75%, the contribution rates of the mechanical parameter degradation of the concrete due to corrosion-induced expansion range from 18.36% to 20.8%, and the contribution rates of bond-slip deterioration range from 43.09% to 46.58%.

Graphical abstract

关键词

隧道结构安全 / 初期支护 / 型钢钢架锈蚀 / 锈蚀劣化试验 / 力学演变 / 劣化机制

Key words

Tunnel structural safety / Primary support / Section steel frame corrosion / Corrosion deterioration test / Mechanical evolution / Deterioration mechanism

随着我国交通事业的快速发展，隧道数量急剧增长，目前我国已成为世界上隧道数量最多、长度最长的国家。截至2023年底，我国已建成公路隧道27 297座，总长度约30 231.8 km^［1］；截至2024年底，投入运营的铁路隧道18 997座，总长度约24 246 km^［2］。作为1种修建在地下的结构物，隧道的建设规模越大，所面临的围岩条件和运营环境就可能越复杂，随着运营时间推移而出现各种劣化特征的风险也会越高，如衬砌开裂、衬砌掉块、衬砌渗漏水、隧底隆起和翻浆冒泥等均有可能威及运营安全^［3-5］。探究隧道支护体系劣化原因，主要来自两个方面。一方面，隧道的赋存环境导致围岩因其自身地质条件、地下水条件或施工因素影响等发生劣化^［6-7］；另一方面，隧道支护结构材料如混凝土和钢材等，也会随着时间的推移出现不同程度的劣化^［8］。

部分隧道周边地层中Cl^-，SO₄^2-等离子含量丰富，加之隧道水压对这些离子的扩散具有促进作用^［9-10］，导致支护结构体系中钢材容易受离子侵蚀发生脱钝而锈蚀，引发钢材的力学参数弱化及黏结强度退化等问题，最终影响隧道支护结构体系的承载力和安全性。如对于基于新奥法设计的隧道，考虑到围岩条件较差区段在初期支护时需要承受较大荷载，通常会设置型钢钢架进行支护^［11-12］。但型钢钢架发生锈蚀后，不仅会产生锈胀力，而且还会破坏型钢钢架与混凝土之间的黏结作用，导致型钢钢架与喷射混凝土之间出现滑移，型钢钢架与混凝土不再联合作用，从而极大地降低初期支护承载能力。型钢钢架锈蚀后的初期支护承载力衰减规律及劣化机制因此成为运营隧道长期安全性评价的关键之一。

许多学者开展了关于隧道结构受侵蚀后的材料劣化机理、承载力演化规律及安全性评估方面的研究。微观方面，何文正^［13］采用扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射仪（XRD）观察了腐蚀作用下混凝土试件内部微观形貌演化和主要腐蚀产物的生长特性，揭示了硫酸盐对衬砌混凝土材料产生化学损伤的微观机理；张瑾等^［14］将SEM和能量色散X射线能谱仪（EDS）相结合，分析了氯盐腐蚀作用下锚杆的微观形貌及物质微区成分，获得了锚杆在地下工程中易断裂失效的原因。宏观试验方面，刘四进等^［15-16］从环境、材料、构件、结构四个层面全面系统地研究了侵蚀环境下盾构隧道结构性能退化演化机理；张志强等^［17］通过单轴拉拔和弯曲试验，得出不同锈蚀率下钢筋混凝土试件的黏结强度和开裂荷载退化规律；Zhang等^［18］通过试验研究，建立了隧道衬砌在锈蚀条件下的钢筋混凝土强度的评价方法；Zhang等^［19］通过钢筋混凝土受弯构件的弯曲试验，得到了受锈蚀下钢筋混凝土受弯构件的裂纹扩展行为和结构承载力；Feng等^［20］通过一系列小型管片的围堰式电化学加速锈蚀试验，研究了不同压弯荷载作用下管片钢筋的锈蚀情况以及不同承载和锈蚀条件下微型管片内力和刚度的变化，以考察压弯荷载与周围离子侵蚀环境对水下盾构隧道的联合作用；仇文革等^［21］和冯冀蒙等^［22］通过相似试验探讨了初期支护中锚杆、喷射混凝土、钢架劣化对二次衬砌内力、位移等影响规律。数值模拟方面，王明年等^［23］和张艺腾等^［24-25］为探明初期支护中型钢钢架锈蚀对隧道支护体系承载力的影响，考虑锈蚀条件下型钢钢架与混凝土之间黏结滑移退化本构关系，并在ANSYS模型中分析型钢钢架锈蚀状态下隧道支护体系力学演变规律及安全性；Xu等^［26］提出了初期支护锈蚀与围岩蠕变共同作用下隧道二次衬砌损伤演化的数值研究方法。目前对隧道结构锈蚀劣化的研究主要集中于隧道二次衬砌或管片中的钢筋因锈蚀导致结构锈蚀劣化的机理及受力性态衰退演变规律，而鲜见考虑初期支护中型钢钢架锈蚀导致隧道支护结构体系力学性能衰退的相关研究。

