地鐵隧道球鐵壁板的開發研究與市場前景綜述

吳成玉，王偉民，李仲剛，關 健，鐘衛東，吳 鎮

（1.大連開發區永誠機電有限公司，遼寧大連 116600；2.齊齊哈爾第一機床有限公司，黑龍江齊齊哈爾 161005；3.中國鐵道學會鐵道安全委員會，北京 100083；4.大連市普灣新區豐榮辦事處，遼寧大連 116200）

1 國內外隧道工程質量的差距及改進必要性

國外發達國家早在上個世紀七十年代就開始研究改進隧道工程內壁的支承防護安全措施。1975年英法兩國合作建設世界著名的英吉利海峽地鐵隧道，為確保隧道工程質量的絕對安全，在工程前期曾作過在服務隧道中分別進行過擴張型混凝土砌塊和厚度為360 毫米鋼筋混凝土砌塊砌筑隧道拱璧支承防護，經檢測對兩種襯砌結構的隧道壁軸線水平位置處的環向壓應力值分別為平均3.4MPa和3.8MPa，并且測出在環向壓力拱弧壁向內側偏移了20 毫米，其平均壓應力僅僅是襯砌拱壁承受全部圍巖壓力和海水壓力情況下所產生的內應力的一半。在隧道內多點檢測結果表明,混凝土砌塊砌筑隧道拱壁不適用于地鐵運行隧道的高應力地段的工程質量要求。最后決定采用弧形球鐵隧道壁板用螺栓聯接成圓管形全周整體支承防護結構（圖1），而球鐵管壁外徑與盾構機挖成的圓孔道之間的空隙用高強度速凝水泥砂漿充填搗實形成牢固密封為一體的高強度隧道支承防護結構，成為世界地鐵建筑史上的典范。1990 年建成投產運行至今，隧道安全可靠，從未出現任何工程質量事故。事實證明，采用球鐵隧道壁板支承防護結構是最安全、施工安裝快捷的隧道支承防護措施。隨后日本于1991 年開始在所有隧道中普遍采用球鐵壁板支承防護結構，截止2006 年底，日本已建和在建的隧道工程總數為241 項，全部都采用球鐵隧道壁板支承結構模式（圖2），這對日本島國多發地震的國家無疑是最具安全保證的千秋大計。丹麥、德國等發達國家不論陸地、江河、海底隧道也都采用安全可靠的球鐵隧道壁板支承結構模式。

圖1 英吉利海峽跨海隧道英國一側的球鐵壁板裝配后兩種規格單元圖片

圖2 日本地鐵兩種規格圖片和地下水道圖片

在我國，地鐵隧道工程建設發展滯后，過去由于我國隧道挖掘主要依靠人工挖掘，當時沒有引進盾構機挖掘施工，隧道工程主要采用混凝土砌塊砌筑拱壁。據悉，時至今日我國有不少大城市已建和在建城市地鐵隧道工程仍采用落后的、安全可靠性低的混凝土砌塊砌筑拱壁形式，這種隧道設計施工技術質量水平要比發達國家落后30～40 年。改革開放以來，我國經濟實力顯著增強，成為世界第二大經濟體，特別是我國有了國產盾構機，為建設標準化、高質量的隧道工程提供了有力的現代化隧道施工技術。從隧道質量安全和施工快捷的角度考慮，在我國隧道工程采用球鐵壁板支承防護，采取安全可靠的技術改進措施應當提到國家相關領導部門的決策程序。據悉，大連至煙臺海底123 公里地鐵隧道工程已納入建設計劃,從千秋大計質量安全考慮，海底地鐵隧道工程壁支承結構應立即取締質量安全沒有保證的混凝土砌塊砌筑拱壁支承結構，尤其應考慮地震因素，地震的能量釋放是由地球深層向地球表面發生高頻搖晃振動，而地表構筑物多數是因抗拉強度過低而遭受嚴重破壞的。據資料【2】取高強度高性能混凝土最高牌號C100 級，其抗拉強度可選取其抗壓強度的1/10～1/20 估算，如考慮有鋼筋預埋件加強，其抗拉強度會有所提高，本案按其抗壓強度的1/5～1/10 選取，C100 級抗壓強度為100MPa 時，其抗拉強度為10MPa～20MPa，而采用球鐵壁板（材質為QT600-3）的抗拉強度是鋼筋混凝土砌塊砌筑拱壁抗拉強度的30～60 倍以上。如果海底隧道工程依然采用混凝土砌塊砌筑拱壁支承防護結構，如遭受強烈地震，必然會使隧道出現局部垮塌透水，傾刻整個隧道全被海水淹沒無法修復。因海水是抽不凈也抽不完的，使整個隧道功虧一簣，全部報廢，同時造成國家財產和生命安全的巨大損失。所以改進和提升隧道壁板結構強度是確保質量安全的當務之急。

2 采用球鐵壁板的優勢及生產工藝簡介

2.1 生產球鐵壁板的主要原材料是鑄造生鐵、稀土硅鎂球化劑、硅鐵孕育劑等。在我國成為鋼鐵大國的情況下，不僅國內原材料供應有保證，而且還大量出口外銷，生產球鐵隧道壁板是隧道建設結構的更新換代的新產品，有利于拉動內需，緩解和改善冶金和鑄造行業產能過剩的局面。

