摘要
基于水下隧道混凝土管片碳化寿命的影响因素众多，预测方法也不统一的问题，该文结合实际工程，分析水下隧道混凝土管片碳化影响因素及规律，建立 3 种以裂缝限值为控制目标的混凝土管片寿命预测方法，对比分析 3 种方法的预测结果。结果表明：3 种方法预测的隧道内温度、CO2浓度对隧道衬砌结构寿命的影响规律与现有试验得到的规律基本一致；隧道内温度对混凝土衬砌寿命的影响最大，CO2浓度的影响次之；3 种方法预测的相对湿度对隧道衬砌结构的寿命影响规律不太理想，有待进一步改进。预测的保护层锈胀后的钢筋年均锈蚀率约为保护层锈胀前的 3 倍，及时发现并修复裂缝能有效延长隧道衬砌的寿命；基于徐善华方法的预测结果最保守，比规范法略小；基于杨晓明方法的预测值比规范法大 25% 以上，建议选择性使用。
Abstract
There are many factors that affect the carbonization life of concrete segments in underwater tunnels， and the prediction methods are not uniform. In this paper， combined with actual engineering， the influencing factors and laws of carbonization of concrete segments in underwater tunnels were analyzed， and three methods for predicting the life of concrete segments were established with the crack limit as the control target. The prediction results of the three methods were compared. The results show that the influence of the temperature and CO2 concentration in the tunnel predicted by the three methods on the life of the tunnel lining structure is basically consistent with the existing experimental rules. The temperature in the tunnel has the greatest influence on the life of the concrete lining， followed by that of CO2 concentration. The three methods obtain non-ideal results in predicting the influence of relative humidity on the life of tunnel lining structure and need to be further improved. The predicted annual average corrosion rate of steel bars after rust expansion of the protective layer is about three times that before rust expansion of the protective layer. Timely detection and repair of cracks can effectively prolong the life of tunnel lining. The prediction result based on XU Shanhua’s method is the most conservative and slightly smaller than that of the standard method. The predicted value based on YANG Xiaoming’s method is more than 25% larger than the standard method， and it is recommended based on the actual situation.
