新型球墨铸铁-钢筋混凝土组合隧道壁板的开发研究与市场前景综述

吴成玉，李仲刚，关 健，范纯平，路军富，吴 镇

（1. 大连市金州新区电器商会，辽宁大连 116600；2. 中国铁道学会安全委员会，北京 100055；3.哈尔滨铁路局机车车辆配件厂，黑龙江哈尔滨 150001；4.成都理工大学，四川成都 610059）

新型球墨铸铁-钢筋混凝土组合隧道壁板的开发研究与市场前景综述

吴成玉1，李仲刚2，关 健2，范纯平³，路军富4，吴 镇¹

（1. 大连市金州新区电器商会，辽宁大连 116600；2. 中国铁道学会安全委员会，北京 100055；3.哈尔滨铁路局机车车辆配件厂，黑龙江哈尔滨 150001；4.成都理工大学，四川成都 610059）

由高强韧性球墨铸铁-钢筋混凝土组合隧道壁板是一种涉及铁路、公路、江河水下和海底隧道及地下油库仓库等拱壁的支承防护结构件的新技术、新工艺、新材料。组合隧道壁板主要用于松软、黄土、断层、流沙、高地应力等特殊及不良地质地段。采用此组合壁板螺栓连接成圆管形整体全周支承防护结构具有极高的质量安全可靠保证。可以最大限度地降低地震危害，确保各类隧道的安全质量和使用寿命。

隧道工程结构；新工艺；新材料；组合隧道壁板

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20世纪70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的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，决定采用复合施工法，即根据不同地质结构分区段，分别使用全球铁壁板或钢筋混凝土弧形板支承防护结构，只在松软、黄土、流砂、断层、高地应力等特殊及不良地质地段隧道使用全球铁壁板，约占全程45公里的1/5，其余4/5坚固岩体地段隧道仍使用钢筋混凝土弧板衬砌，这样既保证了工程质量，又有效降低了球铁壁板的用量（图1）。

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

而球铁圆管外径与盾构机挖成的圆洞壁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，成为世界地铁建设史上的典范。随后日本于1991年开始在隧道工程建设中在3/10的地质结构松软、流砂、黄土、断层、高地应力等特殊及不良地质地段使用了全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，绝大部分都采用球铁隧道壁板支承防护结构模式（图2）。

图2　日本地铁两种规格图片和地下水道图片

其他发达国家不论陆地、海底隧道也都相应的采用了安全质量可靠的球铁隧道壁板支承防护结构模式。

在我国，隧道工程建设发展滞后30年。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，一直采用新奥法设计施工，使用钢筋混凝土二次衬砌或一次衬砌隧道拱壁，其材料结构特性属于脆性材料，结构强度及延性较低。我们从“5.12”汶川大地震国家自然灾害鉴定研究专家组成员和四川省公路设计院向院长及西安铁路局龙京局长那里得到现场材料证实：共造成汶川、北川等重点震区周围（川、陕、甘）18条公路的56座隧道垮塌，震塌的点位达1 000处以上；在三省范围内有多座铁路隧道被震塌。又悉2014年4月2日发生在吉林珲春小盘山1号正在施工的铁路隧道总长为6 287 m，有1 000 m3塌方。在城市建设地铁工程现场发生隧道拱壁垮塌的事故也时有报道。所有灾害现场鉴定表明，改进和提高隧道拱壁支承防护结构的承载能力和工程质量安全可靠性，已经是刻不容缓的重大研究课题，势在必行。

2　采用组合隧道壁板新技术是确保隧道工程质量安全的根本措施

1）技术背景简述

目前，多数国家一直都沿用新奥法的基本原理进行隧道工程的设计施工，我国特别在城市地铁和穿山隧道工程等更是重点采用先进的浅埋暗挖法设计施工[1],其核心技术是施工中采用多种辅助技术措施先加固围岩，充分调动和利用周边围岩的自承能力，正式开挖后及时支护、封闭成环，使其与围岩共同作用形成联合支护体系，是一种有效抑制围岩发生过大变形的配套施工技术，这是目前国内常用的施工方法。依据新奥法的设计思想，首先临时加固围岩体，开挖成洞后及时进行一次衬砌拱壁作为主体承载结构，待初期支护稳定后，再作二次衬砌拱壁作为安全储备和装饰等。例如公路隧道洞内支模,二次衬砌是厚度有所不同的钢筋混凝土弧形板结构。二次衬砌钢筋混凝土全部凝固时间约在26天以上，而二次砌筑拱壁的材料和人工费用约占总投资的1/3～1/2，日完成进度非常缓慢，其工艺较复杂，施工周期长，建设费用高，制作模板台车，作业环境差。

2）将大大提升隧道工程质量和施工进度

组合隧道壁板工艺是在原有浅埋暗挖法先进施工工艺的基础上，仍然适用于复合法施工。在地质条件不好的区段使用将事先制造好的高强韧性球铁弧形壁板与钢筋混凝土弧板吻合连接为一体的组合壁板，在先加固围岩体，盾构开挖成洞后，根据隧道直径大小在不搭建脚手架或部分搭建脚手架的条件下，直接进行一次性衬砌拱壁,在安装每一块组合壁板连接面都加上耐腐蚀抗老化胶垫或涂刷防水粘接剂，环与环连接也照此处理，在安装完的组合壁板外径全部包覆防水纤维布用防水胶合剂贴紧凝固干燥后，要在圆环下部两侧加斜块调中固定，在圆环外径与盾构成形的洞壁之间间隙直接充注速凝水泥砂浆固定。约等数小时注浆等效层即可凝固（图3）。

