地鐵隧道球鐵壁板的開發(fā)研究與市場前景綜述

吳成玉，王偉民，李仲剛，關(guān) 健，鐘衛(wèi)東，吳 鎮(zhèn)

（1.大連開發(fā)區(qū)永誠機電有限公司，遼寧大連 116600；2.齊齊哈爾第一機床有限公司，黑龍江齊齊哈爾 161005；3.中國鐵道學(xué)會鐵道安全委員會，北京 100083；4.大連市普灣新區(qū)豐榮辦事處，遼寧大連 116200）

1 國內(nèi)外隧道工程質(zhì)量的差距及改進必要性

國外發(fā)達(dá)國家早在上個世紀(jì)七十年代就開始研究改進隧道工程內(nèi)壁的支承防護安全措施。1975年英法兩國合作建設(shè)世界著名的英吉利海峽地鐵隧道，為確保隧道工程質(zhì)量的絕對安全，在工程前期曾作過在服務(wù)隧道中分別進行過擴張型混凝土砌塊和厚度為360 毫米鋼筋混凝土砌塊砌筑隧道拱璧支承防護，經(jīng)檢測對兩種襯砌結(jié)構(gòu)的隧道壁軸線水平位置處的環(huán)向壓應(yīng)力值分別為平均3.4MPa和3.8MPa，并且測出在環(huán)向壓力拱弧壁向內(nèi)側(cè)偏移了20 毫米，其平均壓應(yīng)力僅僅是襯砌拱壁承受全部圍巖壓力和海水壓力情況下所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力的一半。在隧道內(nèi)多點檢測結(jié)果表明,混凝土砌塊砌筑隧道拱壁不適用于地鐵運行隧道的高應(yīng)力地段的工程質(zhì)量要求。最后決定采用弧形球鐵隧道壁板用螺栓聯(lián)接成圓管形全周整體支承防護結(jié)構(gòu)（圖1），而球鐵管壁外徑與盾構(gòu)機挖成的圓孔道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(jié)構(gòu)，成為世界地鐵建筑史上的典范。1990 年建成投產(chǎn)運行至今，隧道安全可靠，從未出現(xiàn)任何工程質(zhì)量事故。事實證明，采用球鐵隧道壁板支承防護結(jié)構(gòu)是最安全、施工安裝快捷的隧道支承防護措施。隨后日本于1991 年開始在所有隧道中普遍采用球鐵壁板支承防護結(jié)構(gòu)，截止2006 年底，日本已建和在建的隧道工程總數(shù)為241 項，全部都采用球鐵隧道壁板支承結(jié)構(gòu)模式（圖2），這對日本島國多發(fā)地震的國家無疑是最具安全保證的千秋大計。丹麥、德國等發(fā)達(dá)國家不論陸地、江河、海底隧道也都采用安全可靠的球鐵隧道壁板支承結(jié)構(gòu)模式。

