城市地下空間開發新型材料的現狀與發展趨勢

吳弘宇，董梅，韓同春，徐日慶，龔曉南

（1.浙江省城市地下空間開發工程技術研究中心，杭州310058；2.浙江大學濱海和城市巖土工程研究中心，杭州 310058）

一、前言

近年來，由于我國經濟迅速發展、城市人口急劇增長，為解決城市交通與環境問題，修建各式地下工程成為必然趨勢，如各種點狀地下空間設施[1]（站前廣場、市民廣場、綠化廣場等）、線性地下空間設施（地鐵、綜合管廊、排水暗溝等）以及網絡狀地下空間。城市地下空間開發有利于國土資源的充分開發利用，但同樣面臨著許多問題與挑戰。工程中采用何種材料將極大地影響施工進度以及施工質量。因此，研究新型高效的工程材料是地下空間開發領域一個重要而緊迫的問題。

城市地下空間因其開發環境復雜，周邊構筑物密度大的特點，不僅要保證開挖、支護的安全施工，同時還要盡量減少對周圍構筑物的影響。且隨著地下空間開發向更廣、更深方向發展，亟需新型材料支撐工程技術的發展。本文從開挖機械材料、支護材料、環境保護材料三個方面出發，首先分析了當前城市地下空間開發過程中所使用的主流材料及其優缺點，例如盾構刀圈刀具易磨損、崩裂；鋼筋混凝土盾構管片工藝簡單但易破損、生產繁瑣；傳統支護方法水泥用量大，污染嚴重；水泥注漿簡單可靠但可灌性差，化學注漿可灌性好但有毒、耐久性低等。然后，對新型材料的使用現狀以及未來趨勢進行分析，如粗晶硬質合金刀具、纖維混凝土管片、超細水泥注漿等，有些仍處于試驗階段，但擁有不錯的發展前景，如自愈合混凝土、生物注漿等綠色環保材料。最后總結了地下空間開發過程中各類型材料存在的問題，并提出未來的發展方向，為今后的材料研發提供參考依據。

二、開挖機械材料

在城市地鐵隧道施工中，最常用的施工機械是盾構機。盾構機在施工過程中，通過刀盤上的刀具對前方巖土進行切削，刀具大體可分為滾刀與切刀兩類。刀具的性能和壽命直接影響整個盾構進程的效率。刀具的失效形式主要包括刀具磨損、刀圈崩裂、軸承或密封損壞，以及合金脫落。因此高性能的滾刀刀圈、切刀刀頭、堆焊材料缺一不可。

（一）刀圈材料

對于堅硬的巖石，盾構機利用滾刀對巖石進行滾壓破巖，滾刀刀圈在掘進過程中，不僅受到徑向的破巖壓力，還與巖石發生強烈的摩擦。因此需要刀圈材料具備極高的硬度、強度以及沖擊韌性[2]。

國內的刀圈材料一般選取H13熱作模具鋼，但是其含碳量稍低，不夠理想。株洲硬質合金集團有限公司生產了一種新型可鍛硬質合金刀圈[3]，其表面硬度達到60 HRC以上，沖擊韌性≥15 J/cm2，其性能與國外產品相當。該種硬質合金具有良好的淬透性、淬硬性和紅硬性，并且硬度呈梯度分布，入口硬度高且耐磨，內部硬度低韌性好，不易崩壞，兼具耐磨性和抗沖擊性。

（二）刀頭材料

硬質合金是盾構刀具的常用材料。導致刀具失效的主要原因為沖擊、沖擊疲勞以及熱疲勞裂紋。因此，要求刀具具有高導熱性和低熱膨脹系數，以限制熱裂紋的生長速率，提高刀具的耐沖擊疲勞。

硬質合金按碳化鎢（WC）晶粒度可以分為納米晶、細晶和粗晶等。根據瑞典Sandvik公司的標準，晶度大于3.5 μm則可以歸于粗晶硬質合金。

目前國際上先進的掘進機械工具刀頭都采用特粗晶硬質合金材料。粗晶硬質合金因其晶粒尺寸較大，與傳統硬質合金相比，具有更強的硬度、沖擊韌性、紅硬性，以及更高的導熱率[4]。有研究認為硬質合金晶度在3～5 μm時的性能最佳，耐磨并且不易破碎[5]。

（三）堆焊材料

為保證在盾構施工過程中，硬質合金刀頭不會與母體分離，通常會在硬質合金的母體周圍堆焊耐磨層。普通的鑄造碳化鎢焊條由于WC含量過高導致表面裂紋很多，焊層易脫落，不耐沖擊。