为了从宏观角度体现锈蚀及其发展过程对于型钢钢架承载力的影响，根据某钻爆法隧道工程现场的初期支护受力特征状态，考虑型钢钢架锈蚀率及加载偏心距，制作12个型钢钢架混凝土偏心构件，先对其进行加速电解锈蚀试验得到不同锈蚀率，然后进行偏心加载，考察锈蚀初期支护破坏形态、承载力等随锈蚀率、偏心距变化的规律，并获得型钢钢架初期支护满足平截面假定的临界锈蚀率；采用数值模拟方法，揭示型钢钢架锈蚀致几何参数与力学参数衰减、锈胀致混凝土力学参数衰减、锈蚀致型钢钢架与混凝土黏结滑移退化3种因素对初期支护承载力衰减的贡献。

1 初期支护型钢钢架锈蚀劣化试验

某钻爆法隧道初期支护型钢钢架采用I22b工字钢，混凝土采用厚32 cm的C25喷射混凝土，由于长期受Cl^-，SO₄^2-等离子侵蚀作用，该隧道初期支护中的型钢钢架发生锈蚀。为获得型钢钢架锈蚀后初期支护的力学性能，设计并开展劣化试验，试验主要包括试件设计及制作、电加速锈蚀、荷载加载和应变测点布置及实际锈蚀率测试4部分。

1.1　试件设计及制作

初期支护结构在实际中是环形，但可通过“以直代曲”的思路^{［15，27］}模拟初期支护受力特征，核心在于通过力学等效将曲梁的复杂空间问题转化为直梁的平面问题，在保证内力与变形等效的前提下，用简单模型替代复杂模型。“以直代曲”等效如图1所示。图中：M为弯矩；N为轴力。当作用在曲梁和直梁上的荷载相同，且沿梁轴线各截面的弯矩、轴力完全一致时，2种不同形状的构件可以实现相互等效。

试验时，选取等截面的直梁代替初期支护曲梁构件；考虑到初期支护为偏心构件，将直梁下方配上“牛腿”，以实现偏心加载，如图2所示。图中：e₀为偏心距，即荷载合力作用点与构件截面形心之间的垂直距离；F为集中力，即作用于构件上某一点的外部荷载。

依托该工程中初期支护的尺寸确定试验偏心构件尺寸，如图3所示。图中红色正方形为偏心构件柱子部分横截面，宽和高均为32 cm。

锈蚀率是决定结构黏结性能的核心主导因素、偏心距是影响结构破坏模式的关键主导因素。为充分考虑不同锈蚀率、不同偏心距对偏心构件承载力的影响，共制作不同参数型钢混凝土偏心构件12个，各偏心构件试验参数取值见表1。

偏心构件制作流程主要包括工字钢截断、牛腿焊接、工字钢应变片粘贴和防水处理、模具制作、工字钢入模及导线接入、混凝土浇筑、构件脱模、养护成形、构件刷白和刻线等，最终成型后的构件如图4所示。

1.2　电加速锈蚀

1）加速电解试验装置

以法拉第定律^［28-29］为试验依据，采用电解液快速锈蚀法加速钢材锈蚀。试验时，使用由直流电源、导线和加速电解锈蚀池（5%NaCl溶液、不锈钢、钢管架、篷布和木质垫块）组成的电解试验装置，如图5所示。

2）试验步骤

①在电解槽里面配置5%浓度的NaCl溶液，将构件置入浸泡7 d以上（牛腿部分用于加载，无须在溶液中浸泡），使盐水慢慢渗入构件内部，与内部的工字钢接触；②按照文献［25］连接电解线路，开通电源，调整电流，控制电流为1 A；③保持电流不变，按目标通电时间对各构件分别通电，目标锈蚀质量和通电时间见表2。

1.3　荷载加载

试验采用静力加载，使用的自制反力架装置如图6所示，该反力架内部尺寸为2.5 m×1.5 m（长×宽）。加载动力为2个液压伺服千斤顶，单个公称张拉力为2 002 kN；端部采用合理制作的球铰钢支座，实现端部铰接约束；自身的约束来自钢绞线与锚锭；两侧牛腿与地表间放置直径8 mm的细钢筋各1根，减小与地面间的摩擦作用。

1.4　应变测点布置及实际锈蚀率测试

在工字钢、混凝土表面布置应变片，以便试验中测试并获得工字钢、混凝土的应变；同时对工字钢实际锈蚀率进行测试。

1）工字钢应变测点布置

工字钢两侧腹板和翼缘均粘贴应变片，测点布置如图7所示。工字钢应变片编号如图8所示。图中：A和C表示工字钢翼缘侧的2个对立面；B和D表示工字钢腹板侧的2个对立面；A1—A3和C1—C3分别为布设在工字钢翼缘侧的应变片位置，间隔2.5 cm；B1—B5为布设在工字钢腹板处的应变片位置，间隔3.5 cm。

