新型球墨鑄鐵-鋼筋混凝土組合隧道壁板的開發研究與市場前景綜述

吳成玉，李仲剛，關 健，范純平，路軍富，吳 鎮

（1. 大連市金州新區電器商會，遼寧大連 116600；2. 中國鐵道學會安全委員會，北京 100055；3.哈爾濱鐵路局機車車輛配件廠，黑龍江哈爾濱 150001；4.成都理工大學，四川成都 610059）

新型球墨鑄鐵-鋼筋混凝土組合隧道壁板的開發研究與市場前景綜述

吳成玉1，李仲剛2，關 健2，范純平3，路軍富4，吳 鎮1

（1. 大連市金州新區電器商會，遼寧大連 116600；2. 中國鐵道學會安全委員會，北京 100055；3.哈爾濱鐵路局機車車輛配件廠，黑龍江哈爾濱 150001；4.成都理工大學，四川成都 610059）

由高強韌性球墨鑄鐵-鋼筋混凝土組合隧道壁板是一種涉及鐵路、公路、江河水下和海底隧道及地下油庫倉庫等拱壁的支承防護結構件的新技術、新工藝、新材料。組合隧道壁板主要用于松軟、黃土、斷層、流沙、高地應力等特殊及不良地質地段。采用此組合壁板螺栓連接成圓管形整體全周支承防護結構具有極高的質量安全可靠保證。可以最大限度地降低地震危害，確保各類隧道的安全質量和使用壽命。

隧道工程結構；新工藝；新材料；組合隧道壁板

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20世紀70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的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，決定采用復合施工法，即根據不同地質結構分區段，分別使用全球鐵壁板或鋼筋混凝土弧形板支承防護結構，只在松軟、黃土、流砂、斷層、高地應力等特殊及不良地質地段隧道使用全球鐵壁板，約占全程45公里的1/5，其余4/5堅固巖體地段隧道仍使用鋼筋混凝土弧板襯砌，這樣既保證了工程質量，又有效降低了球鐵壁板的用量（圖1）。

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

而球鐵圓管外徑與盾構機挖成的圓洞壁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，成為世界地鐵建設史上的典范。隨后日本于1991年開始在隧道工程建設中在3/10的地質結構松軟、流砂、黃土、斷層、高地應力等特殊及不良地質地段使用了全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，絕大部分都采用球鐵隧道壁板支承防護結構模式（圖2）。

圖2　日本地鐵兩種規格圖片和地下水道圖片

其他發達國家不論陸地、海底隧道也都相應的采用了安全質量可靠的球鐵隧道壁板支承防護結構模式。

在我國，隧道工程建設發展滯后30年。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，一直采用新奧法設計施工，使用鋼筋混凝土二次襯砌或一次襯砌隧道拱壁，其材料結構特性屬于脆性材料，結構強度及延性較低。我們從“5.12”汶川大地震國家自然災害鑒定研究專家組成員和四川省公路設計院向院長及西安鐵路局龍京局長那里得到現場材料證實：共造成汶川、北川等重點震區周圍（川、陜、甘）18條公路的56座隧道垮塌，震塌的點位達1 000處以上；在三省范圍內有多座鐵路隧道被震塌。又悉2014年4月2日發生在吉林琿春小盤山1號正在施工的鐵路隧道總長為6 287 m，有1 000 m3塌方。在城市建設地鐵工程現場發生隧道拱壁垮塌的事故也時有報道。所有災害現場鑒定表明，改進和提高隧道拱壁支承防護結構的承載能力和工程質量安全可靠性，已經是刻不容緩的重大研究課題，勢在必行。

2　采用組合隧道壁板新技術是確保隧道工程質量安全的根本措施

1）技術背景簡述

目前，多數國家一直都沿用新奧法的基本原理進行隧道工程的設計施工，我國特別在城市地鐵和穿山隧道工程等更是重點采用先進的淺埋暗挖法設計施工[1],其核心技術是施工中采用多種輔助技術措施先加固圍巖，充分調動和利用周邊圍巖的自承能力，正式開挖后及時支護、封閉成環，使其與圍巖共同作用形成聯合支護體系，是一種有效抑制圍巖發生過大變形的配套施工技術，這是目前國內常用的施工方法。依據新奧法的設計思想，首先臨時加固圍巖體，開挖成洞后及時進行一次襯砌拱壁作為主體承載結構，待初期支護穩定后，再作二次襯砌拱壁作為安全儲備和裝飾等。例如公路隧道洞內支模,二次襯砌是厚度有所不同的鋼筋混凝土弧形板結構。二次襯砌鋼筋混凝土全部凝固時間約在26天以上，而二次砌筑拱壁的材料和人工費用約占總投資的1/3～1/2，日完成進度非常緩慢，其工藝較復雜，施工周期長，建設費用高，制作模板臺車，作業環境差。