0 引言
混凝土管片的碳化影响因素分析及寿命预测研究一直是隧道设计优化的重点。目前对隧道结构寿命的预测，常用的有 3 种寿命理论准则[1]：开裂寿命理论、承载力寿命理论、碳化寿命理论。在公路水下隧道中，汽车尾气排放的 CO2 浓度远高于大气环境中 CO2 浓度，同时空气中的 CO2 可以通过混凝土中的孔隙与空气中的水蒸气结合，形成碳酸并促进碳化，混凝土碳化消耗混凝土中的氢氧化钙使其由强碱环境变为弱碱环境，使钢筋发生脱钝化现象，极易发生锈蚀。锈蚀后的钢筋为原钢筋体积的 3~4 倍，由此产生的锈胀力将导致管片保护层的开裂和失效。
对于盾构隧道，其钢筋混凝土管片的碳化速度也远高于自然环境中的钢筋混凝土，因此成为研究重点。对于混凝土构件，王娴明等[2] 使用寿命抗力下降至承载力极限和钢筋锈胀混凝土裂缝达到限值对应的时间的较小值作为预测寿命时间，并通过 4 个预测实例进行相应的估算，发现与实际情况基本符合，得出选用适当的混凝土碳化速率以及钢筋锈蚀速率计算模型是可以对结构构件寿命进行预测的；李昕等[3]基于厚度累积概率理论，以裂缝和承载力为准则，采用 Matlab 计算程序，对某隧道管片衬砌结构的剩余使用寿命进行分析，结果表明：隧道在侵蚀环境下，即使不做任何防护，隧道寿命预测值也能满足结构设计要求的使用期限；刘强等[4] 以隧道钢筋混凝土衬砌为例，通过混凝土在碳化侵蚀环境中的性能试验，对结构混凝土的使用寿命进行了分析，发现复掺粉煤灰和矿粉的混凝土的使用寿命最长；日本学者 Morinaga[5] 以混凝土裂缝作为破坏准则，得出混凝土中纵向裂缝钢筋的腐蚀量和腐蚀速率，并将两者的比值作为构件的使用寿命；苗德海等[6] 基于疲劳寿命分析方法对几内亚西芒杜新建 40 t 轴重重载铁路隧道进行隧底结构参数设计优化分析，给出了不同围岩级别下单线有砟铁路隧底结构优化参数。总体上，水下隧道混凝土管片全寿命影响因素众多，预测方法也不统一，有必要结合实际工程深入研究各种方法的特点及适用条件，并预测主要影响因素对隧道寿命的影响规律，为实际隧道的养护决策提供参考。
本文通过查询文献中碳化的不同影响因素及规律，结合定淮门隧道实际工程，分析不同影响因素对定淮门隧道结构碳化寿命的影响规律，基于混凝土碳化寿命准则建立了锈胀裂缝宽度与钢筋锈蚀深度的关系，并对定淮门隧道的使用寿命进行了预测。
1 水下隧道混凝土管片碳化深度的影响因素及规律
水下隧道不仅处于不确定性水文地质条件，而且运营环境复杂，衬砌结构的服役寿命和耐久性受到众多结构本身和环境因素的影响[7]，本文结合南京某水下隧道分别从水灰比、粉煤灰掺量、相对湿度、温度等角度，分析不同影响因素对隧道衬砌结构碳化的影响规律。
1.1 水灰比和纤维掺量对碳化深度的影响规律
水灰比决定了混凝土管片中的孔结构，水灰比越大，孔隙率越高。由于 CO2气体在管片中的扩散是通过孔隙进行的，因此孔隙率越高，碳化的速率越快。纤维的掺量在一定程度上可以优化管片的孔结构，减少管片的内部缺陷，有效提高管片的抗碳化能力[8]。水灰比对碳化深度的影响如图1所示。
图1 水灰比对碳化深度的影响
Figure1 Effect of water-cement ratio on carbonization depth
由图1可知：随着水灰比的增加，混凝土碳化深度变大；且含 1% 纤维（体积含量）的混凝土碳化深度减小约 8%。因此，南京定淮门隧道管片水灰比设计为 0.35，较低的水灰比减少了内部的孔隙率，降低了碳化速度，并且掺加了一定量的改性聚丙烯纤维（掺量为 0.9 kg/m3），在一定程度上降低了混凝土的碳化速率。
1.2 粉煤灰对碳化深度的影响规律
薛鲁阳等[9]通过试验研究不同的粉煤灰掺量对养护龄期 28 d 的混凝土碳化深度的影响，试验结果如图2所示。
图2 粉煤灰掺量对碳化深度的影响
Figure2 Effect of fly ash content on carbonization depth
