摘要: 結合擠壓混凝土工法的開發過程與現狀,重點分析了擠壓混凝土襯砌的特點,以及與常用的盾構管片的優缺點,討論了在施工時擠壓混凝土工法與常規的隧道施工的不同之處,最后詳列出擠壓混凝土工法當前存在的問題和技術難題。

關鍵詞: 擠壓混凝土; 盾構管片; 襯砌

中圖分類號: TU755. 6 + 3 文獻標識碼: B

1 發展現狀

  　擠壓混凝土襯砌法即ECL工法,是英文ExtrudedConcrete L ining的簡稱,在20世紀初就為人所知。德國于1910年、法國于1911年、俄國于1912年就申請了專利。但由于該工法需要輸送混凝土的機械和專門的開挖設備,并未獲得推廣。正式研究應用是在20世紀60年代, 1965年蘇聯首次應用于建造涅格寧河總水管,繼后又用于莫斯科等城市的地鐵隧道。雖然以前蘇聯為首的東歐各國先行一步,但其地質條件大都是良好的地基,所以隧道襯砌采用了素混凝土。80年代初西德和日本研制了鋼纖維混凝土現澆襯砌,擴大了其適用范圍,工法的基本構成還是與素混凝土相同,但在開創隧道施工工法上前進了一大步。截止到上世紀90年代,各國已有一些工程實例,詳見表1。日本城市因地基軟弱、工作面自承能力差且多處于地震帶[ 1 ] ,日本技術人員把密閉盾構技術與ECL襯砌技術有機結合并應用于工程實踐,再次將該工法的適用范圍擴大。ECL工法已成為繼盾構法之后隧道工法的一大創新。

2 ECL工法簡介及施工流程

　　ECL是通過在盾尾現場澆筑混凝土以形成襯砌的隧道施工方法。為此在盾構尾部配備模板機構,在盾構殼和模板之間設置堵頭板,在盾構掘進時擠壓混凝土襯砌,并以一定的壓力持續的灌注混凝土。這種方法灌注的混凝土襯砌不會在模板和圍巖之間出現尾部空隙,也就不會讓圍巖松動。圖1是擠壓混凝土襯砌法的原理示意圖[ 2 ] 。

　　由于不同的ECL施工工法不同,其施工流程也不相同。現僅介紹日本信濃川水力發電擴建工程2號引水隧道中采用鋼筋混凝土類襯砌系統的施工流程,詳見圖2。圖中一次掘進的長度等于三次開挖、推進長度的總和。

3 ECL工法和盾構管片的特點

3. 1　ECL工法的特點

　　①高質量的襯砌: ECL工法構筑的混凝土襯砌,在灌筑中混凝土受到擠壓,其壓力大于土壓力與水壓力之和,并始終保持在0. 2MPa的程度。受壓的混凝土中多余的水分被排出,其強度和密度大大提高。模板拼裝和混凝土的壓注都是連續進行的,襯砌接頭少,具有更好的整體性和防水性。

　　②合理的襯砌形式: ECL工法可以構筑多種類型襯砌,隧道襯砌根據地層條件和施工條件進行綜合研究,以便構成安全的結構,可采用素混凝土(NRC) 、鋼筋混凝土(RC) 、纖維加筋混凝土( FRC) 、型鋼加強混凝土( SRC) 、預應力混凝土( PC) 。

　　③快速施工:與常規盾構管片拼裝襯砌相比,采用ECL的施工速度比采用管片的速度快一倍,而且可以連續機械化作業;與NATM相比,速度可望提高至兩倍。日本信濃川水力發電擴建工程2號引水隧道的一段長3. 1 km、外徑8. 4m、內徑7. 6m的隧道,采用擠壓混凝土襯砌,施工速度達到月進340m。