目前國內外市場上的高溫耐磨材料主要分為三類：鈷基、鎳基和鐵基高溫耐磨堆焊材料。鈷基、鎳基材料耐磨耐高溫，綜合性能優異，但其價格昂貴，在應用成本上沒有優勢。研究人員通常在鐵基中添加少量的Cr、W、Mo、V、Ti等元素以提升材料性能，制備出的耐磨合金硬度可達70 HRC。目前的鐵基堆焊材料耐磨性能都比較好，但高溫工作性能較差。因此保證鐵基耐磨焊條在650℃高溫仍具有相當的可靠性能具有重大意義[6]。

三、支護材料

在盾構施工中，預制管片是主要的襯砌結構。管片必須滿足工程所要求的抗壓、抗變形、抗滲防漏、服役年限等要求，因此管片材料的選擇極為重要。目前的盾構管片主要以鋼筋混凝土管片為主，但其有如下一些缺陷[7]：①運輸安裝過程中邊角易破損，如圖1所示[8]；②易產生裂縫，影響耐久度；③耐火性較差；④鋼筋配置繁瑣，生產功效低等。除此之外，傳統的支護方式因其水泥用量大，會造成材料浪費及環境污染，新型綠色支護技術及材料有助于解決這些問題。

圖1 管片破損示意圖

（一）預制管片材料

1. 纖維混凝土

纖維混凝土管片主要采用高模量的鋼纖維與低模量的聚丙烯纖維，取代傳統鋼筋混凝土管片中的部分甚至全部鋼筋。

纖維混凝土管片與普通混凝土管片相比，主要優點包括[9]：抗拉、抗彎、抗剪等力學性能提高；韌性增強，耐疲勞性能提高；抗凍、耐熱、耐腐蝕等化學性能提高。鋼纖維混凝土的抗疲勞性能為普通混凝土的10倍[10]，其中聚丙烯纖維還可以提升管片的抗火性能以及外觀質量。復合纖維混凝土材料不僅在力學性能上有所提升，同時還兼具經濟優勢：①節省鋼筋水泥用量；②減少鋼筋加工工序；③降低設備磨損等。

纖維混凝土在國外已經得到了廣泛的應用，最新的如巴塞羅那地鐵9號線[11]，都取得了比較好的使用效果。在國內，纖維管片大多處于試驗階段，例如，上海地鐵6號線工程以及北京地鐵10號線工程等。混雜纖維管片兼具工程效果與經濟效應，應大力推進研究及在工程中應用。

2. 自愈合混凝土

近年來，不同學者提出了多種水泥基材料自愈合的理論[12]。關于自愈合材料的分類和名稱，尚未統一。根據機理，可分為以下幾類：管狀載體自愈合材料；微膠囊載體自愈合材料；形狀記憶合金自愈合材料；微生物自愈合材料。前兩者是在混凝土拌合過程中置入特殊的復合材料（如含修復劑的膠囊或者玻璃管）。當混凝土材料出現裂縫時，載體（玻璃管或膠囊）在裂縫工作環境下破裂，修復劑流出并填充裂縫，裂縫得到愈合，如圖2所示[13]。愈合之后，裂縫的生長被阻止，材料性能得到恢復甚至提高。

圖2 聚合物材料微膠囊自愈合原理

一般認為，甲基丙烯酸甲酯（MMA）和硅膠是比較合適的微膠囊載體自愈合材料和殼體[14]。而管狀載體自愈合材料一般采用空心玻璃纖維加裝環氧樹脂或者聚氨酯等黏結材料。相比較而言，管狀載體更容易在裂縫下破碎，從而更高效地修復裂縫。但正是由于這一特性，置入管狀載體的混凝土不易攪拌成型，加工難度大。

Sakai等[15]首先提出了基于形狀記憶合金（SMA）的裂縫修復系統。試件在荷載作用下產生裂縫，當荷載卸除后，裂縫在SMA作用下完成機械性愈合。SMA雖然能夠很好地限制裂縫的生長，但其成本極高并且對工作環境要求很高。這些缺點限制了SMA材料在水泥基材料自愈合中的應用[16]。