2.2 采用球鐵隧道壁板，不需要重新建設本行業配套鑄造廠，球鐵壁板重量一般在500kg/件～1000kg/件，形狀比較簡單，品種不多，不需要太大的復雜高難技術，可以充分利用社會上現有的鑄造廠稍加技術改造即可，就近尋找鑄造廠家訂貨供應。

2.3 鑄造工藝選擇

由于本產品屬于長方弧形四框帶加強筋的薄壁球鐵鑄件（圖3），又是關系地鐵隧道質量的安全性構件，必須采用先進的鑄造工藝來生產才能確保鑄件的質量要求，最早英國采用樹脂砂脫箱造型生產工藝，因為他們的球鐵壁板重量較小，都在500kg 以下。后來日本改進為V 法造型生產線生產并申請了專利，這一產品成為一家鑄造廠的支柱產品，盈利很大。我們選擇的是國內成熟的鐵型覆砂鑄造生產線生產[1]。鐵型覆砂工藝是利用鑄造粗成形的鐵型內腔表面覆上一層很薄的水玻璃砂襯所形成的鑄型生產鑄件的工藝。這一工藝的主要優點是鐵型內表面覆上一層砂襯后的鑄型，能夠有效地承受高溫鐵液的熱沖擊，型內最高溫度可由600℃降到200℃左右，鐵型的熱應力明顯降低，提高鐵型的使用壽命，使用壽命可達十幾萬次。同時由于鐵型覆砂的鑄型有足夠的強度和剛度，覆砂層硬度高（90 以上），可避免鑄件出現脹砂、沖砂等缺陷。對于球鐵可充分利用鐵液凝固時石墨膨脹而產生組織加工硬化的特性，消除縮孔、縮松等缺陷。本工藝是在雙工位覆砂造型機上對準鐵型射砂孔射砂造型，在0.5MPa 壓縮空氣下，利用顆粒動力學原理氣砂兩相的動能作用，使射砂筒內射入鐵型內腔的砂流連續、緊實，然后利用一側帶槽的壓板壓住鑄型頂面吹入CO2氣，短時間即可使覆砂層硬化，脫模后就可進行噴涂料、合箱澆注。其工藝流程見圖4 所示。

圖3 日本隧道工程用球鐵壁板圖片

圖4 鐵型覆砂鑄造生產線流程圖

鑄件經過拋丸清理后，首先經CT 探傷掃描檢測逐個從頭到尾檢驗，發現有缺陷鑄件立即推出，不漏掉一個廢品，合格品經機加車間銑（或刨）光四周邊框并鉆孔，然后到清洗池清洗后吹熱風烘干，最后噴涂可溶性特種塑料防銹層即可交貨。本工藝主要優點是不產生有害氣體和粉塵污染，是一種用砂量少、無粉塵排放的環保型綠色鑄造。

3 市場前景綜述

隨著我國城市化進程加快，有許多大城市為解決行路難的問題，都在規劃建設地鐵快速通道，我國西部大開發鐵路建設要逐步建成網絡化大通道，也遇到修筑許多穿山隧道的問題，同時南水北調工程也要建設江河地下隧道，大連至煙臺海底地鐵隧道已批準立項建設，湛江至海口等四條海底地鐵隧道也在規劃論證之中，可以肯定的是，從現在起決不能再延用傳統落后的、質量安全無保證的混凝土砌塊砌筑隧道拱壁支承結構，國內以球鐵隧道壁板取代混凝土砌塊砌筑隧道拱壁已是大勢所趨。僅以大連至煙臺地鐵隧道按五年建成為例，每年所需球鐵壁板供貨量就在30 萬噸左右，據初步估計，全國在建和擴建的隧道項目如采用球鐵壁板年需量至少在60 萬噸以上。本研究設計方案同樣適用于公路隧道建設，其壁板需求量更大。同時這種球鐵壁板由于工藝先進、工人用量少、型砂用量少、生產成本較低，在國際市場上也有很大的競爭優勢，具有巨大的出口外銷潛力。因此及早抓緊研制各種規格隧道壁板正處于良好時期，這種高強度球鐵壁板將成為隧道工程的安全構件進入安全質量標準化系列化產品的新版本。

4 結論

采用球鐵壁板組裝成的圓管形整體支承防護結構，既能防滲水，又能防地震，其整體結構的抗拉強度是鋼筋混凝土砌塊砌筑隧道拱壁抗拉強度的30～60 倍以上，是隧道工程建設的重大技術進步。球鐵壁板將成為確保隧道工程質量安全的重要安全構件被廣泛推廣使用于鐵路公路隧道工程建設，具有重大的社會經濟技術和深遠的科學發展價值。

[1]吳成玉,吳鎮.鐵型覆砂鑄造工藝生產球鐵管件之我見[J].中國鑄造裝備與技術.2004(6).

[2]木川富男,重松治平,喜田博三.トンネル用コルゲ-ト型タクタィルセグメントの開発[J].素型材（日刊）.1990(2):7-12.

[3]K B Turner C Eng.,MIBF.The Production of Channel Tunnel Segmments.The Foundryman[J].April,1991:153-157.