图3　组合隧道壁板与注浆体等效层示意图

这样可以配合高效盾构机边向前掘进，边加固围岩体，边安装组合壁板，边注浆等效层固定，这样施工进度要比二次衬砌拱壁提高工效3～5倍以上，实现了主体承载组合壁板在隧道外面工厂化生产组合成单块隧道壁板，运到洞内在盾构机的拼装机上安装成环，一环接一环的不断向前推进，形成了连续化施工作业，缩短了洞内的作业时间，最大限度的提高工作效率，大大节省了人工费用。

3）有力推进隧道工程的科技进步

a.组合隧道壁板充分利用了球墨铸铁抗拉强度、伸长率、耐腐蚀性能都高和钢筋混凝土抗压强度性能强的优势，这种组合结构的隧道壁板由于利用和发挥了各自的材料优良特性，其最大技术特点是两种组合后的结构性能超过了原有两种材料各自的力学性能，比如高强度混凝土C50级的抗压强度为50 MPa，其抗拉强度只有5 MPa，其延性很小；而高强韧性球墨铸铁选用牌号为QT600-9作为主要支承组合构件，其抗拉强度为600 MPa，伸长率为9%，仅抗拉强度要比高强度混凝土构件（C50）高出120倍，我们设计球铁壁板时只选用其1/10的材料，就可以使组合壁板的综合抗拉强度提高12倍以上，即达到60 MPa，其伸长率为9%更具有在外力剧增的情况下具有弹性变形能力而不破坏。这就形成了结构更合理，综合力学性能更高的隧道支承防护体系。由于球墨铸铁件初始形成了锈蚀保护膜，减缓了锈蚀的发展，它在3%的碱溶液、饱和盐水、氨液和浓硫酸等介质中的耐腐蚀性能大大高于普通钢和耐候钢，完全可以与钢筋混凝土组合各种优良材料特性互相支援，既完善了结构行为，又极大提高了组合构件的使用寿命和工程质量安全可靠性。英国江河上的大桥用耐候钢做组合构件设计寿命为120年，但规范中声明在沿海受潮湿、盐雾影响严重的区域不应使用耐候钢构件。我们研发的高强韧性球铁组合隧道壁板既有综合高强度，又能长久耐腐蚀，设计寿命可达120年以上。

b.在组合隧道壁板安装施工过程中和运营阶段，配套提供整个各类隧道各区段、各关键部位的物联网质量安全监测系统的设备与技术。为确保各类隧道结构的长期安全监测预报提供技术支持。

C.球铁壁板采用铁型覆砂铸造工艺生产[2]，防止铸件出现内壁迁移、缩松、缩孔等铸造缺陷。对于弯道部分的球铁壁板等其他复杂铸件则采用V法铸造工艺生产。配备铸件在线超声波检测系统对铸件质量进行检测，并对合格品编码打号。

3　市场前景综述

我国已把基础设施建设放在优先发展的位置进行统筹安排，西部大开发国家投巨资进行铁路公路网络大通道建设，以及沿海地区即将展开的海底铁路隧道建设，不论陆地或海底的铁路、公路都将遇到隧道建设的问题，总结以往的经验和教训，应该在各类隧道建设方面采用复合法设计施工，在遇到地质结构断层、黄土、流沙、松软、高地应力等特殊及不良地质地段必须相应采取高强韧性球铁-钢筋混凝土组合隧道壁板衬砌拱壁，而在地质结构坚硬岩体地段仍采用钢筋混凝土进行一次衬砌或二次衬砌，这样才能科学有效地预防和降低地质灾害的危害，全面提升隧道的安全质量和整体抗震强度。

我国的地质构造与日本相近似，可按隧道里程的3/10计算采用球铁组合隧道壁板衬砌拱壁，列入“十三五”计划的烟大海峡126公里海底隧道按“两道一服”三线总里程约为370公里，其3/10采用球铁组合隧道壁板衬砌拱壁，总需求量在111万吨左右，以8年建成计算每年需求量在14万吨左右，加上其他四条海底隧道和铁路公路及城市地铁隧道不良地质地段每年总需求量预计在40万吨至50万吨左右，同时这种组合隧道壁板由于工艺先进、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球铁组合隧道壁板正处于良好时机，这种高强度球铁组合隧道壁板将成为隧道工程系列化产品的高端安保产品，被广泛推广应用。

4　结论

采用高强韧性组合隧道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二次衬砌钢筋混凝土隧道壁板抗拉强度的5～9倍以上，提高施工进度3～5倍以上，是隧道工程建设的重大技术进步，高强韧性球铁组合隧道壁板将成为确保各种隧道工程质量安全的重要安全构件被广泛推广应用，具有重大的社会经济技术价值。

［1］ 王梦恕，等.中国隧道及地下工程修建技术［M］，北京:人民交通出版社，2010.

［2］ 吴成玉，王伟民，李仲刚，关健，等.地铁隧道球铁壁板的开发研究与市场前景综述.［J］中国铸造装备与技术，2013（3）:8-12.

［3］ 陶龙光,刘波,侯公羽编著.城市地下工程（第二版）［M］.北京:科学出版社,2011.5.

［4］ 王明年,路军富,刘大刚,于丽编著.海底隧道全寿命安全监控量测技术［M］.北京:人民交通出版社,2012.3.

［5］ 葛胜锦,余培玉,刘士林编著.钢—混凝土组合桥梁设计［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

稿件编号:1506-974

吴成玉（1937—），男，高级工程师，从事铸造工艺及设备设计.