微生物自愈合是一種利用微生物制造方解石（CaCO3）填充混凝土裂縫的方法，通常采用土壤中常見的細菌巴氏芽孢桿菌來制造CaCO3沉淀。

微生物自愈合目前還存在很多難以解決的問題：①微生物會消耗水泥基體中的氫氧化鈣來制造CaCO3沉淀，從而降低混凝土內部堿度，導致鋼筋腐蝕；②微生物載體會造成水泥基體內部缺陷，降低混凝土結構的強度和耐久性；③微生物自愈合不是一種即時修復方法，而且對于較寬的裂紋修復能力有限。微生物自愈合尚處于初步研究階段[17]，如需應用到工程實踐當中，還需進行大量的試驗研究。

3. 其他混凝土

通過在混凝土中加入高效減水劑，無需振搗即可達到自密實的效果。同時由于泌水性小，混凝土表面不會產生乳皮層，新老混凝土接觸面連接性能良好，具備優異的一體化效果。

纖維自密實混凝土除了能夠提高混凝土的流動性，減少泌水性。同樣也兼具了纖維混凝土的一些優勢，例如，抗沖擊性能、抗拉能力、耐腐蝕性、抗火性能、耐疲勞性能等[18,19]。

（二）綠色支護材料

在城市地下空間開發的過程中，樁錨支護加降水技術是主要的工程形式，造成大量的資源浪費以及環境污染，并且會影響地下工程的后續施工。為解決這些問題，開發了一系列相對綠色環保的技術與材料。例如，采用長螺旋壓灌水泥土樁墻止水防滲，水泥土漿原位取土與水泥在地面攪拌；水泥土樁墻內插入型鋼與可回收錨索構成圍護結構，基坑支護作用結束后，回收型鋼與錨索鋼絞線；使用鋼管內支撐代替混凝土內支撐等。

這些綠色支護材料不僅節省資源、保護環境，還有利于臨近建筑物的施工。符合節水、節材、節地、節能、環境保護的“四節一環保”工作要求。

四、環境保護材料

在地下工程的防滲堵漏中，采用注漿、防水材料（混凝土自防水、防水卷材、防水涂料）是常用手段。傳統的注漿材料存在不少缺陷，例如，水泥類注漿可灌性低；水玻璃類注漿固結強度差；化學類注漿有毒并且耐久性差等。防水材料大體上分為兩類，一類是柔性防水材料，一類是剛性防水材料。而柔性防水材料又分為防水卷材、防水涂料以及密封材料。地下工程的防水通常強調“以防為主、剛柔結合、多道防線、綜合治理”的原則，各類防水材料都有其獨特優勢與發展空間。

（一）注漿材料

1. 超細水泥注漿材料

超細水泥是采用超細粉磨技術對普通水泥顆粒進行細化，生產方法分為干磨和濕磨兩種。超細水泥注漿有如下特點[20,21]：滲透性更好，可注入細砂，可灌性與化學漿材類似；懸浮液更加穩定，析水時間延長，析水率降低；抗壓強度、早強性能高；抗滲性能好；凝結時間短。

超細水泥注漿發展時間較早，并在三峽工程中得到大規模應用。但其生產成本較高，儲存、運輸難度較大等缺點制約其使用范圍。除此以外，超細水泥的生產技術與設備亟待提高，有關超細顆粒特性的理論研究有待深入。

2. 堿激發材料

工業廢渣能被堿激發，可作為注漿材料的原材料，并且固體顆粒比水泥小，顆粒級配也更為合理。主要包括粉煤灰、礦渣、鋼渣。

堿激發的注漿材料具有非常高的早期強度和最終強度，耐久性好、耐酸堿腐蝕、抗滲性高、抗凍性好，不會導致堿集料反應。但在材料干縮性能方面，堿激發的注漿材料一般比水泥注漿材料要敏感[22]。

粉煤灰來源廣泛，價格低廉，并且其化學組分與水泥類似，因此通常作為水泥材料中的添加材料使用。但粉煤灰中CaO含量相對不足，導致其活性較低，凝結性能差，尤其是早強性能差，因此無法單獨作為膠凝材料使用。

礦渣化學成分主要為CaO、Al2O3、SiO2，含量一般達90%以上，化學活性優異并且可以輔助減水。雙摻、三摻工業廢渣無水泥熟料雙液注漿材料體系較單摻體系具有更合理的顆粒級配效應和更高的固結強度。

使用堿激發工業廢渣不僅是出于對材料性能的考慮，同時還考慮到環境保護，可以減少二氧化碳的排放。

3. 生物注漿材料

微生物誘導碳酸鈣沉積（MICP）是一種新興的巖土工程加固技術。MICP注漿通過向原位砂土中傳輸菌液（如產脲酶的微生物）以及尿素和鈣源等營養鹽，從而使砂土孔隙被沉積的碳酸鈣填充，使軟弱砂土地基得到加固，承載力提高。