由图2可知：当粉煤灰掺量增加时，管片的抗碳化能力不断变弱。当掺量为 15%~25%，随掺量的增加，衬砌管片的碳化深度变化值不大，抗碳化能力基本不变；当掺量为 25%~35%，抗碳化能力呈跳跃式减弱。这是由于粉煤灰是由活性的硅、铝氧化物组成，这些物质与水泥水化产生的碱物质反应，生成物虽然在一定程度上填充了衬砌管片中的孔隙结构，使衬砌管片变得更加密实，但是会破坏衬砌管片中的碱性环境，易造成钢筋的锈蚀。因此，南京某水下隧道管片采用高性能混凝土，考虑到一定量的掺合料可以降低水化热减少裂纹的生成，但超过一定量会加速碳化，对结构不利，因此设计中使用含量小于 15% 优质粉煤灰等矿物掺合料。
1.3 相对湿度对碳化深度的影响规律
当隧道内相对湿度较低时，CO2分子缺少与之反应的介质，碳化速度变慢。但当混凝土中的相对湿度很高时，充满水分的孔隙结构会阻止 CO2的扩散，导致碳化速度变慢。因此，存在一个使混凝土碳化速率达到最大值的湿度阈值。李兆恒等[10] 通过固定温度（20±2）℃，CO2 体积分数 20%，相对湿度分别为 50%、60%、70%、80%，进行加速碳化试验，研究相对湿度对养护龄期 28 d 的混凝土碳化深度的影响规律，试验结果如图3所示。
图3 相对湿度对碳化深度的影响
Figure3 Effect of relative humidity on carbonization depth
由图3可知：环境相对湿度约 70%，混凝土的碳化深度达到最大值。经南京气象站历年统计南京区域年均相对湿度为 73%，因而南京定淮门隧道所处的相对湿度加速了混凝土衬砌管片的碳化速度，对结构不利。
1.4 温度对碳化深度的影响规律
李兆恒等[10]在相对湿度为 70%±5%、CO2体积分数为 20% 的环境下，分别设置环境温度为 10℃、 20℃、30℃、40℃对养护龄期 28 d 的混凝土进行加速碳化试验，试验结果如图4所示。
图4 温度对碳化深度的影响
Figure4 Effect of temperature on carbonization depth
由图4可知：温度每提高 10℃，碳化深度增加约 7 mm，隧道里的年均温度高于正常大气环境中的年均温度。因此，对于南京定淮门隧道，要考虑温度对管片碳化深度的影响，理论上根据不同季节可以调节通风进行改善。
1.5 CO2体积分数对碳化深度的影响规律
李兆恒等[10] 通过固定温度在（20±2）℃，相对湿度 70%±5% 的条件下，将试块分别放置于 CO2体积分数为 1%、3%、5%、10%，20% 的环境下进行加速碳化，测试养护 28 d 后的碳化深度，结果如图5所示。
图5 CO2体积分数对碳化深度的影响
Figure5 Effect of CO2 volume fraction on carbonization depth
由图5可知：CO2体积分数对碳化深度的影响较大，对于南京定淮门隧道，汽车尾气排放的 CO2导致隧道内部的 CO2体积分数高于正常室外的 CO2体积分数，其对隧道混凝土碳化的影响不可忽视，因此采用通风有效降低 CO2体积分数。
通过分析各种影响因素对碳化深度的影响规律发现，水灰比的影响幅度最小，温度和 CO2体积分数影响幅度较大。因此，在养护过程中，科学控制通风，能有效降低衬砌的碳化进程，提高隧道衬砌结构的寿命。
2 基于裂缝限值的南京定淮门隧道碳化寿命预测方法
2.1 基于裂缝限值的隧道寿命预测方法
混凝土碳化使其内部从强碱环境变为弱碱环境，导致钢筋脱钝化。失去脱钝化膜保护的钢筋极易发生锈蚀，锈蚀后的钢筋体积为原钢筋体积的 3~4 倍，由此产生的锈胀力会导致保护层开裂。当管片裂缝达到规定限值时，不满足规范的正常使用要求，隧道寿命达到终结。
根据南京定淮门隧道设计资料，衬砌管片的保护层厚度为 50 mm，截面厚度为 60 cm，内侧布置 16ϕ 32HRB 335 级钢筋，采用 C60 高性能混凝土，据气象站资料，南京年平均相对湿度达 73%，年平均温度 15.7℃。
结合实际工程，设计允许裂缝限值为 0.2 mm，因此其服役寿命预测值由 3 部分组成：钢筋脱钝化时间、钢筋开始锈蚀时间、钢筋锈胀导致的保护层开裂至允许裂缝深度的时间。其中，钢筋脱钝化时间，采用西安建筑科技大学董振平等[11] 提出的公式计算：
(1)