2）混凝土表面应变测点布置

将偏心构件展开得到平面图的3个面分别编号为①—③，在偏心构件跨中位置共设置混凝土表面应变测试点13个，混凝土表面应变测试点位置如图9所示。其中，②号面和③号面对称设置个5个测试点；①号面（受拉面）设置3个测试点。

3）工字钢实际锈蚀率测试

按照文献［25］工字钢实际锈蚀率获得方法及过程，得到偏心构件工字钢的实际锈蚀率见表3，可以看出实际锈蚀率与目标锈蚀率吻合良好。

2 型钢钢架锈蚀条件下初期支护力学演变规律

考虑到隧道型钢钢架在复杂服役环境与长期荷载交互作用下发生劣化，其初期支护力学性能呈现破坏模式重构、承载力动态衰减及平截面假定适应性偏离的渐进式演变特征，分别分析各阶段的具体演变规律。

2.1　锈蚀型钢钢架初期支护破坏模式

分析结构破坏过程发现，不同偏心距会显著改变结构内部应力分布及传递路径，进而影响破坏模式。为此重点分析3种偏心距下结构破坏模式的异同，探寻偏心构件在偏心距不同、锈蚀率不同时的结构破坏规律。

1）相对偏心距0.20时

相对偏心距0.20时，不同锈蚀率下试件的破坏过程大致相同。以B-1-4构件为例，其受到破坏后的四面形态如图10所示。结合试验现场反馈和图10可知：初始荷载小于45%极限荷载时，混凝土、型钢均处于弹性阶段，此时挠度和应变值较小且发展趋势较慢；荷载约在极限荷载的45%~50%时，试件内部有轻微的开裂声，试件中央控制截面处出现初始纵向未贯通细微裂缝，随着荷载增加，纵向裂缝逐渐加宽及延长；荷载约在95%极限荷载时，受压区混凝土型钢翼缘开始屈服，纵向裂缝和挠度急剧增大，混凝土开始剥落；荷载达到极限荷载时，型钢出现压屈现象，混凝土构件纵向裂缝处的混凝土溃落，受压区较小一侧也产生横向裂缝。

观察偏心距相同、锈蚀率不同的B-1-1、B-1-2、B-1-3和B-1-4这4个构件的破坏过程，发现构件的锈蚀率越大，裂缝宽度和混凝土溃落程度随之越大，其原因在于：锈蚀导致混凝土与型钢黏结强度减弱，混凝土约束作用被削弱；黏结滑移致型钢与混凝土间应力重分布（型钢应力减小，混凝土应力增加），二者变形不协调；工字钢材料受锈蚀影响屈服强度减小，更早地进入屈服阶段；锈蚀越大，混凝土内部受到膨胀力作用导致的内部初始缺陷越大。

2）相对偏心距0.35时

相对偏心距0.35时，不同锈蚀率下试件的破坏过程大致相同。以B-2-4构件为例，其受到破坏后的四面形态如图11所示。结合试验现场反馈和图11可知：构件开裂前处于弹性阶段；荷载约在45%极限荷载时，混凝土中央控制截面出现数条受拉横向裂缝；随着荷载进一步增大，中央控制截面受拉横向裂缝宽度增加，其周边截面开始出现横向受拉裂缝，混凝土内部伴随较大开裂声；荷载约在98%极限荷载时，受压侧工字钢翼缘侧屈服；荷载达到极限荷载时，受拉区工字钢翼缘侧屈服，混凝土受拉裂缝发展加剧，挠度陡增；最终试件中央截面受压区混凝土压溃脱落，工字钢出现压屈现象，为大偏心受压破坏。

观察偏心距相同、锈蚀率不同的B-2-1、B-2-2、B-2-3和B-2-4这4个构件的破坏过程，发现4个构件的裂缝发展基本规律、破坏模式一致；构件的锈蚀率越大，裂缝宽度、极限荷载、混凝土溃落程度越大，与相对偏心距0.20时的规律基本一致。

3）相对偏心距0.50时

相对偏心距0.50时，不同锈蚀率下试件的破坏过程大致相同。以B-3-4构件为例，其受到破坏后的四面形态如图12所示。结合试验现场反馈和图12可知：构件开裂前处于弹性阶段；荷载约在25%极限荷载时，混凝土中央控制截面出现数条受拉横向裂缝；随着荷载进一步增大，中央控制截面受拉横向裂缝宽度增加，其周边截面开始出现多条横向受拉裂缝，混凝土内部伴随较大开裂声；荷载约在85%极限荷载时，受拉侧工字钢翼缘侧屈服，中央控制截面处裂缝陡然加宽；荷载达到极限荷载时，受压侧工字钢翼缘侧屈服，混凝土受拉裂缝发展加剧，挠度陡增；最终试件中央截面受压区混凝土压溃脱落，工字钢出现压屈现象，为大偏心受压破坏。