國內外針對MICP的研究還是處于實驗室試驗階段，初步實驗研究表明，MICP注漿加固技術，可以有效提高地基的剛度、承載力及抗液化能力，相對化學注漿加固的砂土而言[23]，同時又能維持一定的滲透性。這就使MICP注漿技術相對于傳統的水泥或化學注漿技術具有一定優勢：①無需過大的注漿壓力，即可到達較廣的范圍，減小了施工對周邊環境的影響；②可以對已建成基礎設施的地基劣化處進行直接處理；③施工時間短，而且作用周期長，無需進行養護[24]。

（二）防水材料

1. 防水卷材

防水卷材主要包括改性瀝青防水卷材和高分子防水卷材。其種類繁多，選擇范圍比較廣。

改性瀝青卷材主要包括苯乙烯–丁二烯–苯乙烯嵌段共聚物（SBS）改性瀝青防水卷材、無規聚丙烯（APP）改性瀝青卷材、丁苯橡膠改性瀝青卷材等。高分子防水卷材主要有三元乙丙橡膠（EPDM）防水卷材、聚氯乙烯（PVC）防水卷材、氯化聚乙烯（CPE）防水卷材、CPE與橡膠共混防水卷材、三元丁橡膠防水卷材、再生膠油氈，以及熱塑性聚烯烴（TPO）防水卷材等。

與改性瀝青材料相比，高分子卷材的耐腐蝕、耐老化性能更好，并且拉伸強度高，柔性好，延展率大。

2. 防水涂料

（1）丙烯酸鹽噴膜

丙烯酸鹽噴膜材料以不飽和羧酸鹽水性單體為主液，加入水、填料、助劑，與引發劑通過噴射混合，引發聚合反應，瞬間在材料表面形成厚度為2～3 mm的具有防水和隔離功能的復合材料防水膜[25]。

丙烯酸鹽防水材料在20世紀80年代首先由日本提出。之后，美國、德國、加拿大等國相繼開展研究，但均處于試驗和研究階段，并未進入實質性的工程應用。我國西南交通大學一直在進行相關的研究，并且從2005年開始，相繼在一些工程中進行了應用[26]。

丙烯酸鹽噴膜材料克服了防水板防水系統的缺點，具有與圍巖完全密貼、有效封閉圍巖裂隙、防水效果好、施工快速方便、無裂縫等特點。但是在強堿環境下，其性能大幅度降低，因此仍需對其填料進行研究[27]。

（2）噴涂聚脲防水材料

噴涂聚脲防水材料克服了許多傳統防水材料的缺點，與傳統的防水材料相比，噴涂聚脲防水材料具有如下優點[28]：①固化快，可在任意曲面噴涂成型，不產生流掛現象；②對濕度不敏感，可帶濕施工；③耐老化性能好；④拉伸強度高、伸長率好；⑤涂層致密連續，無裂縫；⑥不含溶劑，環境友好。

結合以上特點，噴涂聚脲防水材料特別適合地下隧道的施工及維修[29]。但其黏結力不夠強，易出現針眼氣泡的缺點亟待解決。

（3）水泥基滲透結晶防水材料

水泥基滲透結晶防水材料是一種剛性防水材料，以硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥、石英砂或硅砂為基材，添加帶有活性功能基團的化學復合物、填料、外加劑等組成。與水作用后，材料中含有的活性化學物質通過載體向混凝土內部滲透，形成不溶于水的結晶體，填充裂縫，從而使內部變得致密[30]。

水泥基滲透結晶防水材料的防水功能由兩部分組成，一是在內部填充裂縫，二是在表面補償收縮。除此之外，還具有耐水壓、抗腐蝕、滲透深度大、防水時間長、無毒環保等優點[31]。水泥基滲透結晶防水材料不僅可以單獨作為防水層，還可以作為內防水，與其他材料形成高效的復合防水層。

水泥基滲透結晶防水材料在我國很多工程中都得到了應用，防水效果顯著，但其機理研究以及產品研發工作還不夠深入，主要仍依靠產品進口。

（三）降噪材料

城市地下空間大都屬于半封閉空間，尤其是地鐵隧道、公路隧道等，交通噪聲、風機噪聲經過壁面的多次反射疊加，形成混響聲場，不僅影響空間內乘客的舒適度，且對周邊范圍造成噪聲污染。降噪材料通常可分為隔聲材料和吸聲材料，然而對于地下空間這樣的半封閉空間，隔聲材料反而會惡化空間內噪聲環境。因此在城市地下空間中，往往在道路、立壁以及頂板安裝吸聲材料，構成一個立體的吸聲體系，從而有效降噪。根據吸聲原理，可將吸聲材料分為多孔吸聲材料和共振吸聲材料。