式中：ti为钢筋脱钝化时间，即钢筋开始锈蚀时间（年）； c 为衬砌管片的保护层厚度（mm）；x0为衬砌管片的碳化残量（mm），理论上，当管片的碳化深度穿过保护层到达钢筋最外接触面时，钢筋开始锈蚀，然而，在实际中，往往碳化深度在未到达钢筋表面或超过钢筋表面时，钢筋才开始锈蚀，当钢筋开始锈蚀时，碳化前沿到钢筋表面的距离称为碳化残量，因此碳化残量可正可负；k 为碳化系数。
根据南京定淮门隧道特点，碳化残量 x0 采用西安建筑科技大学董振平等[11] 提出的公式计算：
(2)
式中：kce为局部环境影响系数，按照规范取为 2.5。
碳化系数 k 采用武海荣等[12] 提出的公式计算：
(3)
式中：KRH 为年平均相对湿度的影响系数， KRH =-4.24H 2 RH + 4.24HRH + 0.2，HRH为年平均相对湿度；KT为温度的影响系数，KT = exp（ 8.748-2 563/T）； fcu为 28 d 混凝土立方体抗压强度；为 CO2的影响系数，对于隧道，CO2差别较大，建议取实际实测数据。
为确定隧道内的温度，参考王蕾[13]对 89 组隧道内外温差数据进行统计分析。结果表明：隧道内外温差基本服从高斯分布，数学期望值为 8.6℃，方差为 2.5℃。根据这一结果，只需要了解隧道所在区域的大气环境温度，就能估算出隧道内的环境温度。在定淮门隧道中，当大气环境温度为 15.7℃时，推算隧道内的环境温度约为 24.3℃，这一估算值与实测平均值接近。
在确定隧道内的相对湿度时，参考王秀英等[14] 的研究，他们认为隧道内外的湿度与大气环境基本一致。此外，He 等[15] 的现场实测监测数据也证实了隧道内外部湿度相差不大。因此，可以推断南京定淮门隧道的年平均相对湿度与大气环境的年平均相对湿度基本一致。根据南京气象站资料，南京的年平均相对湿度为 73%，因此取南京定淮门隧道的年平均相对湿度为 73%。
缺乏 CO2 实测数据时，可采用西安工程大学刘洋[16]对公路隧道空气污染物浓度统计数据获得的 CO 和 CO2的体积分数关系计算公式进行换算，进而可由 CO 含量推出隧道中 CO2体积分数。
(4)
拟合残差 R2 =0.95，拟合程度较高。
根据《公路隧道通风设计细则》（JTG/T D70/ 2-02—2014）第 5.3.1 条：当公路隧道全长小于 1 km 时，CO 体积分数的最大值为 0.15‰；当公路隧道总长超过 3 km 时，CO 体积分数的最大值为 0.1‰。南京某隧道长度大于 3 km，内部 CO 体积分数值为 0.01‰~0.07‰，取最不利情况 0.07‰。
(5)
因此，把最不利情况代入上式可计算得：= 0.472。
采用武海荣等[12]提出的碳化系数计算公式时， KRH 为 1.036，K T 为 1.140， 为 0.472，代入式（3）计算可得碳化系数 k 为 6.49。
将已知数据代入公式（2），得到碳化残量 x0 为 5.39 mm，即当碳化深度为 44.61 mm 时，钢筋开始锈蚀。把式（2）、（3）计算结果代入式（1），则可得钢筋脱钝化时间 ti为 33.6 年。
根据《既有混凝土结构耐久性评定标准》（GB/T51355—2019）[17]，钢筋开始锈胀至保护层开裂时所需时间为：
(6)
(7)
式中：δcr 为保护层锈胀开裂时钢筋临界锈蚀深度；fcu，e 为混凝土强度推定值，本文取混凝土轴心抗压强度设计值，C60 为 38.5 MPa；c 为保护层厚度，南京定淮门隧道保护层厚度为 50 mm；d 为钢筋直径，南京定淮门隧道管片结构钢筋，d 取 32 mm；λ 0 为保护层锈胀开裂前钢筋年均锈蚀速率。
钢筋临界锈蚀深度与保护层厚度及钢筋直径之间的关系如图6所示。
由图6可知：随着保护层厚度的增加，钢筋临界锈蚀深度同时增大，因此增加保护层厚度可在一定程度上延缓钢筋发生锈蚀。相同保护层厚度下，钢筋直径越大，保护层开裂时，钢筋的锈蚀深度越小。对于南京定淮门隧道，钢筋直径为 32 mm，混凝土保护层厚度为 50 mm，由图6可知，保护层锈胀开裂时的钢筋临界锈蚀深度 δcr为 0.099 9 mm。
图6 C60 混凝土钢筋直径对临界锈蚀深度影响
Figure6 Influence curve of steel bar diameter on critical corrosion depth of C60 concrete
(8)