　　④微小的地基沉降: ECL工法在盾構推進的同時,將尚未凝結的混凝土依次充填到盾尾的空隙中。在混凝土未凝固之前始終保持恒定壓力以抵抗土壓力和水壓力,緊貼地層,不給地層的松弛留有余地,從而起到及時的支撐作用,一直到混凝土凝固不釋放壓力,所以地層很難產生松弛和下沉。在法國里昂地鐵D線一段穿越羅納河和索恩河兩條河流的區間隧道中,采用擠壓混凝土襯砌結構施工,地面沉降接近于零。

　　⑤合理的結構受力:由于混凝土緊貼在圍巖上,地基反力變為有利因素,所受的地層壓力相當均勻。因而結構軸向力增加,彎矩減少,對于混凝土結構受力有利。

　　⑥低廉的工程造價:采用經濟廉價的現澆混凝土取代了昂貴的預制管片,并節省了大量縱、環縫防水材料和連接螺栓。同時由于施工工序少,襯砌與開挖同步進行,工期縮短。

3. 2 盾構管片襯砌的特點

　　20世紀60年代以來,盾構隧道襯砌結構已逐漸推廣應用拼裝式鋼筋混凝土管片,這種管片有一定的強度,耐腐蝕,加工制作比較容易[ 3 ] ; 采用鋼模制作(單塊生產)時,可保證管片的精度(國內外都能達到±0. 5mm) ,因此為目前最為常用的襯砌。但在實際應用過程中, 預制混凝土管片暴露出一些問題出來[ 7 ] :

　　①厚度一般較大,比較笨重,一般地鐵工程單個管片的重量可達5～6 t。在超大直徑盾構隧道中,以南京長江隧道工程左汊隧道為例,管片外徑為14. 5m,標準塊管片的重量達11 t。

　　②運輸安裝過程中,邊緣易破損,尤其是箱形管片,在盾構千斤頂作用下很容易頂裂。

　　③拼裝成環時,因管片制作精度不高,端面不平,擰緊螺栓時往往使管片局部產生較大的集中應力,從而導致開裂。

　　④結構破壞大都開始于薄弱的接縫處。當盾構千斤頂施加在環縫面上,特別是在偏心作用時,也會使管片頂裂、頂碎。

　　⑤管片預制階段要精心養護。

　　⑥環縫防水、嵌縫槽防水及螺栓孔防水比較難控制,且材料價格不菲。

　　⑦盾尾管片出盾尾時處于最不利受力狀態,必須配用大量的鋼筋和采用復雜的結構。

　　⑧以地鐵工程為例,其管片制作費用,約占隧道工程總投資的45%左右。

4 ECL施工時對混凝土的要求和施工注意事項

4. 1 對混凝土要求

　　在擠壓混凝土襯砌施工過程中,盾構推力是通過管狀模板和混凝土之間的摩擦力來傳遞的,故對混凝土的性質有特殊的要求。具體要求如下:

　　①混凝土在攪拌后為了不在管道內硬化,自側模開始澆筑時順利的移動,并且能壓注到密閉空間的每個角落,要求混凝土在規定的時間內具有良好的抗離析性和流動性。

　　②混凝土在灌注24 h后脫模,必須支護全部的土壓力和水壓力,這就要求混凝土具有高強度和抗滲性、耐久性。

　　由于高強度和流動性性質相反,這也是ECL工法對混凝土質量要求的一大特點。以日本信濃川水電站第二水工隧道為例,必須在3 h內保持20 cm以上塌落度的長時間流動性[ 4 ] , 設計的標準抗壓強度為24MPa,而24 h的抗壓強度就達10MPa。

4. 2 混凝土施工時的注意事項

　　①這種施工工法使用的混凝土,期望有長時間的流動性與早期強度的相反性質,為此需要選定適于現場使用的高性能減水劑。

　　②為保持一定壓力,灌注混凝土要求泵送性好,同時注意骨料的顆粒分布。

　　③以素混凝土施工為例,在施工時就推進速度而言,加壓速度太快會使混凝土因脫水壓密而破壞其流動性,導致不能壓注;加壓速度太慢則不能達到混凝土與圍巖的密合效果。所以施工時必須配合盾構的推進速度,控制混凝土加壓千斤頂的擠壓速度,還應該注意混凝土的質量管理,保證其流動性和脫模時所需的強度。