观察偏心距相同、锈蚀率不同的B-3-1，B-3-2，B-3-3和B-3-4这4个构件的破坏过程，发现4个构件的裂缝发展基本规律、破坏模式仍一致；偏心距相同，构件的锈蚀率越大，其裂缝宽度、极限荷载、混凝土溃落程度越大，与相对偏心距0.20时的规律仍基本一致。

4）破坏模式

综上所述，不同偏心距、不同锈蚀率下偏心构件的破坏均以中央控制截面受压区混凝土压溃为标志。同时进一步得到以下结论：与锈蚀率相比，偏心距在改变破坏模式中占主要作用，能改变构件的破坏形态与裂缝发展规律，而锈蚀率只是在一定程度上削弱构件的承载能力，并不会改变构件的破坏形态和发展规律；随着偏心距的增大，试件受拉区的裂缝逐渐增多，裂缝在方向上主要垂直于构件轴线方向，裂缝宽度从上往下由宽变窄；无论大小偏心构件，一旦型钢翼缘侧达到屈服强度，裂缝则会发展迅速，挠度陡增，同时试件内部伴有较大的开裂声；由于型钢具有较高的强度和延展性，构件被破坏后仍可承受45%~55%的极限荷载，具有较高的残余强度极限荷载。

2.2　锈蚀型钢钢架初期支护承载能力

为全面反映不同偏心距、不同锈蚀率下构件在不同加载阶段的承载能力发展规律，统计试验中获得的偏心构件开裂荷载、极限荷载和残余荷载3个特征值，见表4。

1）相对偏心距对承载能力的影响

锈蚀率一定时，不同相对偏心距与开裂荷载、极限荷载和残余荷载的关系如图13所示。由图13可知：随着相对偏心距增大，构件荷载特征值均减小。分析其原因：相对偏心距较小时，整个试件截面绝大部分甚至全部都处于受压状态，型钢翼缘、部分腹板最终受压屈服，因而承载力较大；相对偏心距较大时，随着附加弯矩增加，构件危险截面处于拉压状态，型钢与混凝土受压面积减小，从而导致承载力减弱。

2）锈蚀率对承载力的影响

相对偏心距一定时，不同锈蚀率与开裂荷载、极限荷载和残余荷载的关系曲线如图14所示。由图14可知：当目标锈蚀率在0%~9%时，随锈蚀率的增加，荷载特征值均近似线性降低，此时开裂荷载的减小幅度在27.8%~33.9%，极限荷载的减小幅度在23.9%~26.7%，残余荷载的减小幅度在32.8%~34.0%。分析其原因：锈蚀破坏了工字钢与混凝土之间的黏结，削弱了混凝土的约束作用，同时二者界面间产生黏结滑移又导致型钢与混凝土间应力重分布，二者变形不协调，最终导致承载力下降。

2.3　锈蚀型钢钢架初期支护平截面假定分析

平截面假定是计算型钢钢架与混凝土组合截面弯矩和轴力的基础，一方面可以指导隧道初期支护前期的设计，另一方面可以评判结构的安全性，确保隧道的长期安全。由于锈蚀型钢与混凝土间界面黏结退化产生滑移，会导致型钢与混凝土截面不满足平截面假定，因此对比偏心构件加载试验中，中央截面型钢、混凝土应变的分布，以获得不同偏心距下构件刚好满足平截面假定的临界锈蚀率。加载50%极限荷载时，各偏心构件中央截面的工字钢、混凝土应变如图15所示。图中：应变取值为正表示拉应变、为负表示压应变；中央截面高度取偏心构件柱子中部为0，取值为正表示朝上、为负表示朝下。由图15可以得到以下结论。

（1）对于小偏心构件，工字钢锈蚀率ρ≤3%时，工字钢与混凝土间应变分布相差很小，截面应变符合平截面假定，这印证了相关研究的观点^［30］51：工字钢锈蚀率ρ≤3%时，锈蚀工字钢与混凝土之间的黏结强度随锈蚀率的增加先增加后减小，但锈蚀率接近3%时两者间的黏结强度与初始黏结强度，即工字钢未锈蚀时与混凝土间的黏结强度相当。因此小偏心构件在工字钢锈蚀率ρ≤3%时，工字钢与混凝土可以满足平截面假定。

