城市地下空間開發(fā)新型材料的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

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(fā)工程技術(shù)研究中心，杭州310058；2.浙江大學(xué)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(guó)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展、城市人口急劇增長(zhǎng)，為解決城市交通與環(huán)境問題，修建各式地下工程成為必然趨勢(shì)，如各種點(diǎn)狀地下空間設(shè)施[1]（站前廣場(chǎng)、市民廣場(chǎng)、綠化廣場(chǎng)等）、線性地下空間設(shè)施（地鐵、綜合管廊、排水暗溝等）以及網(wǎng)絡(luò)狀地下空間。城市地下空間開發(fā)有利于國(guó)土資源的充分開發(fā)利用，但同樣面臨著許多問題與挑戰(zhàn)。工程中采用何種材料將極大地影響施工進(jìn)度以及施工質(zhì)量。因此，研究新型高效的工程材料是地下空間開發(fā)領(lǐng)域一個(gè)重要而緊迫的問題。

城市地下空間因其開發(fā)環(huán)境復(fù)雜，周邊構(gòu)筑物密度大的特點(diǎn)，不僅要保證開挖、支護(hù)的安全施工，同時(shí)還要盡量減少對(duì)周圍構(gòu)筑物的影響。且隨著地下空間開發(fā)向更廣、更深方向發(fā)展，亟需新型材料支撐工程技術(shù)的發(fā)展。本文從開挖機(jī)械材料、支護(hù)材料、環(huán)境保護(hù)材料三個(gè)方面出發(fā)，首先分析了當(dāng)前城市地下空間開發(fā)過程中所使用的主流材料及其優(yōu)缺點(diǎn)，例如盾構(gòu)刀圈刀具易磨損、崩裂；鋼筋混凝土盾構(gòu)管片工藝簡(jiǎn)單但易破損、生產(chǎn)繁瑣；傳統(tǒng)支護(hù)方法水泥用量大，污染嚴(yán)重；水泥注漿簡(jiǎn)單可靠但可灌性差，化學(xué)注漿可灌性好但有毒、耐久性低等。然后，對(duì)新型材料的使用現(xiàn)狀以及未來趨勢(shì)進(jìn)行分析，如粗晶硬質(zhì)合金刀具、纖維混凝土管片、超細(xì)水泥注漿等，有些仍處于試驗(yàn)階段，但擁有不錯(cuò)的發(fā)展前景，如自愈合混凝土、生物注漿等綠色環(huán)保材料。最后總結(jié)了地下空間開發(fā)過程中各類型材料存在的問題，并提出未來的發(fā)展方向，為今后的材料研發(fā)提供參考依據(jù)。

二、開挖機(jī)械材料

在城市地鐵隧道施工中，最常用的施工機(jī)械是盾構(gòu)機(jī)。盾構(gòu)機(jī)在施工過程中，通過刀盤上的刀具對(duì)前方巖土進(jìn)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(gè)盾構(gòu)進(jìn)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(duì)于堅(jiān)硬的巖石，盾構(gòu)機(jī)利用滾刀對(duì)巖石進(jìn)行滾壓破巖，滾刀刀圈在掘進(jìn)過程中，不僅受到徑向的破巖壓力，還與巖石發(fā)生強(qiáng)烈的摩擦。因此需要刀圈材料具備極高的硬度、強(qiáng)度以及沖擊韌性[2]。

國(guó)內(nèi)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(zhì)合金集團(tuán)有限公司生產(chǎn)了一種新型可鍛硬質(zhì)合金刀圈[3]，其表面硬度達(dá)到60 HRC以上，沖擊韌性≥15 J/cm2，其性能與國(guó)外產(chǎn)品相當(dāng)。該種硬質(zhì)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(nèi)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(zhì)合金是盾構(gòu)刀具的常用材料。導(dǎo)致刀具失效的主要原因?yàn)闆_擊、沖擊疲勞以及熱疲勞裂紋。因此，要求刀具具有高導(dǎo)熱性和低熱膨脹系數(shù)，以限制熱裂紋的生長(zhǎng)速率，提高刀具的耐沖擊疲勞。

硬質(zhì)合金按碳化鎢（WC）晶粒度可以分為納米晶、細(xì)晶和粗晶等。根據(jù)瑞典Sandvik公司的標(biāo)準(zhǔn)，晶度大于3.5 μm則可以歸于粗晶硬質(zhì)合金。

目前國(guó)際上先進(jìn)的掘進(jìn)機(jī)械工具刀頭都采用特粗晶硬質(zhì)合金材料。粗晶硬質(zhì)合金因其晶粒尺寸較大，與傳統(tǒng)硬質(zhì)合金相比，具有更強(qiáng)的硬度、沖擊韌性、紅硬性，以及更高的導(dǎo)熱率[4]。有研究認(rèn)為硬質(zhì)合金晶度在3～5 μm時(shí)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(gòu)施工過程中，硬質(zhì)合金刀頭不會(huì)與母體分離，通常會(huì)在硬質(zhì)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(dǎo)致表面裂紋很多，焊層易脫落，不耐沖擊。