式中：KKL 为位置影响系数，角区取 1.6，其他情况取 1.0；kce 为环境影响系数，对于江底隧道，取 2.5；T 为年均温度，取 24.3℃；HRH 为年均相对湿度，取 73%； f cu，e 为混凝土强度推定值。
根据式（8）可得南京定淮门隧道保护层锈胀开裂前钢筋年均锈蚀速率 λ 0 的理论计算值为 1.36×10-3 mm/年。且钢筋年平均锈蚀速率 λ 0 与年平均相对湿度 HRH 成正比，即随着年平均相对湿度的增加，锈胀开裂前的年均锈蚀率也不断增加。钢筋锈胀至保护层开裂时，年均锈蚀率随着年均温度的升高而升高，呈线性关系。
由式（6）计算可得南京定淮门隧道钢筋开始锈胀至保护层开裂时所需时间 t cr=0.099 9/（1.36× 10-3）=73.6 年。
对于等级为 C60 的混凝土，分别对环境年平均相对湿度和温度，与锈胀开裂前钢筋年均锈蚀率的关系进行拟合，拟合曲线见图7。
由图7可知：随着相对湿度、温度的增加，锈胀开裂前钢筋年平均锈蚀率均线性增加；保护层厚度越大，锈胀开裂前钢筋年平均锈蚀率越低；保护层厚度增加时，相对于相对湿度的锈胀开裂前钢筋年平均锈蚀率的增加率减小；对于年均温度，锈胀开裂前钢筋年平均锈蚀率的变化率基本不变。
图7 C60 锈胀开裂前年均锈蚀率影响曲线
Figure7 Influence curve of annual average corrosion rate of C60 before rust expansion and cracking
钢筋锈胀开裂前后年平均锈蚀率 λ1和钢筋锈胀开裂前年均锈蚀率 λ0的拟合见图8和式（9）。由上文可知，钢筋锈胀开裂前年均锈蚀速率 λ0 的理论值为 1.36×10-3 mm/年，代入式（9），得到 λ1为 5.49×10-3 mm/年。
图8 锈胀前后年平均锈蚀率关系曲线
Figure8 Relationship curve of annual average corrosion rate before and after rust expansion
(9)
由图8可知：当钢筋锈胀开裂前年均锈蚀速率 λ 0 为 1.36×10-3 mm/年时，λ 1 为 5.49×10-3 mm/年。保护层锈胀前后的钢筋年均锈蚀率约为锈胀开裂前的 3 倍，主要是由于保护层开裂后，钢筋暴露于环境中，致使钢筋锈蚀更加迅速。因此，在发现裂缝时，要及时修补，以防裂缝继续扩大，钢筋锈蚀更加严重，缩短结构的使用寿命。
不同的研究学者基于试验或理论提出了不同的钢筋锈蚀深度与裂缝的关系，如表1所示。
表1 锈胀裂缝宽度与锈蚀深度的关系
Table1 Relationship between crack width and corrosion depth after rust expansion
注：x 为钢筋锈蚀深度；w 为锈胀裂缝宽度；d 为钢筋直径；c 为钢筋混凝土保护层厚度，fcu为混凝土立方体抗压强度；ft为混凝土轴心抗拉强度；δcr为钢筋临界锈蚀深度。
对 8 种方法的钢筋锈蚀深度 x 进行计算，其中 5 种钢筋的锈蚀深度 x 值小于 δcr，达不到保护层锈胀开裂时钢筋临界锈蚀深度。因此，只对杨晓明法[25]、徐善华法[22]和既有混凝土结构耐久性评定标准》（GB /T51355—2019）[17]进行衬砌管片的使用寿命计算。
2.2 南京定淮门隧道混凝土管片寿命预测分析
南京定淮门隧道衬砌管片的使用寿命采用下式预测：
(10)
式中：，x 为钢筋的锈蚀深度；λ 1 为保护层锈胀开裂后的年均锈蚀率。
（1）基于杨晓明法[25]的南京定淮门隧道寿命预测。杨晓明通过对钢筋锈蚀率与裂缝宽度的研究得出：对于仅沿纵筋方向的锈胀裂缝总宽度与纵筋锈蚀率之间存在明显的线性关系：
(11)
式中：ρ 为钢筋锈蚀率，取百分数；w 为锈胀裂缝宽度。
则锈蚀率与锈蚀深度的关系为：
(12)
进一步可得锈胀裂缝总宽度和锈蚀深度的关系：
(13)
基于裂缝宽度限值准则，即裂缝宽度 w 为 0.2 mm 时，计算可得，x=0.361 2 mm，t1=47.6 年。所以，t= 154.8年>100年。
（2）基于徐善华法[22]的南京定淮门隧道寿命预测。徐善华通过试验得出裂缝宽度与锈蚀深度的关系式如下：
(14)
基于裂缝宽度限值准则，以 0.2 mm 为裂缝限值计算可得，x=0.111 9 mm，t1=2.2 年，所以 t=109.4 年>100 年。
