Коррозия в условиях подтекания воды в туннеле — ускоряющий фактор потери предварительного натяжения болтов тюбинговых сегментов

Коррозия от инфильтрации воды в туннеле: ускоритель потери предварительного усилия болтов щитовых тюбингов

В марте 2025 г. служба эксплуатации одного из шанхайских метрополитенов при плановом осмотре выявила: участок туннеля, эксплуатируемый всего 7 лет, имеет заметное просачивание воды в швах тюбингов, цинковое покрытие на поверхности болтов местами облезло, а предварительное усилие снизилось более чем на 40 %. Это не единичный случай — большинство случаев просачивания воды в туннелях, с которыми мы сталкиваемся ежегодно, напрямую связано с потерей предварительного усилия из-за коррозии болтов.

Прочитав статью, вы узнаете, как выбирать материал болтов щитовых тюбингов в зависимости от глубины заложения туннеля, давления воды и качества воды, а также как определить необходимость перехода на более надёжную антикоррозионную схему.

Суть проблемы: болты щитовых тюбингов, контактирующие с просачивающейся в туннель водой, корродируют, что служит ускорителем потери предварительного усилия. Коррозия не только непосредственно уменьшает сечение болта, но, что более важно, продукты коррозии (ржавчина) расширяются в объёме и в резьбовой паре создают «фреттинг-износ», в результате чего предварительное усилие снижается со скоростью 0.5%–1.5% в сутки. Когда предварительное усилие опускается ниже 70 % расчётного значения, раскрытие шва тюбинга превышает допуск, просачивание усиливается, и возникает порочный круг «коррозия → просачивание → ещё более сильная коррозия».

Правила соответствия коррозионной среды и выбора болтов

Просачивание воды в туннель — это не просто «равномерная коррозия». В зависимости от глубины заложения, давления воды и её химического состава скорость коррозии болтов может отличаться в несколько раз. На основании стандартов GB/T 1591-2018 «Структурная сталь повышенной прочности с малым легированием» и ISO 898-1 «Механические свойства крепёжных изделий» мы сформулировали три «красные линии» выбора:

Ключевые параметры: в воде, просачивающейся в туннель, с pH 6.5–8.5 скорость коррозии стали Q235B составляет примерно 0.1–0.3 мм/год, тогда как для стали 40Cr в тех же условиях — всего 0.05–0.15 мм/год. Но по-настоящему опасна не равномерная коррозия, а щелевая коррозия и коррозия под напряжением — именно это «ахиллесова пята» высоконагруженных болтов.

Варианты выбора болтов для трёх режимов эксплуатации

Вариант А: стандартный болт тюбинга из стали Q235B — экономичный выбор для обычных туннелей метро

Применяется в обычных участках метро при глубине заложения ≤20 м и давлении грунтовых вод ≤0.3 МПа. Болты из стали Q235B с покрытием горячего цинкования в сочетании с гайками класса прочности 8 с покрытием Дакромет обеспечивают межсервисный период 8–10 лет в среде со средней коррозионной активностью.

Основные параметры:

• Кольцевой болт: M24×200, класс прочности 8.8, толщина покрытия горячего цинкования ≥50 мкм
• Продольный болт: M20×150, класс прочности 8.8, толщина покрытия горячего цинкования ≥50 мкм
• Гайка: M24/M20, класс прочности 8, покрытие Дакромет

Внимание: если pH просачивающейся воды <6.5 (кислая среда) или концентрация Cl⁻ >500 мг/л, срок службы покрытия горячего цинкования сокращается до 3–5 лет. В таком случае рекомендуется переходить к варианту Б.

Вариант Б: высокопрочный болт тюбинга из стали 40Cr — стандартное решение для туннелей с тяжёлыми нагрузками и высоким давлением воды

Для туннелей с глубиной заложения 20–40 м и давлением воды 0.3–0.8 МПа, а также участков метро со сложными геологическими условиями (например, пересечение разломных зон) закалённо-отпущенные болты из стали 40Cr являются отраслевым стандартом.

Основные параметры:

• Высокопрочный кольцевой болт: M30×250, класс прочности 10.9, фосфатирование
• Высокопрочный продольный болт: M27×200, класс прочности 10.9, фосфатирование
• Высокопрочная гайка: M30/M27, класс прочности 10, фосфатирование

Технические преимущества: после закалки с отпуском сталь 40Cr имеет предел прочности ≥1000 МПа и предел текучести ≥900 МПа, что примерно на 40 % выше, чем у стали Q235B. Фосфатная плёнка (толщина 10–20 мкм) даёт дополнительную защиту во влажной среде и не создаёт риска водородного охрупчивания, присущего цинковым покрытиям.