（2）对于小偏心构件，工字钢锈蚀率ρ>3%时，工字钢与混凝土间的应变分布相差较大，截面应变不符合平截面假定，这印证了相关研究的观点^［30］51：工字钢锈蚀率ρ>3%时，锈蚀工字钢与混凝土之间的黏结强度随锈蚀率增加而减小，且始终小于初始黏结强度，这会导致二者之间产生较大滑移从而不满足平截面假定。

（3）对于大偏心构件，加载50%极限荷载时，工字钢与混凝土间的应变分布从一开始就相差较大，导致截面不符合平截面假定，其原因在于，大偏心构件的混凝土受拉区在加载初期就容易产生裂缝，一旦裂缝产生，工字钢与混凝土界面间产生滑移，导致截面无法满足平截面假定。

3 锈蚀型钢钢架初期支护承载力衰变机制

锈蚀作用引发型钢钢架的几何参数与力学参数减少、锈蚀产生的锈胀作用导致混凝土力学参数减少、锈蚀作用还导致型钢钢架与混凝土黏结退化，这三者将共同导致初期支护的承载力衰减。为考察三者各自对承载力衰减的影响，采用有限元数值模拟方法分析单个因素对承载力衰减的贡献。

3.1　锈蚀型钢钢架初期支护数值模型

按照图3所示偏心构件尺寸建立数值模型，如图16所示。图中：x为沿偏心构件宽度方向；y为沿偏心构件高度方向；z为沿偏心构件长度方向。模拟时，为避免直接加载导致试件两端的混凝土出现应力集中而被破坏，在偏心柱两端分别添加5 cm厚的钢垫板，横截面尺寸为56 cm×32 cm（长×宽），钢垫板与混凝土之间为刚性连接。工字钢与初期支护混凝土采用分离式建模方法，二者之间用非线性弹簧Combination39连接。工字钢单元、钢垫板单元类型均为Solid45，初期支护混凝土单元类型为Solid65。模拟型钢钢架锈蚀的思路为：根据锈蚀率修改型钢钢架自身几何参数、惯性矩式及力学参数；通过不同锈蚀率下工字钢与混凝土间黏结滑移本构，修正非线性弹簧的属性常数；根据不同锈蚀率，调整初期支护的混凝土弹性模量、峰值应力、峰值应变和极限应变。相关计算式参见文献［30-31］。

设置模型边界条件为：约束加载区域一端的所有平动自由度；约束加载区域另一端x和y方向的平动自由度，并在z方向施加面荷载模拟偏心加载。

工字钢及混凝土材料初始参数、本构关系参考文献［25］；钢垫板采用弹性本构，弹性模量为2.1E+13 Pa，约为工字钢弹性模量的100倍。

3.2　不同因素作用下初期支护承载力

1）型钢钢架几何参数与力学参数变化

假定型钢钢架锈蚀作用下只须考虑型钢钢架自身参数变化，无须考虑锈胀致混凝土力学参数变化及型钢钢架混凝土间黏结滑移退化，通过建立的数值计算模型可以得到不同锈蚀率下初期支护的极限承载力的变化关系。以相对偏心距为0.35时的4个偏心构件为例，分析承载力随锈蚀率的变化如图17所示。由图17可知：在假定前提下，随着型钢钢架锈蚀率从0%增至9.65%，极限承载力P_u由1 851.5 kN降至1 629.3 kN，极限承载力下降率R_s达12.00%。

2）混凝土力学参数变化

型钢钢架锈蚀作用下混凝土的弹性模量、峰值应力减小，峰值应变、极限应变增加，将直接导致混凝土承载能力下降，进而影响初期支护承载力。假定型钢钢架锈蚀作用下只需考虑锈胀作用导致的混凝土力学参数变化，无须考虑型钢钢架自身参数变化及型钢钢架混凝土间黏结滑移退化，通过建立的数值计算模型可以得到不同锈蚀率下初期支护的极限承载力的变化关系。以相对偏心距为0.35时的4个偏心构件为例，分析承载力随锈蚀率的变化如图18所示。由图18可知：在假定前提下，随着型钢钢架锈蚀率从0%增加至9.65%，极限承载力P_u由1 851.5 kN降至1 721.9 kN，极限承载力下降率R_c达7.00%。

3）型钢钢架与混凝土黏结退化

型钢钢架锈蚀作用下型钢钢架与混凝土界面间黏结退化，导致二者不能协同受力，进而导致初期支护极限承载力下降。假定型钢钢架锈蚀作用下只需考虑型钢钢架混凝土间黏结滑移退化，无须考虑型钢钢架自身参数变化及锈胀致混凝土力学参数变化，通过建立的数值计算模型可以得到不同锈蚀率下初期支护的极限承载力的变化关系。以相对偏心距为0.35时的4个偏心构件为例，分析承载力随锈蚀率的变化如图19所示。由图19可知：在假定前提下，随着型钢钢架锈蚀率从0%增加至9.65%，极限承载力P_u由1 851.5 kN降至1 592.3 kN，极限承载力下降率R_b达14.00%。