目前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)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(yōu)異，但其價(jià)格昂貴，在應(yīng)用成本上沒有優(yōu)勢(shì)。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(dá)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(dāng)?shù)目煽啃阅芫哂兄卮笠饬x[6]。

三、支護(hù)材料

在盾構(gòu)施工中，預(yù)制管片是主要的襯砌結(jié)構(gòu)。管片必須滿足工程所要求的抗壓、抗變形、抗?jié)B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(gòu)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(yùn)輸安裝過程中邊角易破損，如圖1所示[8]；②易產(chǎn)生裂縫，影響耐久度；③耐火性較差；④鋼筋配置繁瑣，生產(chǎn)功效低等。除此之外，傳統(tǒng)的支護(hù)方式因其水泥用量大，會(huì)造成材料浪費(fèi)及環(huán)境污染，新型綠色支護(hù)技術(shù)及材料有助于解決這些問題。

圖1 管片破損示意圖

（一）預(yù)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(tǒng)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(yōu)點(diǎn)包括[9]：抗拉、抗彎、抗剪等力學(xué)性能提高；韌性增強(qiáng)，耐疲勞性能提高；抗凍、耐熱、耐腐蝕等化學(xué)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(zhì)量。復(fù)合纖維混凝土材料不僅在力學(xué)性能上有所提升，同時(shí)還兼具經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)：①節(jié)省鋼筋水泥用量；②減少鋼筋加工工序；③降低設(shè)備磨損等。

纖維混凝土在國(guó)外已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，最新的如巴塞羅那地鐵9號(hào)線[11]，都取得了比較好的使用效果。在國(guó)內(nèi)，纖維管片大多處于試驗(yàn)階段，例如，上海地鐵6號(hào)線工程以及北京地鐵10號(hào)線工程等。混雜纖維管片兼具工程效果與經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，應(yīng)大力推進(jìn)研究及在工程中應(yīng)用。

2. 自愈合混凝土

近年來，不同學(xué)者提出了多種水泥基材料自愈合的理論[12]。關(guān)于自愈合材料的分類和名稱，尚未統(tǒng)一。根據(jù)機(jī)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(fù)合材料（如含修復(fù)劑的膠囊或者玻璃管）。當(dāng)混凝土材料出現(xiàn)裂縫時(shí)，載體（玻璃管或膠囊）在裂縫工作環(huán)境下破裂，修復(fù)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(zhǎng)被阻止，材料性能得到恢復(fù)甚至提高。

圖2 聚合物材料微膠囊自愈合原理

一般認(rèn)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(huán)氧樹脂或者聚氨酯等黏結(jié)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(fù)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(fù)系統(tǒng)。試件在荷載作用下產(chǎn)生裂縫，當(dāng)荷載卸除后，裂縫在SMA作用下完成機(jī)械性愈合。SMA雖然能夠很好地限制裂縫的生長(zhǎng)，但其成本極高并且對(duì)工作環(huán)境要求很高。這些缺點(diǎn)限制了SMA材料在水泥基材料自愈合中的應(yīng)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(xì)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(huì)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(nèi)部堿度，導(dǎo)致鋼筋腐蝕；②微生物載體會(huì)造成水泥基體內(nèi)部缺陷，降低混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和耐久性；③微生物自愈合不是一種即時(shí)修復(fù)方法，而且對(duì)于較寬的裂紋修復(fù)能力有限。微生物自愈合尚處于初步研究階段[17]，如需應(yīng)用到工程實(shí)踐當(dāng)中，還需進(jìn)行大量的試驗(yàn)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(dá)到自密實(shí)的效果。同時(shí)由于泌水性小，混凝土表面不會(huì)產(chǎn)生乳皮層，新老混凝土接觸面連接性能良好，具備優(yōu)異的一體化效果。

纖維自密實(shí)混凝土除了能夠提高混凝土的流動(dòng)性，減少泌水性。同樣也兼具了纖維混凝土的一些優(yōu)勢(shì)，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(hù)材料

在城市地下空間開發(fā)的過程中，樁錨支護(hù)加降水技術(shù)是主要的工程形式，造成大量的資源浪費(fèi)以及環(huán)境污染，并且會(huì)影響地下工程的后續(xù)施工。為解決這些問題，開發(fā)了一系列相對(duì)綠色環(huán)保的技術(shù)與材料。例如，采用長(zhǎng)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(nèi)插入型鋼與可回收錨索構(gòu)成圍護(hù)結(jié)構(gòu)，基坑支護(hù)作用結(jié)束后，回收型鋼與錨索鋼絞線；使用鋼管內(nèi)支撐代替混凝土內(nèi)支撐等。

