高温地下水与硫酸盐侵蚀耦合作用下隧道衬砌的劣化机理及安全性能演化

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Deterioration mechanisms and safety performance evolution of tunnel linings under coupled high-temperature groundwater and sulfate attack

　　

•揭示了水热硫酸盐腐蚀环境下隧道衬砌的多尺度劣化机理。•采用分级评估法量化了不透水性能的退化。•阐明了热蚀耦合作用下隧道衬砌的力学响应规律。•提出了基于安全概率的受热蚀衬砌分级方法。引言随着我国西部山区深埋长隧道及交通基础设施的持续推进，地下工程越来越多地进入水热活跃区、活动断裂带和深部富水地质构造区域。因此，高温富水地层耦合条件下的工程难题日益突出。与干热岩隧道主要依靠围岩传导热量不同，水热隧道同时受到围岩环境温度传导和高温地下水沿岩石裂隙迁移进入开挖空间及支护体系的双重影响（Chen等，2024；Guo等，2010；Wang等，2024）。在深部地热能循环及水岩相互作用过程中，地下水会溶解并携带各种化学盐类，使得水热环境具有较强的腐蚀性（Leemann和Loser，2011；Xiao等，2024）。针对地热地下水的地球化学调查显示，在受活动断裂和地热储层控制的区域，硫酸根离子存在极高的富集现象。具体而言，在四川—云南地区的龙门山断裂系统和云永高速吉未山段，硫酸盐浓度分别高达3829 mg/L和3540 mg/L（Wang，2012；Yan等，2021）。隧道开挖必然破坏围岩内部裂隙的连通性，为高温地热地下水渗入开挖损伤区并与早期养护阶段新施喷的混凝土相互作用提供了直接的优势通道。在这一阶段，喷射混凝土的水化过程和强度发展尚未稳定。水热环境与高浓度化学离子的耦合作用，显著改变了早期结构形成和长期性能演化（见图1）。这对隧道支护体系的全寿命周期承载能力和耐久性构成严重的潜在威胁（Cui等，2016；Du等，2025）。针对高地热隧道环境中水硬性支护材料的性能劣化问题，以往研究主要关注热环境、宏观力学响应以及潜在的微观结构损伤机理。在高地热隧道中，围岩热量持续作用于初期喷射混凝土支护和二次衬砌，使支护结构长期暴露于非均匀温度场中。Wang等（2020）建立了围岩—支护结构热传导模型，以定量评估向支护体系的热量传递，指出持续的热量传导会使内部温度分布和结构应力状态发生偏移。相关研究还表明，施工过程中温度场的时空演化受围岩温度、通风条件、支护厚度以及隧道内部对流换热边界的控制，导致包围支护材料的热环境呈现显著的空间异质性和持续性（Bellmann等，2006；Pradhan，2014）。这些成果表明，高地热条件对支护材料的影响并非简单的外部加热过程，而是与围岩传热、隧道环境通风及结构边界条件紧密耦合。在宏观力学行为方面，高温显著影响水硬性材料的强度、刚度和变形能力。Zhao等（2022）研究了聚合物混凝土在极端干热暴露下的表现，发现高温会改变内部孔隙结构并严重削弱抗压性能。热养护和受热暴露试验进一步表明，虽然高温可加速早期水化并提高早期强度，但长期暴露或更高的温度阈值会导致后期强度、弹性模量和抗裂能力不同程度的降低（Peng等，2022；Song等，2024）。Luo等（2024）和Zheng等（2018）研究了喷射混凝土的耐热性及其在热荷载下的结构性能，得出结论认为地热效应会降低初期支护的有效刚度和结构稳定性，从而危及开挖安全。因此，热效应对支护材料的影响具有明显的阶段性：短期内表现为水化加速和强度增强，但在长期或高强度热暴露下则转变为力学性能的退化。在损伤萌生方面，温度梯度及其产生的热应力是混凝土开裂和性能丧失的主要驱动力。Peng等（2025）的研究表明，温度梯度引起的非均匀热应力分布驱动微裂纹的萌生与扩展，这是热损伤的关键机理。其他研究指出，快速升温、内外温差和温度循环会在混凝土内部诱发错配热变形，使集料—浆体界面过渡区（ITZ）成为微裂纹优先扩展的位置（Ortiz等，2009；Wang等，2025）。对于隧道初期支护而言，其邻接围岩一侧持续受到高温热源作用，而外露一侧则受隧道通风和施工环境影响。这种边界非对称性加剧了内部温度梯度和局部应力集中。因此，高地热环境的有害作用不仅取决于绝对温度水平，还取决于非均匀温度分布、累计热应力以及早期抗裂性能的不足。在微观尺度上，高温通过干预水化动力学、孔隙结构演化和微裂形态，改变水硬性材料的行为。Scrivener等（2015）强调，温度变化会直接干扰水泥基材料的物理化学水化过程，改变水化产物的形貌和空间分布。Ma等（2015）系统综述了高温下混凝土力学退化的多物理场耦合机理，认为热效应通过水化产物演化、孔隙结构粗化、内部水分迁移和微裂纹扩展共同控制材料性能。