3.3　不同因素对初期支护承载力衰减贡献

假定前提下分析12个偏心构件承载力衰减数值，统计得到承载力衰减率见表5。通过数学归一化处理手段，得到三者对承载力衰减的各自贡献如图20所示。

由图20可知：锈蚀导致型钢钢架自身几何参数、力学参数对初期支护承载力衰减贡献率达32.69%~37.75%，锈胀导致混凝土力学参数衰减贡献率为18.36%~20.80%，锈蚀致型钢钢架混凝土间黏结滑移退化贡献率为43.09%~46.58%；三者中黏结滑移退化对承载力衰减贡献率最大，锈胀致混凝土参数劣化对承载力衰减贡献率最小。在实际工程中，为了防止初期支护承载力受黏结滑移退化大幅下降，可在型钢钢架与混凝土之间设置连接件使型钢钢架与混凝土黏结增强。

4 结论

（1）不同偏心距、不同锈蚀率下的偏心构件在破坏时均以中央控制截面受压区混凝土压溃为标志。相较于锈蚀率，偏心距在改变构件破坏模式中起主导作用，可影响构件破坏形态与裂缝发展规律；而锈蚀率仅在一定程度上削弱构件承载力，不会改变其破坏形态与发展规律。

（2）偏心距一定、目标锈蚀率范围0%~9%时，随着锈蚀率的增加，荷载特征值均逐渐近似线性减小，其中开裂荷载减小幅度在27.8%~33.9%，极限荷载减小幅度在23.9%~26.7%，残余荷载减小幅度在32.8%~34.0%。锈蚀率一定时，随着偏心距增大，构件荷载特征值均减小。

（3）根据偏心构件试验中混凝土、工字钢应变发展规律，获得了型钢钢架初期支护满足平截面假定的临界锈蚀率。小偏心构件在工字钢锈蚀率ρ≤3%时，工字钢与混凝土间应变分布相差很小，截面符合平截面假定；工字钢锈蚀率ρ>3%时，两者间应变分布相差较大，截面不符合平截面假定。大偏心构件加载50%极限荷载时，工字钢与混凝土间的应变分布从一开始就相差较大，截面不符合平截面假定。

（4）假定前提下，统计12个偏心构件的承载率衰减率并通过数学归一化处理发现，由锈蚀导致型钢钢架自身几何、力学参数对初期支护承载力衰减的贡献率达32.69%~37.75%，锈胀导致混凝土力学参数衰减的贡献率在18.36%~20.80%，黏结滑移退化的贡献率在43.09%~46.58%。

参考文献

[1] 交通运输部.2023年交通运输行业发展统计公报［R/OL］.（2024-06-18） ［2024-09-21］.

[2] Ministry of Transport of the People’s Republic of China. Statistical Bulletin on the Development of Transportation Industry in 2023 ［R/OL］. （2024-06-18） ［2024-09-21］. in Chinese

[3] 巩江峰，王伟，黎旭，等.截至2024年底中国铁路隧道情况统计及2024年新开通项目隧道情况介绍［J］.隧道建设（中英文），2025，45（3）：636-653.

[4] GONG Jiangfeng， WANG Wei， LI Xu， et al. Statistics of China’s Railway Tunnels by the End of 2024 and Overview of Tunnels of New Projects in 2024 ［J］. Tunnel Construction， 2025， 45 （3）： 636-653. in Chinese

[5] 刘德军，仲飞，黄宏伟，等.运营隧道衬砌病害诊治的现状与发展［J］.中国公路学报，2021，34（11）：178-199.

[6] LIU Dejun， ZHONG Fei， HUANG Hongwei， et al. Present Status and Development Trend of Diagnosis and Treatment of Tunnel Lining Diseases ［J］. China Journal of Highway and Transport， 2021， 34 （11）： 178-199. in Chinese

[7] 马伟斌，柴金飞.运营铁路隧道病害检测、监测、评估及整治技术发展现状［J］.隧道建设：中英文，2019，39（10）：1553-1562.

[8] MA Weibin， CHAI Jinfei. Development Status of Disease Detection， Monitoring， Evaluation and Treatment Technology of Railway Tunnels in Operation ［J］. Tunnel Construction， 2019， 39 （10）： 1553-1562. in Chinese

[9] 肖广智.从当前铁路隧道衬砌典型病害谈设计施工改进措施［J］.隧道建设：中英文，2018，38（9）：1416-1422.

[10] XIAO Guangzhi. Discussion on Design and Construction Improvement Measures Based on Current Typical Diseases of Railway Tunnel Lining ［J］. Tunnel Construction， 2018， 38 （9）： 1416-1422. in Chinese

[11] 管晓军，李畅，仇文革，等.深埋老黄土隧道围岩劣化对支护受力影响分析［J］.隧道建设：中英文，2019，39（11）：1806-1814.