2）將大大提升隧道工程質量和施工進度

組合隧道壁板工藝是在原有淺埋暗挖法先進施工工藝的基礎上，仍然適用于復合法施工。在地質條件不好的區段使用將事先制造好的高強韌性球鐵弧形壁板與鋼筋混凝土弧板吻合連接為一體的組合壁板，在先加固圍巖體，盾構開挖成洞后，根據隧道直徑大小在不搭建腳手架或部分搭建腳手架的條件下，直接進行一次性襯砌拱壁,在安裝每一塊組合壁板連接面都加上耐腐蝕抗老化膠墊或涂刷防水粘接劑，環與環連接也照此處理，在安裝完的組合壁板外徑全部包覆防水纖維布用防水膠合劑貼緊凝固干燥后，要在圓環下部兩側加斜塊調中固定，在圓環外徑與盾構成形的洞壁之間間隙直接充注速凝水泥砂漿固定。約等數小時注漿等效層即可凝固（圖3）。

圖3　組合隧道壁板與注漿體等效層示意圖

這樣可以配合高效盾構機邊向前掘進，邊加固圍巖體，邊安裝組合壁板，邊注漿等效層固定，這樣施工進度要比二次襯砌拱壁提高工效3～5倍以上，實現了主體承載組合壁板在隧道外面工廠化生產組合成單塊隧道壁板，運到洞內在盾構機的拼裝機上安裝成環，一環接一環的不斷向前推進，形成了連續化施工作業，縮短了洞內的作業時間，最大限度的提高工作效率，大大節省了人工費用。

3）有力推進隧道工程的科技進步

a.組合隧道壁板充分利用了球墨鑄鐵抗拉強度、伸長率、耐腐蝕性能都高和鋼筋混凝土抗壓強度性能強的優勢，這種組合結構的隧道壁板由于利用和發揮了各自的材料優良特性，其最大技術特點是兩種組合后的結構性能超過了原有兩種材料各自的力學性能，比如高強度混凝土C50級的抗壓強度為50 MPa，其抗拉強度只有5 MPa，其延性很小；而高強韌性球墨鑄鐵選用牌號為QT600-9作為主要支承組合構件，其抗拉強度為600 MPa，伸長率為9%，僅抗拉強度要比高強度混凝土構件（C50）高出120倍，我們設計球鐵壁板時只選用其1/10的材料，就可以使組合壁板的綜合抗拉強度提高12倍以上，即達到60 MPa，其伸長率為9%更具有在外力劇增的情況下具有彈性變形能力而不破壞。這就形成了結構更合理，綜合力學性能更高的隧道支承防護體系。由于球墨鑄鐵件初始形成了銹蝕保護膜，減緩了銹蝕的發展，它在3%的堿溶液、飽和鹽水、氨液和濃硫酸等介質中的耐腐蝕性能大大高于普通鋼和耐候鋼，完全可以與鋼筋混凝土組合各種優良材料特性互相支援，既完善了結構行為，又極大提高了組合構件的使用壽命和工程質量安全可靠性。英國江河上的大橋用耐候鋼做組合構件設計壽命為120年，但規范中聲明在沿海受潮濕、鹽霧影響嚴重的區域不應使用耐候鋼構件。我們研發的高強韌性球鐵組合隧道壁板既有綜合高強度，又能長久耐腐蝕，設計壽命可達120年以上。

b.在組合隧道壁板安裝施工過程中和運營階段，配套提供整個各類隧道各區段、各關鍵部位的物聯網質量安全監測系統的設備與技術。為確保各類隧道結構的長期安全監測預報提供技術支持。

C.球鐵壁板采用鐵型覆砂鑄造工藝生產[2]，防止鑄件出現內壁遷移、縮松、縮孔等鑄造缺陷。對于彎道部分的球鐵壁板等其他復雜鑄件則采用V法鑄造工藝生產。配備鑄件在線超聲波檢測系統對鑄件質量進行檢測，并對合格品編碼打號。