此外，微观结构分析证实，高温养护会改变水化产物的形貌、孔径分布和界面过渡区构型，并将孔隙粗化和微裂纹增生确定为宏观性能损失的主要微观结构诱因（Ma等，2026；Tang等，2025）。显然，高地热条件下水泥基隧道支护的劣化具有明显的多尺度特征：围岩持续传热体现于工程尺度，温度梯度和热应力主导结构尺度，而水化过程、孔隙构型和微裂纹网络的变化则控制着材料尺度。除热效应外，地下水中腐蚀性离子的传输与反应是控制水泥基隧道支护长期性能演化的另一关键因素。混凝土支护结构在其服役期内暴露于复杂的地下 aqueous 环境中。在海底隧道、沿海隧道、盐土区以及地下水受污染的富水地层中，氯盐、硫酸盐等侵蚀性介质通过连通孔隙、微裂纹和施工缺陷渗入混凝土基体，持续损害其微观结构、力学性能和耐久性（Lei等，2013；Liu等，2024）。其中，硫酸盐侵蚀是地下水环境中典型的劣化模式。当初期支护和衬砌暴露于富含硫酸根离子的地下水或地热水中时，特别容易受到长期化学侵蚀。混凝土内部的连通孔隙、毛细通道和微裂纹是离子传输的主要通道。腐蚀性离子通过毛细吸力、浓度扩散和水力渗流迁移进入水泥基体，并随着暴露时间的延长向结构核心不断深入。因此，混凝土的孔隙连通性、密实度和微裂纹密度直接决定了离子侵入速率和腐蚀深度。Chen等（2017）研究了高浓度氯盐和硫酸盐复合环境下的离子渗透行为，发现侵蚀性介质与水泥基体之间复杂的物理化学相互作用会破坏微观结构完整性、削弱粘结强度，并引发表面剥落和裂纹扩展。Lim等（2000）进一步指出，混凝土的离子渗透性在不同应力状态下有所不同，拉伸区比压缩区更容易受到离子侵入和耐久性退化的影响。一旦侵蚀性离子进入混凝土，它们会与水化产物发生反应，引起内部结构和力学变化。硫酸根离子与水化铝酸钙和氢氧化钙反应，生成钙矾石和石膏等膨胀性晶体产物。Irassar等（2003）指出，硫酸盐侵蚀通常经历离子扩散和化学反应两个明显阶段，腐蚀产物的不断累积会逐渐重构内部基体。Zhang等（2024）认为，膨胀性或可溶性腐蚀产物的形成是混凝土开裂、剥落和强度损失的根本原因。因此，硫酸盐引起的混凝土劣化在宏观上表现为膨胀开裂、表面剥落、质量损失和强度衰减。腐蚀损伤的进程由材料组成和外部环境条件共同控制。一般而言，密度更高、连通孔隙率更低的混凝土对侵蚀性离子的侵入具有更强的抗力。水灰比、胶凝材料组成、孔隙率、界面过渡区特征和水化程度等材料参数，从根本上决定了离子传输及随后的腐蚀反应（Mehta和Monteiro，2005）。同时，干湿循环、高水压梯度、暴露持续时间、环境湿度、溶液pH值、侵蚀液浓度和温度等外部因素也会显著改变腐蚀速率和损伤程度（Jin等，2006；Zhao等，2020）。不同侵蚀介质中的主要腐蚀产物和损伤模式也有所不同。例如，在硫酸钠环境中，较高的溶液浓度可改变主要腐蚀产物的沉淀特征，加剧内部结构损伤（Meng等，2023；Zhang等，2021）。在多离子环境中，氯离子与硫酸根离子之间的竞争性迁移或反应耦合进一步增加了劣化过程的复杂性。随着腐蚀的推进，微观结构损伤不可避免地升级为宏观性能劣化，表现为表面形貌改变、质量损失、抗压和抗折强度降低、弹性模量下降、渗透性增加以及严重的微观结构破坏。Nie等（2016）证明，混凝土的长期力学性能在硫酸盐侵蚀下出现明显衰减，随着暴露时间延长，损伤逐渐由表层向核心扩展。在隧道结构层面，Jin等（2009）建立了考虑混凝土碳化、离子扩散和弯拉荷载耦合作用的胶州湾海底隧道衬砌寿命预测模型。He和Xu（2021）建立了隧道衬砌腐蚀离子侵入分析模型，并基于损伤力学研究了衬砌结构的全寿命周期安全性能。这些研究强调，化学侵蚀不仅会在材料层面引发微观结构损伤和力学退化，还会直接破坏隧道支护结构的长期承载能力和服役安全。综上所述，目前针对高温或侵蚀环境下单因素条件下隧道混凝土材料和衬砌结构性能的研究已较为丰富，为复杂条件下的材料优化和支护设计提供了有价值的见解。高温会改变早期水化动力学和孔隙结构发展，而腐蚀性离子的侵入会引发腐蚀产物形成、内部损伤累积和力学性能退化。然而，水热高地热环境特有的协同"热—化学"损伤机理，远比传统干热或常温化学侵蚀环境复杂。一方面，高温加速水分蒸发，导致侵蚀性盐溶液快速饱和，并增强浓度梯度驱动的离子迁移；另一方面，更高的温度提高了分子活化能和分子间碰撞，从而加速腐蚀性离子扩散并提高腐蚀产物的物理化学反应速率。特别是在喷射混凝土早期养护阶段，高温水环境与侵蚀性离子同时作用于水泥水化、孔隙结构形成和后期性能演化。这种协同耦合作用显著放大了腐蚀损伤，加剧了内部结构破坏，使得混凝土劣化模式与单热作用或常规盐腐蚀环境下的情形根本不同。然而，目前鲜有研究探讨高温地下水与硫酸盐侵蚀的耦合效应对混凝土性能的影响。基于当前研究现状和迫切的工程需求，本研究聚焦于水热高地热隧道中的初期喷射混凝土支护，系统研究其材料劣化机理和结构安全性能。采用结合宏观力学试验、抗渗试验、微观结构表征和数值模拟的多尺度方法，系统阐明混凝土在热—化学耦合作用下的损伤演化与劣化机理。