[12] GUAN Xiaojun， LI Chang， QIU Wenge， et al. Influence of Surrounding Rock Deterioration on Supporting Force of Deep Old Loess Tunnel ［J］. Tunnel Construction， 2019， 39 （11）： 1806-1814. in Chinese

[13] 殷召念.红层软岩铁路隧道劣化分析及长期安全性评价［D］.成都：西南交通大学，2018.

[14] YIN Zhaonian. Analysis of Deterioration and Long-Term Safety Evaluation of Railway Tunnel in Redbed Soft Rock ［D］. Chengdu： Southwest Jiaotong University， 2018. in Chinese

[15] 王明年，张艺腾，于丽，等.隧道支护劣化机理与安全性评价［M］.北京：人民交通出版社，2022．

[16] WANG Mingnian， ZHANG Yiteng， YU Li， et al. Degradation Mechanism and Safety Evaluation of Tunnel Support System ［M］. Beijing： China Communications Press， 2022. in Chinese

[17] WANG J B， NIU D T， WANG Y， et al. Chloride Diffusion of Shotcrete Lining Structure Subjected to Nitric Acid， Salt-Frost Degradation， and Bending Stress in Marine Environment ［J］. Cement and Concrete Composites， 2019， 104： 103396.

[18] JIN Z Q， ZHAO T J， GAO S， et al. Chloride Ion Penetration into Concrete under Hydraulic Pressure ［J］. Journal of Central South University， 2013， 20 （12）： 3723-3728.

[19] 王明年，路军富，刘大刚，等.大断面海底隧道CRD法绝对位移控制基准建立及应用研究［J］.岩土力学，2010，31（10）：3354-3360.

[20] WANG Mingnian， LU Junfu， LIU Dagang， et al. Study of Absolute Deformation Control Criterion and Its Application for Large Section Subsea Tunnel with “CRD” Method ［J］. Rock and Soil Mechanics， 2010， 31 （10）： 3354-3360. in Chinese

[21] 王明年，路军富，张建国，等.大断面海底隧道施工安全判定基准及应用［J］.岩土工程学报，2010，32（6）：867-873.

[22] WANG Mingnian， LU Junfu， ZHANG Jianguo， et al. Determinant Criterion for Safety of Large Section Subsea Tunnels and Its Application during Construction ［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2010， 32 （6）： 867-873. in Chinese

[23] 何文正.硫酸盐腐蚀作用下山岭隧道衬砌结构劣化及承载力演变研究［D］.重庆：重庆交通大学，2022.

[24] HE Wenzheng. Study on Deterioration and Evolution of Bearing Capacity of Lining in Mountain Tunnels under Sulfate Corrosion ［D］. Chongqing： Chongqing Jiaotong University， 2022. in Chinese

[25] 张瑾，王梦雪，朱淳，等.氯盐环境下螺纹钢锚杆力学性能退化研究［J］.金属矿山，2023（12）：76-85.

[26] ZHANG Jin， WANG Mengxue， ZHU Chun， et al. Study on the Degradation of Mechanical Properties of Threaded Steel Bolts in Chloride Environment ［J］. Metal Mine， 2023 （12）： 76-85. in Chinese

[27] 刘四进.侵蚀环境作用下盾构隧道结构性能衰退演变机理研究［D］.成都：西南交通大学，2017.

[28] LIU Sijin. Research on Evolution Mechanism of Structural Performance Degradation for Shield Tunnel under Environmental Erosion ［D］. Chengdu： Southwest Jiaotong University， 2017. in Chinese

[29] 刘四进，何川，孙齐，等.腐蚀离子环境中盾构隧道衬砌结构侵蚀劣化机理［J］.中国公路学报，2017，30（8）：125-133.

[30] LIU Sijin， HE Chuan， SUN Qi， et al. Erosion Degradation Mechanism of Shield Tunnel Lining Structure in Corrosive Ion Environment ［J］. China Journal of Highway and Transport， 2017， 30 （8）： 125-133. in Chinese

[31] 张志强，李永珑，王海彦，等.钢筋锈蚀劣化对隧道衬砌结构性能的影响［J］.中国公路学报，2014，27（8）：73-81.

[32] ZHANG Zhiqiang， LI Yonglong， WANG Haiyan， et al. Effect of Steel-Bar Corrosion on Properties of Tunnel Lining Structure ［J］. China Journal of Highway and Transport， 2014， 27 （8）： 73-81. in Chinese

[33] ZHANG Z Q， MANSOOR Y A. Evaluating the Strength of Corroded Tunnel Lining under Limiting Corrosion Conditions ［J］. Tunnelling and Underground Space Technology， 2013， 38： 464-475.