（3）基于规范法[17] 的南京定淮门隧道寿命预测。 《既有混凝土结构耐久性评定标准》（GB /T51355— 2019）[17]大量收集整理国内外锈胀试验数据并结合工程实际调查，给出钢筋锈蚀深度与混凝土锈胀裂缝宽度的计算公式：
(15)
基于裂缝宽度限值准则，以 0.2 mm 为裂缝限值计算可得，x=0.145 1 mm，t1=8.2 年，衬砌的寿命为 115.4 年。
综上结果可得，徐善华的计算方法最为保守，预测结果与标准法计算结果较为接近，杨晓明的计算方法有较大误差。通过查阅资料可得，推测杨晓明方法存在较大误差的原因主要有以下两点：① 钢筋锈蚀一般出现两类裂缝：第一类裂缝沿纵筋方向产生，锈蚀率与锈蚀裂缝的总宽度呈线性关系；第二类裂缝是在第一类裂缝的基础上由箍筋锈蚀产生，数据分布较为分散，不存在明显线性关系。因此，杨晓明的计算公式仅计算第一类裂缝，只由裂缝限值来计算寿命年限会出现误差；② 杨晓明的计算公式是在保护层为 20 mm 的混凝土构件进行试验的基础上得到的，南京某水下隧道混凝土保护层厚度设计平均值为 50 mm。3 种计算方法得出的寿命预测值均明显大于 100 年，满足百年服役期，因此该南京水下隧道总体设计是安全可靠的。
3 南京定淮门隧道管片结构碳化寿命的主要影响因素及影响规律
前文分析显示，南京定淮门隧道管片衬砌结构寿命主要受水灰比、粉煤灰掺量、相对湿度、温度、 CO2浓度等因素的影响。水灰比和粉煤灰掺量主要是在建造时通过降低隧道的孔隙率来降低碳化速度。为了进一步探究南京定淮门隧道管片结构运营期碳化寿命的主要影响因素及影响规律，采用不同的预测方法对比分析在不同温度、湿度以及 CO2浓度的寿命预测值，不仅可为方法的合理选用提供参考，还能为隧道的运营维护方案决策提供理论依据。
3.1 隧道运营期相对湿度对管片结构的碳化寿命影响规律
角区与非角区的年平均相对湿度对寿命预测值的影响曲线分别如图9、10所示。
图9 角区的年平均相对湿度对寿命预测值的影响曲线
Figure9 Influence curve of annual average relative humidity on life prediction in corner zone
由图9、10可知：3 种方法预测的寿命随年平均相对湿度的变化规律一致，当年平均相对湿度越低，寿命越长，但当年平均相对湿度小于等于 61.6% 时，预测寿命趋于无穷大，预测结果不太合理。日本专家 Nishi[26]通过试验发现：当相对湿度处于 50%~60% 时，混凝土的碳化作用达到最大；刘伟[27] 提出了混凝土碳化最大的相对湿度为 50%~70%，当相对湿度处于这一范围时，结构构件寿命最短。这与上述变化趋势的前半段大致相符。但是通过计算该南京隧道在取其平均相对湿度含量 73% 以上时，寿命预测值又呈现延长的趋势。上述文献中并未提到会出现此趋势。原因可能是在实际试验中，控制相对湿度的变化，不可避免地影响到 CO2 体积分数。牛荻涛等[28] 通过试验分析相对湿度与 CO2体积分数的关系，当相对湿度较大时会导致一定量的 CO2溶于空气中的水分，当相对湿度大于 70% 时，CO2的体积分数会随相对湿度的增加而降低。因为在计算时只控制了相对湿度单个因素的变化，而温度、CO2体积分数等因素均为常量，使得计算过于理想化。因此，针对实际隧道情况，对现有预测公式进行有效修正是必要的。
图10 非角区（其余地区）的年平均相对湿度对寿命预测值的影响曲线
Figure10 Influence curve of annual average relative humidity on life prediction in non-corner zone (other zones)
（注：图中点的横坐标 43.8%、58.4%、73.0%、102.2% 分别为南京该隧道的年平均相对湿度 73% 的 60%、80%、100%、140%，相对湿度值取 43.8% 时，隧道寿命预测值趋近于∞）
3.2 隧道运营期温度对管片结构的碳化寿命影响规律
通过数据拟合可发现，隧道的寿命预测值与年均温度呈线性关系，且拟合程度较高。徐善华的计算方法与标准算得的较为接近，杨晓明的计算方法误差稍大。
角区与非角区的温度对寿命预测值的影响曲线分别如图11所示。