3　市場前景綜述

我國已把基礎設施建設放在優先發展的位置進行統籌安排，西部大開發國家投巨資進行鐵路公路網絡大通道建設，以及沿海地區即將展開的海底鐵路隧道建設，不論陸地或海底的鐵路、公路都將遇到隧道建設的問題，總結以往的經驗和教訓，應該在各類隧道建設方面采用復合法設計施工，在遇到地質結構斷層、黃土、流沙、松軟、高地應力等特殊及不良地質地段必須相應采取高強韌性球鐵-鋼筋混凝土組合隧道壁板襯砌拱壁，而在地質結構堅硬巖體地段仍采用鋼筋混凝土進行一次襯砌或二次襯砌，這樣才能科學有效地預防和降低地質災害的危害，全面提升隧道的安全質量和整體抗震強度。

我國的地質構造與日本相近似，可按隧道里程的3/10計算采用球鐵組合隧道壁板襯砌拱壁，列入“十三五”計劃的煙大海峽126公里海底隧道按“兩道一服”三線總里程約為370公里，其3/10采用球鐵組合隧道壁板襯砌拱壁，總需求量在111萬噸左右，以8年建成計算每年需求量在14萬噸左右，加上其他四條海底隧道和鐵路公路及城市地鐵隧道不良地質地段每年總需求量預計在40萬噸至50萬噸左右，同時這種組合隧道壁板由于工藝先進、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球鐵組合隧道壁板正處于良好時機，這種高強度球鐵組合隧道壁板將成為隧道工程系列化產品的高端安保產品，被廣泛推廣應用。

4　結論

采用高強韌性組合隧道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二次襯砌鋼筋混凝土隧道壁板抗拉強度的5～9倍以上，提高施工進度3～5倍以上，是隧道工程建設的重大技術進步，高強韌性球鐵組合隧道壁板將成為確保各種隧道工程質量安全的重要安全構件被廣泛推廣應用，具有重大的社會經濟技術價值。

［1］ 王夢恕，等.中國隧道及地下工程修建技術［M］，北京:人民交通出版社，2010.

［2］ 吳成玉，王偉民，李仲剛，關健，等.地鐵隧道球鐵壁板的開發研究與市場前景綜述.［J］中國鑄造裝備與技術，2013（3）:8-12.

［3］ 陶龍光,劉波,侯公羽編著.城市地下工程（第二版）［M］.北京:科學出版社,2011.5.

［4］ 王明年,路軍富,劉大剛,于麗編著.海底隧道全壽命安全監控量測技術［M］.北京:人民交通出版社,2012.3.

［5］ 葛勝錦,余培玉,劉士林編著.鋼—混凝土組合橋梁設計［M］.北京:人民交通出版社，2010.9.

Review of development research and market prospect on the new type ductile iron and reinforced concrete slab of tunnel

WU ChengYu1, LI ZhongGang2, GUAN Jian2, FAN ChunPing3, LU JunFu4, WU Zhen1
(1. Dalian jinzhou new district electric chamber of commerce, Dalian 116600, Liaoning, China; 2. China railway society safety committee, Beijing 100055, China; 3. Harbin railway locomotive vehicle accessories factory, Haerbing 150001, Heilongjiang, China;4. Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, Sichuan, China.)

The wall slab of high strength ductile iron and reinforced concrete tunnel is a new technology, new process, new material in relation to bearing and protection structural element used for railway(include city subway), highway, river underwatertunnel, submarine tunnel and underground oil store(include mattamore, grain depot, Fruit and vegetable base, parking lot, strengthening plant protection wall, air-raid shelters and so on). The wall slab of combination tunnel mainly used in special and bad geological section such as soft,loess, fault, high ground stress section and so on. It is a reliable guarantee for high quality and safety to use entirety full-wave support protection (include oval, horseshoe, arch and so on) connected by composite panel bolts. This way can reduce earthquake hazards and ensure safety and service life of all kinds of tunnel.

Tunnel Engineering; New Technology; New Material; Combination Wall Slab Of Tunnel

TG255；

A；

1006-9658（2015）06-0001-03

10.3969/j.issn.1006-9658.2015.06.001

2015-06-20

稿件編號:1506-974

吳成玉（1937—），男，高級工程師，從事鑄造工藝及設備設計.