[34] ZHANG Z Q， GONG R K， ZHANG H， et al. The Sustainability Performance of Reinforced Concrete Structures in Tunnel Lining Induced by Long-Term Coastal Environment ［J］. Sustainability， 2020， 12 （10）： 3946.

[35] FENG K， LIU S J， HE C， et al. Experiment Study on Chloride Corrosion Deterioration of Load-Bearing Concrete Segment ［J］. Advances in Structural Engineering， 2019， 22 （4）： 960-970.

[36] 仇文革，冯冀蒙，陈雪峰，等.深埋硬岩隧道初期支护劣化过程衬砌力学特性试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2013，32（1）：72-77.

[37] QIU Wenge， FENG Jimeng， CHEN Xuefeng， et al. Model Testing Research on Lining Mechanical Variation with Deterioration Process of Primary Support in Deep Hard Rock Tunnel ［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2013， 32 （1）： 72-77. in Chinese

[38] 冯冀蒙，仇文革，王航.隧道复合式衬砌初期支护极限状态模型试验研究［J］.岩土力学，2012，33（11）：3345-3351.

[39] FENG Jimeng， QIU Wenge， WANG Hang. Model Testing Research on Limit State of Primary Support in Composite Lining Tunnels ［J］. Rock and Soil Mechanics， 2012， 33 （11）： 3345-3351. in Chinese

[40] 王明年，李海军，周国军.海底隧道钢拱架锈蚀对支护体系安全性的影响［J］.西南交通大学学报，2010，45（1）：39-44.

[41] WANG Mingnian， LI Haijun， ZHOU Guojun. Influence of Steel Arch Corrosion on Security of Supporting System of Sub-Sea Tunnel ［J］. Journal of Southwest Jiaotong University， 2010， 45 （1）： 39-44. in Chinese

[42] 张艺腾，王明年，杨恒洪，等.考虑荷载分配时钢拱架锈蚀对海底隧道支护体系力学行为影响分析［J］.现代隧道技术，2021，58（增1）：56-63.

[43] ZHANG Yiteng， WANG Mingnian， YANG Henghong， et al. Analysis of Influence of Steel Rib Corrosion on Mechanical Behaviors of Subsea Tunnel Support System Considering Load Distribution ［J］. Modern Tunnelling Technology， 2021， 58 （）： 56-63. in Chinese

[44] ZHANG Y T， WANG M N， YU L， et al. Experimental and Numerical Research on the Influence of Steel Arch Frame Corrosion on Security of Supporting System in Subsea Tunnel ［J］. Tunnelling and Underground Space Technology， 2022， 120： 104253.

[45] XU G W， GUTIERREZ M. Study on the Damage Evolution in Secondary Tunnel Lining under the Combined Actions of Corrosion Degradation of Preliminary Support and Creep Deformation of Surrounding Rock ［J］. Transportation Geotechnics， 2021， 27： 100501.

[46] 封坤，耿珺洋，杨仁杰，等.受拉侧锈蚀钢纤维-钢筋混凝土管片承载力退化模型研究［J］.土木工程学报，2022，55（2）：100-110.

[47] FENG Kun， GENG Junyang， YANG Renjie， et al. Study on Bearing Capacity Degradation Model for Corroded Steel Fiber Reinforced Concrete Segments on Tension Side ［J］. China Civil Engineering Journal， 2022， 55 （2）： 100-110. in Chinese

[48] MAADDAWY T A EL， SOUDKI K A. Effectiveness of Impressed Current Technique to Simulate Corrosion of Steel Reinforcement in Concrete ［J］. Journal of Materials in Civil Engineering， 2003， 15 （1）： 41-47.

[49] CARÉ S， NGUYEN Q T， L'HOSTIS V， et al. Mechanical Properties of the Rust Layer Induced by Impressed Current Method in Reinforced Mortar ［J］. Cement and Concrete Research， 2008， 38 （8/9）： 1079-1091.

[50] 张艺腾.海底隧道钢拱架锈蚀致界面黏结退化本构模型及支护体系力学演化机制研究［D］.成都：西南交通大学，2022.

[51] ZHANG Yiteng. Research on Mechanical Model of Interface Bond Degradation and Evolution Mechanism of Support System Caused by Section Steel Frame Corrosion in Subsea Tunnel ［D］. Chengdu： Southwest Jiaotong University， 2022. in Chinese

[52] 张伟平，商登峰，顾祥林.锈蚀钢筋应力-应变关系研究［J］.同济大学学报（自然科学版），2006，34（5）：586-592.

[53] ZHANG Weiping， SHANG Dengfeng， GU Xianglin. Stress-Strain Relationship of Corroded Steel Bars ［J］. Journal of Tongji University （Natural Science）， 2006， 34 （5）： 586-592. in Chinese

基金资助

国家自然科学基金资助项目(52308417)

中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划重大课题(K2023G041)