地铁隧道球铁壁板的开发研究与市场前景综述

吴成玉，王伟民，李仲刚，关 健，钟卫东，吴 镇

（1.大连开发区永诚机电有限公司，辽宁大连 116600；2.齐齐哈尔第一机床有限公司，黑龙江齐齐哈尔 161005；3.中国铁道学会铁道安全委员会，北京 100083；4.大连市普湾新区丰荣办事处，辽宁大连 116200）

1 国内外隧道工程质量的差距及改进必要性

国外发达国家早在上个世纪七十年代就开始研究改进隧道工程内壁的支承防护安全措施。1975年英法两国合作建设世界著名的英吉利海峡地铁隧道，为确保隧道工程质量的绝对安全，在工程前期曾作过在服务隧道中分别进行过扩张型混凝土砌块和厚度为360 毫米钢筋混凝土砌块砌筑隧道拱璧支承防护，经检测对两种衬砌结构的隧道壁轴线水平位置处的环向压应力值分别为平均3.4MPa和3.8MPa，并且测出在环向压力拱弧壁向内侧偏移了20 毫米，其平均压应力仅仅是衬砌拱壁承受全部围岩压力和海水压力情况下所产生的内应力的一半。在隧道内多点检测结果表明,混凝土砌块砌筑隧道拱壁不适用于地铁运行隧道的高应力地段的工程质量要求。最后决定采用弧形球铁隧道壁板用螺栓联接成圆管形全周整体支承防护结构（图1），而球铁管壁外径与盾构机挖成的圆孔道之间的空隙用高强度速凝水泥砂浆充填捣实形成牢固密封为一体的高强度隧道支承防护结构，成为世界地铁建筑史上的典范。1990 年建成投产运行至今，隧道安全可靠，从未出现任何工程质量事故。事实证明，采用球铁隧道壁板支承防护结构是最安全、施工安装快捷的隧道支承防护措施。随后日本于1991 年开始在所有隧道中普遍采用球铁壁板支承防护结构，截止2006 年底，日本已建和在建的隧道工程总数为241 项，全部都采用球铁隧道壁板支承结构模式（图2），这对日本岛国多发地震的国家无疑是最具安全保证的千秋大计。丹麦、德国等发达国家不论陆地、江河、海底隧道也都采用安全可靠的球铁隧道壁板支承结构模式。

图1 英吉利海峡跨海隧道英国一侧的球铁壁板装配后两种规格单元图片

图2 日本地铁两种规格图片和地下水道图片

在我国，地铁隧道工程建设发展滞后，过去由于我国隧道挖掘主要依靠人工挖掘，当时没有引进盾构机挖掘施工，隧道工程主要采用混凝土砌块砌筑拱壁。据悉，时至今日我国有不少大城市已建和在建城市地铁隧道工程仍采用落后的、安全可靠性低的混凝土砌块砌筑拱壁形式，这种隧道设计施工技术质量水平要比发达国家落后30～40 年。改革开放以来，我国经济实力显著增强，成为世界第二大经济体，特别是我国有了国产盾构机，为建设标准化、高质量的隧道工程提供了有力的现代化隧道施工技术。从隧道质量安全和施工快捷的角度考虑，在我国隧道工程采用球铁壁板支承防护，采取安全可靠的技术改进措施应当提到国家相关领导部门的决策程序。据悉，大连至烟台海底123 公里地铁隧道工程已纳入建设计划,从千秋大计质量安全考虑，海底地铁隧道工程壁支承结构应立即取缔质量安全没有保证的混凝土砌块砌筑拱壁支承结构，尤其应考虑地震因素，地震的能量释放是由地球深层向地球表面发生高频摇晃振动，而地表构筑物多数是因抗拉强度过低而遭受严重破坏的。据资料【2】取高强度高性能混凝土最高牌号C100 级，其抗拉强度可选取其抗压强度的1/10～1/20 估算，如考虑有钢筋预埋件加强，其抗拉强度会有所提高，本案按其抗压强度的1/5～1/10 选取，C100 级抗压强度为100MPa 时，其抗拉强度为10MPa～20MPa，而采用球铁壁板（材质为QT600-3）的抗拉强度是钢筋混凝土砌块砌筑拱壁抗拉强度的30～60 倍以上。如果海底隧道工程依然采用混凝土砌块砌筑拱壁支承防护结构，如遭受强烈地震，必然会使隧道出现局部垮塌透水，倾刻整个隧道全被海水淹没无法修复。因海水是抽不净也抽不完的，使整个隧道功亏一篑，全部报废，同时造成国家财产和生命安全的巨大损失。所以改进和提升隧道壁板结构强度是确保质量安全的当务之急。