1. 多孔吸聲材料

多孔吸聲材料利用的原理是，當聲波接觸到材料時，引起材料空隙內空氣振動，由于空氣與材料間的黏滯力，動能不斷轉化為熱能，致使噪聲逐步衰減。近年來，多孔吸聲材料的研制與應用不斷增長，并且向“環保”型的新興復合材料方向發展。

例如，朱萬旭等[32]利用陶粒混凝土制成的新型吸聲結構，鋪設在軌道的鋼軌之間建立降噪系統，實驗證明降噪效果可達4～5 dB并且具有較寬的降噪頻段。

魏定邦[33]將開級配抗滑磨耗層（OGFC）型混合料作為低噪音瀝青路面，利用駐波管法和混響室法測得其降噪系數為0.45，其降噪效果與普通混凝土路面相比噪聲降低了6.79 dB。

李鵬等[34]則以鋼渣為主，摻以少量粉煤灰、微硅粉等，制備多孔吸聲材料，獲得了不錯的吸聲效果。同時提出了最佳的制備條件，制備出的材料在630～1 600 Hz之間都有較好的吸聲系數。

郭凱[35]研究了不同粒徑的淤污泥陶砂與膨脹珍珠巖對水泥基材料的吸聲性能、強度以及耐久性的影響。研究表明，淤污泥陶砂材料降噪系數低于傳統的膨脹珍珠巖材料，但在交通噪聲較為集中的800～1 200 Hz間，吸聲系數達到0.85，并且以淤污泥陶砂制備的吸聲材料具有更高的抗壓強度以及耐久性。

2. 共振吸聲材料

共振吸聲材料利用的原理是，材料在聲波的激發下產生振動，材料自身的內摩擦以及和空氣間的摩擦將聲能轉化成熱能，從而降低噪聲。

常見的共振吸聲材料包括波浪吸聲板、鋁合金穿孔吸聲板、鋁纖維吸聲板、無紡布和鋁合金吸聲板的組合等。上述吸聲板的吸聲效果大多在8～15 dB之間[36]，并大規模應用于南京、北京等地的地鐵工程中。共振吸聲材料正向著結構優化、復合型的方向發展。

五、總結與展望

城市地下空間的開發不僅依賴于設計方法、施工手段，積極開發綠色、環保、高效、經濟的新型材料同樣會幫助推動城市地下空間更好更快地發展。但如前文所述，目前工程中所用的材料仍存在不少缺陷，主要問題總結如下：

（1）開挖刀具的強度，耐久性仍然不足，刀具組合形式不夠理想。焊材的耐磨性能、工作性能仍需提高。

（2）傳統混凝土管片抗裂性差、耐久性低、生產效率低下。新型材料例如自愈合混凝土材料的相關機理研究不夠完善，也缺乏相應的工程實際應用。

（3）在支護結構中大量采用水泥混凝土材料，造成大量的資源浪費和環境污染。

（4）在注漿材料中，水泥類注漿可灌性低；水玻璃類注漿固結強度差；化學類注漿有毒并且耐久性差等。總體而言，缺乏綜合性能優異的注漿材料，同時新型生物注漿材料的潛力有待進一步挖掘。

（5）防水材料、降噪材料的綜合性能有待進一步提升，并且需要相對統一的選用原則。

針對以上問題，對城市地下空間開發新型材料提出如下建議：

（1）開發強度更高、更耐磨的盾構刀具設備。改進其生產技術，制定更為完善的標準，推動刀具生產的國產化。

（2）推動自愈合材料發展。自愈合材料有助于解決混凝土在服役狀態下對裂縫的控制，減少后期維護成本。同時加強對其進一步研究，例如，愈合材料及殼體材料的選擇、裂縫寬度的控制、配合比的計算、愈合效果的評估等。

（3）進一步開發綠色可回收材料。減少水泥的使用，盡量使用可回收的鋼材。堅持“四節一環保”的工作要求。

（4）更加注重環境污染控制材料的使用。在城市地下空間開發過程中，噪聲污染、地下水的滲透、地表沉降、施工對臨近建筑物的影響等都是值得關注的問題。合理選用注漿材料、防水材料、降噪材料是建設的關鍵。

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