在此基础上，引入分形维度理论，建立孔隙结构演化与宏观力学性能之间的定量关联。同时，通过数值模拟，将材料劣化规律扩展到评估隧道初期支护结构的力学安全性。最后，依据工程标准，针对不同工况定义安全评估等级，明确支护结构的安全性演化规律（如图2所示）。本研究结果旨在为优化支护设计、控制施工质量、提高热水地热隧道初期支护的耐久性提供坚实的理论支撑和实用的技术参考。

2.1 材料与试件制备

本研究使用的水泥为华新水泥（西藏）有限公司生产的P.O 42.5普通硅酸盐水泥，28d抗压强度不低于42.5 MPa，密度约为2.5 g/cm3，初凝时间不早于125 min，终凝时间不晚于235 min。其主要化学成分见表1。选用F类Ⅱ级粉煤灰作为矿物掺合料，其化学成分见表2。

硬破碎 轴向抗压强度

在热水地热隧道工况下，混凝土的抗压强度呈现出明显的阶段性演化特征，表现为先增强后劣化（见图9）。在常温条件下，在净水（0%硫酸盐浓度）中养护的试件强度呈逐渐增加后趋于稳定，而在15%硫酸盐溶液中暴露的试件在60 d后进入劣化阶段，强度降低幅度为……

隧道衬砌稳定性计算模型的建立

本研究调查的工程为典型的热水地热隧道，高度约10 m，宽度约8 m。所选隧道断面的埋深约为100 m，纵向开挖长度取12 m。为尽量减少边界效应，模型侧向边界距隧道约40 m，底边界位于隧道下方30 m处，隧道上方覆盖层厚度……

孔隙结构的分形分析

混凝土孔隙体系具有不规则几何形态、随机分布和高度复杂的内部结构特征。因此，可采用分形维度分析来量化孔隙结构的复杂性。根据硫酸盐侵蚀前后NMR测试获得的T?谱，可计算孔隙结构的分形维度。根据分形几何理论，如果孔隙网络遵循分形特征，则半径……

结论

本研究通过室内试验、微观结构分析、理论建模和数值模拟，研究了高温地下水与硫酸盐侵蚀耦合作用下初期支护混凝土的性能演化与耐久性机理。主要结论如下：

（1）高温热水条件与硫酸盐侵蚀的耦合效应显著改变了混凝土的力学演化过程，加速了其从早期……

CRediT作者贡献声明

卢毅：写作—审阅与编辑，写作—原稿撰写。胡云鹏：指导，方法论。王明年：指导。陈自全：数据整理。卢俊福：形式分析。郑明明：方法论。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到国家自然科学基金（52208387）、四川省科技—教育联合基金（批准号：2026NSFSC1961）、贵州省科技计划基金（批准号：QKHJC-MS(2025)038）以及中国博士后科学基金（2023M744103）的资助。

卢毅|胡云鹏|王明年|陈自全|卢俊福|郑明明