5 ECL工法的適用范圍及受限制的原因

　　ECL工法對地層條件的適用性比較廣泛,能確保地層穩定和施工安全,對混凝土直接壓注可構成優質的襯砌結構。該工法的適用范圍要根據地質條件、襯砌結構截面形狀、盾構形式、隧道直徑以及最小曲率半徑等基本條件而定。凡是能采用盾構法掘進的地層大體上都可以采用該工法,要進行經濟技術總評價后而定[ 5 ] 。在山嶺隧道中, ECL 已在日本使用成功,其使用范圍可從主要開挖軟弱地基的城市隧道到采用機械開挖的山嶺隧道。

　　自從應用于工程實踐以來,完善ECL工法的努力一直沒有停止,但在實際工程中應用很少,尤其是在單管片襯砌隧道工程中,其原因有以下幾方面:

　　①對于不同的地層條件, ECL 工法所形成的襯砌環外壁凹凸不平,如圖3所示[ 6 ] 。由于襯砌環厚度不均勻,在計算襯砌強度和剛度時差異較大,設計的混凝土厚度與實際形成的襯砌厚度差異隨地層變化;

　　②在快速施工時,如何防止連續澆筑的混凝土因水化熱產生裂縫的問題,故障停機較長時間時施工縫(冷縫)的防水等問題都沒有得到很好的解決;

　　③由于工程實踐中存在的各類問題尚未解決,ECL工法不但提高不了盾構施工速度,反而不利于發揮盾構快速施工的優勢。

6 當前存在的問題

　　表2是今后擴大和確定這種新技術適用范圍的課題。

　　其中特別是對于開發ECL抗裂混凝土、確定減少單位水泥用量的配合比、混合劑等尤其重要。與此同時,著重在ECL使用水泥的開發和纖維混凝土的應用方面加強研究。在ECL 系統內(內模設備最后端)開發由連續施工而不產生收縮接縫的施工設備。

　　其次關于襯砌混凝土的防水對策,由于混凝土連續澆筑中機械維修,或者由于其它原因澆筑中斷,從而產生接縫,在這些地方需要注意防止漏水,實際施工中可在接縫處采用實驗的膨脹砂漿進行改善,或改善混凝土灌注機械、在混凝土灌注接頭處使用止水材料等方法。

　　在我國盾構技術相對較為成熟的上海,具有應用ECL工法的可行性,考慮到ECL 工法的經濟效益,開發、應用ECL工法顯得更有必要。除了研究表二所列出的各項技術難點外,同時必須研制出ECL工法高效施工的輔助技術,如激光引導技術、計算機自動數據采集處理技術、全自動測量及方向控制系統技術等,以及與ECL工法最佳組合的泥水平衡式盾構。總之, ECL工法為當前隧道界最先進的一種工法,在日本及歐洲國家其應用前景被看好,所以該工法在我國的應用前景也是十分廣闊的。

參考文獻:

　　[1] 　[日]土木學會. 隧道標準規范(盾構篇)及解說[M ]. 朱偉,譯. 北京:中國建筑工業出版社, 2001.

　　[2] 　伊旅超,朱振宏. 日本隧道盾構新技術[M ]. 武漢:華中理工大學出版社, 1999.

　　[3] 　劉建航,張易謙,潘志良. 隧道工程[M ]. 上海:上海科學技術出版社, 1999.

　　[4] 　.一Ë ©工法技術協　. ECL 工法技術資料[ G]. 東京:株式會社大林組,東京本社,平成15年3月.

　　[5] 　王明年,楊其新. 地下工程施工與管理[M ]. 成都:西南交通大學出版社, 2002.

　　[6] 　宋克志,王夢恕. ECL技術在我國應用的可行性研究[ J ].建井技術, 2004, (05).

　　[7] 　張鳳祥,朱合華,傅德明. 盾構隧道[M ]. 北京:人民交通出版社, 2004.