圖1 英吉利海峽跨海隧道英國一側(cè)的球鐵壁板裝配后兩種規(guī)格單元圖片

圖2 日本地鐵兩種規(guī)格圖片和地下水道圖片

在我國，地鐵隧道工程建設(shè)發(fā)展滯后，過去由于我國隧道挖掘主要依靠人工挖掘，當(dāng)時沒有引進盾構(gòu)機挖掘施工，隧道工程主要采用混凝土砌塊砌筑拱壁。據(jù)悉，時至今日我國有不少大城市已建和在建城市地鐵隧道工程仍采用落后的、安全可靠性低的混凝土砌塊砌筑拱壁形式，這種隧道設(shè)計施工技術(shù)質(zhì)量水平要比發(fā)達(dá)國家落后30～40 年。改革開放以來，我國經(jīng)濟實力顯著增強，成為世界第二大經(jīng)濟體，特別是我國有了國產(chǎn)盾構(gòu)機，為建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化、高質(zhì)量的隧道工程提供了有力的現(xiàn)代化隧道施工技術(shù)。從隧道質(zhì)量安全和施工快捷的角度考慮，在我國隧道工程采用球鐵壁板支承防護，采取安全可靠的技術(shù)改進措施應(yīng)當(dāng)提到國家相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)部門的決策程序。據(jù)悉，大連至煙臺海底123 公里地鐵隧道工程已納入建設(shè)計劃,從千秋大計質(zhì)量安全考慮，海底地鐵隧道工程壁支承結(jié)構(gòu)應(yīng)立即取締質(zhì)量安全沒有保證的混凝土砌塊砌筑拱壁支承結(jié)構(gòu)，尤其應(yīng)考慮地震因素，地震的能量釋放是由地球深層向地球表面發(fā)生高頻搖晃振動，而地表構(gòu)筑物多數(shù)是因抗拉強度過低而遭受嚴(yán)重破壞的。據(jù)資料【2】取高強度高性能混凝土最高牌號C100 級，其抗拉強度可選取其抗壓強度的1/10～1/20 估算，如考慮有鋼筋預(yù)埋件加強，其抗拉強度會有所提高，本案按其抗壓強度的1/5～1/10 選取，C100 級抗壓強度為100MPa 時，其抗拉強度為10MPa～20MPa，而采用球鐵壁板（材質(zhì)為QT600-3）的抗拉強度是鋼筋混凝土砌塊砌筑拱壁抗拉強度的30～60 倍以上。如果海底隧道工程依然采用混凝土砌塊砌筑拱壁支承防護結(jié)構(gòu)，如遭受強烈地震，必然會使隧道出現(xiàn)局部垮塌透水，傾刻整個隧道全被海水淹沒無法修復(fù)。因海水是抽不凈也抽不完的，使整個隧道功虧一簣，全部報廢，同時造成國家財產(chǎn)和生命安全的巨大損失。所以改進和提升隧道壁板結(jié)構(gòu)強度是確保質(zhì)量安全的當(dāng)務(wù)之急。

2 采用球鐵壁板的優(yōu)勢及生產(chǎn)工藝簡介

2.1 生產(chǎn)球鐵壁板的主要原材料是鑄造生鐵、稀土硅鎂球化劑、硅鐵孕育劑等。在我國成為鋼鐵大國的情況下，不僅國內(nèi)原材料供應(yīng)有保證，而且還大量出口外銷，生產(chǎn)球鐵隧道壁板是隧道建設(shè)結(jié)構(gòu)的更新?lián)Q代的新產(chǎn)品，有利于拉動內(nèi)需，緩解和改善冶金和鑄造行業(yè)產(chǎn)能過剩的局面。

2.2 采用球鐵隧道壁板，不需要重新建設(shè)本行業(yè)配套鑄造廠，球鐵壁板重量一般在500kg/件～1000kg/件，形狀比較簡單，品種不多，不需要太大的復(fù)雜高難技術(shù)，可以充分利用社會上現(xiàn)有的鑄造廠稍加技術(shù)改造即可，就近尋找鑄造廠家訂貨供應(yīng)。

2.3 鑄造工藝選擇

由于本產(chǎn)品屬于長方弧形四框帶加強筋的薄壁球鐵鑄件（圖3），又是關(guān)系地鐵隧道質(zhì)量的安全性構(gòu)件，必須采用先進的鑄造工藝來生產(chǎn)才能確保鑄件的質(zhì)量要求，最早英國采用樹脂砂脫箱造型生產(chǎn)工藝，因為他們的球鐵壁板重量較小，都在500kg 以下。后來日本改進為V 法造型生產(chǎn)線生產(chǎn)并申請了專利，這一產(chǎn)品成為一家鑄造廠的支柱產(chǎn)品，盈利很大。我們選擇的是國內(nèi)成熟的鐵型覆砂鑄造生產(chǎn)線生產(chǎn)[1]。鐵型覆砂工藝是利用鑄造粗成形的鐵型內(nèi)腔表面覆上一層很薄的水玻璃砂襯所形成的鑄型生產(chǎn)鑄件的工藝。這一工藝的主要優(yōu)點是鐵型內(nèi)表面覆上一層砂襯后的鑄型，能夠有效地承受高溫鐵液的熱沖擊，型內(nèi)最高溫度可由600℃降到200℃左右，鐵型的熱應(yīng)力明顯降低，提高鐵型的使用壽命，使用壽命可達(dá)十幾萬次。同時由于鐵型覆砂的鑄型有足夠的強度和剛度，覆砂層硬度高（90 以上），可避免鑄件出現(xiàn)脹砂、沖砂等缺陷。對于球鐵可充分利用鐵液凝固時石墨膨脹而產(chǎn)生組織加工硬化的特性，消除縮孔、縮松等缺陷。本工藝是在雙工位覆砂造型機上對準(zhǔn)鐵型射砂孔射砂造型，在0.5MPa 壓縮空氣下，利用顆粒動力學(xué)原理氣砂兩相的動能作用，使射砂筒內(nèi)射入鐵型內(nèi)腔的砂流連續(xù)、緊實，然后利用一側(cè)帶槽的壓板壓住鑄型頂面吹入CO2氣，短時間即可使覆砂層硬化，脫模后就可進行噴涂料、合箱澆注。其工藝流程見圖4 所示。