由图11、12可知：隧道内温度越高，温度的影响系数越大，使得碳化系数越大，钢筋临界锈蚀（脱钝化）时间越短。温度升高使得开裂前和开裂后钢筋年均锈蚀速度越快，钢筋锈蚀的时间与钢筋锈胀致使保护层开裂至允许裂缝时间越短，因此温度越高寿命越短，而且当温度超过年均温度 24.3℃时，寿命预测值缩短的趋势明显加快。这与王玉琳[29] 的研究结论基本一致，故通过控制通风有效控制隧道内的温度也可以提高养护效果。3 种方法预测的规律基本一致，徐善华的预测方法比较保守。
图11 角区的温度对寿命预测值的影响曲线
Figure11 Influence curve of temperature in corner zone on life prediction
图12 非角区（其余地区）的温度对寿命预测值的影响曲线
Figure12 Influence curve of temperature in non-corner zone (other zones) on life prediction
3.3 隧道运营期 CO2 体积分数对管片结构的碳化寿命影响规律
对角区与非角区（其他地区）的数据进行拟合 （图13、14）可知：隧道寿命预测值与隧道内 CO2体积分数大致呈线性关系。同时，通过 3 种计算方法得到的关系式，斜率都较为接近，拟合程度也很高。
图13 角区的 CO2体积分数对寿命预测值的影响
Figure13 Effect of CO2 volume fraction in corner zone on life prediction
图14 非角区（其他地区）的 CO2体积分数对寿命预测值的影响
Figure14 Effect of CO2 volume fraction in non-corner zone (other zones) on life prediction
由图13、14可知：3 种方法的预测规律基本一致。计算方法中 CO2的体积分数仅影响钢筋的脱钝化时间。CO2体积分数越高，影响系数也越大，碳化系数越大，脱钝化时间越短，管片结构寿命越短。总体上 CO2体积分数对寿命的影响幅度相对较小，但仍基本呈线性关系。杨静[30] 通过试验得出 CO2体积分数越大，碳化深度越大，碳化速度也越快；谢东升[31]在试验中发现：当 CO2体积分数为 10% 时，混凝土的碳化深度与 CO2体积分数的平方成正比，当 CO2体积分数不断升高后，碳化深度增长的幅度小于 CO2含量的增长幅度。不同学者的试验结论基本相似：CO2体积分数越大，结构构件寿命越短。因此，3 种方法预测的CO2体积分数对隧道寿命的影响规律基本合理，本隧道结合实际情况推荐使用基于徐善华法和规范法的预测方法作为隧道养护决策的参考方法。
4 结论
水下隧道混凝土管片结构的碳化寿命的主要影响因素包括：相对湿度、温度以及 CO2浓度等。针对南京定淮门隧道实际工程，根据杨晓明、徐善华和标准提出的不同锈胀裂缝宽度与钢筋锈蚀深度预测方法，分别建立了基于裂缝限宽的运营期隧道混凝土衬砌结构碳化寿命预测方法，有效揭示了隧道衬砌结构碳化寿命的影响因素和规律，为隧道养护方案决策提供了参考，得出如下主要结论：
（1）南京定淮门隧道 C60 高性能混凝土衬砌结构保护层厚度为 50 mm，隧道内年均温度为 24.3℃，环境相对湿度为 73%，钢筋直径为 32 mm，通过建立的 3 种基于裂缝限宽（0.2 mm）的衬砌结构碳化寿命预测方法（杨晓明法、徐善华法和规范法）预测的最终碳化寿命分别为 154.8 年、109.4 年、115.4 年；徐善华法预测值最小，略小于规范法，偏于保守，杨晓明法预测值相对最大，偏于不安全，建议谨慎使用。3 种方法预测寿命均满足百年服役寿命设计要求。
（2）通过 3 种不同方法对比分析了相对湿度、温度和 CO2浓度对隧道寿命预测值的影响规律，其中温度的影响最大，CO2浓度的影响幅度较小。结合其他学者的试验研究，CO2浓度会对试验结果产生影响，因此仍应引起重视。
（3）运营期环境的变化对衬砌结构的寿命有影响。通过养护方案的优化，可以有效提高衬砌结构的碳化寿命，结合实际工程运营条件，进行隧道衬砌结构寿命的影响因素及规律分析为养护方案优化提供理论依据，具有重要实际价值；通过通风降低隧道内温度、交通管控减少隧道内堵车等措施，降低 CO2 浓度，有效改善隧道运营环境，延长隧道服役寿命。