Подтверждающие данные: в ускоренном коррозионном испытании в имитаторе туннельной воды (pH=7.2, Cl⁻=200 мг/л) высокопрочные фосфатированные болты 40Cr сохранили 92 % предварительного усилия через 180 суток, тогда как у болтов Q235B с горячим цинкованием этот показатель составил лишь 78 %.

Вариант В: экстремальный болт тюбинга из стали 40CrNiMoA — окончательное решение для морских и сверхглубоких туннелей

При глубине заложения >40 м, давлении воды >1.0 МПа либо при проходке туннеля через морские или высокосолончаковые пласты обычные легированные стали уже не удовлетворяют требованиям. Болты из стали 40CrNiMoA после вакуумной дегазации в сочетании с гайками класса 12 с кадмиевым покрытием — выбор для решения тройной задачи «сверхвысокое давление воды + сильная коррозия + сверхдлительный срок службы».

Основные параметры:

• Специальный кольцевой болт из легированной стали: M36×300, класс прочности 12.9, вакуумная дегазация
• Специальный продольный болт: M30×250, класс прочности 12.9, вакуумная дегазация
• Специальная гайка: M36/M30, класс прочности 12, кадмиевое покрытие

Почему именно 40CrNiMoA?: этот материал сочетает сверхвысокую прочность (предел прочности ≥1200 МПа) с высоким сопротивлением коррозионному растрескиванию под напряжением. Вакуумная дегазация снижает содержание [H] в стали до ≤2 ppm, полностью исключая опасность водородного охрупчивания. Кадмиевое покрытие (толщина 8–15 мкм) в морской среде в несколько раз устойчивее к коррозии, чем цинковое, и обладает стабильным коэффициентом трения 0.12–0.15, что гарантирует точность контроля предварительного усилия.

Реальный пример: в тоннеле моста Гонконг–Чжухай–Макао на глубине около 45 м при давлении воды 1.2 МПа применялись болты аналогичного класса; расчётный срок службы — 120 лет, за 7 лет эксплуатации зафиксировано ноль случаев коррозионных отказов.

Таблица выбора: быстрое соответствие условий эксплуатации и болтов

«Антикоррозионные» нюансы монтажа и обслуживания

1. Контроль крутящего момента: применять цифровой динамометрический ключ с точностью ±3 %. Рекомендуемое предварительное усилие для болтов 40Cr составляет 70%–80% от предела текучести, для 40CrNiMoA — 60%–70% (для исключения зоны, чувствительной к коррозии под напряжением).
2. Уплотнение: в отверстие болта наносится полиуретановый герметик, препятствующий проникновению воды вдоль резьбовой пары. Для вариантов Б и В рекомендуется применение уплотнительных колец типа O-ring.
3. Периодический контроль: в период эксплуатации каждые 2 года выборочно проверять предварительное усилие 5 % болтов; при потере >20 % выполнять немедленную замену.

Итоги

• Протечки воды ускоряют потерю предварительного усилия болтов, поэтому выбор должен соответствовать коррозионной среде; подбор материала под условия эксплуатации позволяет отсрочить отказ, а таблица решений помогает быстро найти соответствие.
• При выборе болтов в коррозионной среде необходимо одновременно учитывать прочность материала, коррозионную стойкость и чувствительность к коррозии под напряжением.

Следующие шаги

Чтобы получить индивидуальный проект выбора болтов, подготовьте следующие данные:

1. Данные по глубине заложения туннеля и давлению грунтовых вод (единицы: м и МПа)
2. Отчёт о качестве просачивающейся воды (как минимум pH и концентрация Cl⁻)
3. Требования к расчётному сроку службы и межсервисному периоду (единицы: годы)

Подготовив указанные параметры, свяжитесь с нашей технической командой или обратитесь к материалу 7 обязательных отчётов при закупке крепёжных изделий для предварительной оценки.

Заключение: коррозия — не «случайность», а неизбежный результат ошибки в выборе материала

Потеря предварительного усилия из-за коррозии болтов в воде, просачивающейся в туннель, по сути является инженерной проблемой несоответствия материала, среды и напряжений. От Q235B до 40CrNiMoA каждый шаг модернизации — это активный контроль коррозионного риска. Правильно подобранные болты позволяют эффективно контролировать риск протечек в туннеле.

К какому режиму относится ваш туннель? Обращайтесь к нашей технической команде — на основе фактических данных отчёта о качестве воды и глубины заложения мы подготовим индивидуальный проект выбора болтов.

📎 См. также отраслевой сценарий: Выбор материала болтов щитовых тюбингов