圖3 日本隧道工程用球鐵壁板圖片

圖4 鐵型覆砂鑄造生產(chǎn)線流程圖

鑄件經(jīng)過拋丸清理后，首先經(jīng)CT 探傷掃描檢測逐個從頭到尾檢驗，發(fā)現(xiàn)有缺陷鑄件立即推出，不漏掉一個廢品，合格品經(jīng)機加車間銑（或刨）光四周邊框并鉆孔，然后到清洗池清洗后吹熱風(fēng)烘干，最后噴涂可溶性特種塑料防銹層即可交貨。本工藝主要優(yōu)點是不產(chǎn)生有害氣體和粉塵污染，是一種用砂量少、無粉塵排放的環(huán)保型綠色鑄造。

3 市場前景綜述

隨著我國城市化進程加快，有許多大城市為解決行路難的問題，都在規(guī)劃建設(shè)地鐵快速通道，我國西部大開發(fā)鐵路建設(shè)要逐步建成網(wǎng)絡(luò)化大通道，也遇到修筑許多穿山隧道的問題，同時南水北調(diào)工程也要建設(shè)江河地下隧道，大連至煙臺海底地鐵隧道已批準(zhǔn)立項建設(shè)，湛江至?？诘人臈l海底地鐵隧道也在規(guī)劃論證之中，可以肯定的是，從現(xiàn)在起決不能再延用傳統(tǒng)落后的、質(zhì)量安全無保證的混凝土砌塊砌筑隧道拱壁支承結(jié)構(gòu)，國內(nèi)以球鐵隧道壁板取代混凝土砌塊砌筑隧道拱壁已是大勢所趨。僅以大連至煙臺地鐵隧道按五年建成為例，每年所需球鐵壁板供貨量就在30 萬噸左右，據(jù)初步估計，全國在建和擴建的隧道項目如采用球鐵壁板年需量至少在60 萬噸以上。本研究設(shè)計方案同樣適用于公路隧道建設(shè)，其壁板需求量更大。同時這種球鐵壁板由于工藝先進、工人用量少、型砂用量少、生產(chǎn)成本較低，在國際市場上也有很大的競爭優(yōu)勢，具有巨大的出口外銷潛力。因此及早抓緊研制各種規(guī)格隧道壁板正處于良好時期，這種高強度球鐵壁板將成為隧道工程的安全構(gòu)件進入安全質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化系列化產(chǎn)品的新版本。

4 結(jié)論

采用球鐵壁板組裝成的圓管形整體支承防護結(jié)構(gòu)，既能防滲水，又能防地震，其整體結(jié)構(gòu)的抗拉強度是鋼筋混凝土砌塊砌筑隧道拱壁抗拉強度的30～60 倍以上，是隧道工程建設(shè)的重大技術(shù)進步。球鐵壁板將成為確保隧道工程質(zhì)量安全的重要安全構(gòu)件被廣泛推廣使用于鐵路公路隧道工程建設(shè)，具有重大的社會經(jīng)濟技術(shù)和深遠(yuǎn)的科學(xué)發(fā)展價值。

[1]吳成玉,吳鎮(zhèn).鐵型覆砂鑄造工藝生產(chǎn)球鐵管件之我見[J].中國鑄造裝備與技術(shù).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.