2 采用球铁壁板的优势及生产工艺简介

2.1 生产球铁壁板的主要原材料是铸造生铁、稀土硅镁球化剂、硅铁孕育剂等。在我国成为钢铁大国的情况下，不仅国内原材料供应有保证，而且还大量出口外销，生产球铁隧道壁板是隧道建设结构的更新换代的新产品，有利于拉动内需，缓解和改善冶金和铸造行业产能过剩的局面。

2.2 采用球铁隧道壁板，不需要重新建设本行业配套铸造厂，球铁壁板重量一般在500kg/件～1000kg/件，形状比较简单，品种不多，不需要太大的复杂高难技术，可以充分利用社会上现有的铸造厂稍加技术改造即可，就近寻找铸造厂家订货供应。

2.3 铸造工艺选择

由于本产品属于长方弧形四框带加强筋的薄壁球铁铸件（图3），又是关系地铁隧道质量的安全性构件，必须采用先进的铸造工艺来生产才能确保铸件的质量要求，最早英国采用树脂砂脱箱造型生产工艺，因为他们的球铁壁板重量较小，都在500kg 以下。后来日本改进为V 法造型生产线生产并申请了专利，这一产品成为一家铸造厂的支柱产品，盈利很大。我们选择的是国内成熟的铁型覆砂铸造生产线生产[1]。铁型覆砂工艺是利用铸造粗成形的铁型内腔表面覆上一层很薄的水玻璃砂衬所形成的铸型生产铸件的工艺。这一工艺的主要优点是铁型内表面覆上一层砂衬后的铸型，能够有效地承受高温铁液的热冲击，型内最高温度可由600℃降到200℃左右，铁型的热应力明显降低，提高铁型的使用寿命，使用寿命可达十几万次。同时由于铁型覆砂的铸型有足够的强度和刚度，覆砂层硬度高（90 以上），可避免铸件出现胀砂、冲砂等缺陷。对于球铁可充分利用铁液凝固时石墨膨胀而产生组织加工硬化的特性，消除缩孔、缩松等缺陷。本工艺是在双工位覆砂造型机上对准铁型射砂孔射砂造型，在0.5MPa 压缩空气下，利用颗粒动力学原理气砂两相的动能作用，使射砂筒内射入铁型内腔的砂流连续、紧实，然后利用一侧带槽的压板压住铸型顶面吹入CO2气，短时间即可使覆砂层硬化，脱模后就可进行喷涂料、合箱浇注。其工艺流程见图4 所示。

图3 日本隧道工程用球铁壁板图片

图4 铁型覆砂铸造生产线流程图

铸件经过抛丸清理后，首先经CT 探伤扫描检测逐个从头到尾检验，发现有缺陷铸件立即推出，不漏掉一个废品，合格品经机加车间铣（或刨）光四周边框并钻孔，然后到清洗池清洗后吹热风烘干，最后喷涂可溶性特种塑料防锈层即可交货。本工艺主要优点是不产生有害气体和粉尘污染，是一种用砂量少、无粉尘排放的环保型绿色铸造。

3 市场前景综述

随着我国城市化进程加快，有许多大城市为解决行路难的问题，都在规划建设地铁快速通道，我国西部大开发铁路建设要逐步建成网络化大通道，也遇到修筑许多穿山隧道的问题，同时南水北调工程也要建设江河地下隧道，大连至烟台海底地铁隧道已批准立项建设，湛江至海口等四条海底地铁隧道也在规划论证之中，可以肯定的是，从现在起决不能再延用传统落后的、质量安全无保证的混凝土砌块砌筑隧道拱壁支承结构，国内以球铁隧道壁板取代混凝土砌块砌筑隧道拱壁已是大势所趋。仅以大连至烟台地铁隧道按五年建成为例，每年所需球铁壁板供货量就在30 万吨左右，据初步估计，全国在建和扩建的隧道项目如采用球铁壁板年需量至少在60 万吨以上。本研究设计方案同样适用于公路隧道建设，其壁板需求量更大。同时这种球铁壁板由于工艺先进、工人用量少、型砂用量少、生产成本较低，在国际市场上也有很大的竞争优势，具有巨大的出口外销潜力。因此及早抓紧研制各种规格隧道壁板正处于良好时期，这种高强度球铁壁板将成为隧道工程的安全构件进入安全质量标准化系列化产品的新版本。

4 结论

采用球铁壁板组装成的圆管形整体支承防护结构，既能防渗水，又能防地震，其整体结构的抗拉强度是钢筋混凝土砌块砌筑隧道拱壁抗拉强度的30～60 倍以上，是隧道工程建设的重大技术进步。球铁壁板将成为确保隧道工程质量安全的重要安全构件被广泛推广使用于铁路公路隧道工程建设，具有重大的社会经济技术和深远的科学发展价值。

[1]吴成玉,吴镇.铁型覆砂铸造工艺生产球铁管件之我见[J].中国铸造装备与技术.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.