這些綠色支護(hù)材料不僅節(jié)省資源、保護(hù)環(huán)境，還有利于臨近建筑物的施工。符合節(jié)水、節(jié)材、節(jié)地、節(jié)能、環(huán)境保護(hù)的“四節(jié)一環(huán)?！惫ぷ饕蟆?/p>

四、環(huán)境保護(hù)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(tǒng)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(jié)強(qiáng)度差；化學(xué)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(qiáng)調(diào)“以防為主、剛?cè)峤Y(jié)合、多道防線、綜合治理”的原則，各類防水材料都有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)與發(fā)展空間。

（一）注漿材料

1. 超細(xì)水泥注漿材料

超細(xì)水泥是采用超細(xì)粉磨技術(shù)對(duì)普通水泥顆粒進(jìn)行細(xì)化，生產(chǎn)方法分為干磨和濕磨兩種。超細(xì)水泥注漿有如下特點(diǎn)[20,21]：滲透性更好，可注入細(xì)砂，可灌性與化學(xué)漿材類似；懸浮液更加穩(wěn)定，析水時(shí)間延長(zhǎng)，析水率降低；抗壓強(qiáng)度、早強(qiáng)性能高；抗?jié)B性能好；凝結(jié)時(shí)間短。

超細(xì)水泥注漿發(fā)展時(shí)間較早，并在三峽工程中得到大規(guī)模應(yīng)用。但其生產(chǎn)成本較高，儲(chǔ)存、運(yùn)輸難度較大等缺點(diǎn)制約其使用范圍。除此以外，超細(xì)水泥的生產(chǎn)技術(shù)與設(shè)備亟待提高，有關(guān)超細(xì)顆粒特性的理論研究有待深入。

2. 堿激發(fā)材料

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

堿激發(fā)的注漿材料具有非常高的早期強(qiáng)度和最終強(qiáng)度，耐久性好、耐酸堿腐蝕、抗?jié)B性高、抗凍性好，不會(huì)導(dǎo)致堿集料反應(yīng)。但在材料干縮性能方面，堿激發(fā)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(jià)格低廉，并且其化學(xué)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(duì)不足，導(dǎo)致其活性較低，凝結(jié)性能差，尤其是早強(qiáng)性能差，因此無法單獨(dú)作為膠凝材料使用。

礦渣化學(xué)成分主要為CaO、Al2O3、SiO2，含量一般達(dá)90%以上，化學(xué)活性優(yōu)異并且可以輔助減水。雙摻、三摻工業(yè)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(jí)配效應(yīng)和更高的固結(jié)強(qiáng)度。

使用堿激發(fā)工業(yè)廢渣不僅是出于對(duì)材料性能的考慮，同時(shí)還考慮到環(huán)境保護(hù)，可以減少二氧化碳的排放。

3. 生物注漿材料

微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積（MICP）是一種新興的巖土工程加固技術(shù)。MICP注漿通過向原位砂土中傳輸菌液（如產(chǎn)脲酶的微生物）以及尿素和鈣源等營(yíng)養(yǎng)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(guó)內(nèi)外針對(duì)MICP的研究還是處于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)階段，初步實(shí)驗(yàn)研究表明，MICP注漿加固技術(shù)，可以有效提高地基的剛度、承載力及抗液化能力，相對(duì)化學(xué)注漿加固的砂土而言[23]，同時(shí)又能維持一定的滲透性。這就使MICP注漿技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)的水泥或化學(xué)注漿技術(shù)具有一定優(yōu)勢(shì)：①無需過大的注漿壓力，即可到達(dá)較廣的范圍，減小了施工對(duì)周邊環(huán)境的影響；②可以對(duì)已建成基礎(chǔ)設(shè)施的地基劣化處進(jìn)行直接處理；③施工時(shí)間短，而且作用周期長(zhǎng)，無需進(jìn)行養(yǎng)護(hù)[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(guī)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(qiáng)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(fā)劑通過噴射混合，引發(fā)聚合反應(yīng)，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(fù)合材料防水膜[25]。

丙烯酸鹽防水材料在20世紀(jì)80年代首先由日本提出。之后，美國(guó)、德國(guó)、加拿大等國(guó)相繼開展研究，但均處于試驗(yàn)和研究階段，并未進(jìn)入實(shí)質(zhì)性的工程應(yīng)用。我國(guó)西南交通大學(xué)一直在進(jìn)行相關(guān)的研究，并且從2005年開始，相繼在一些工程中進(jìn)行了應(yīng)用[26]。

丙烯酸鹽噴膜材料克服了防水板防水系統(tǒng)的缺點(diǎn)，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(diǎn)。但是在強(qiáng)堿環(huán)境下，其性能大幅度降低，因此仍需對(duì)其填料進(jìn)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(tǒng)防水材料的缺點(diǎn)，與傳統(tǒng)的防水材料相比，噴涂聚脲防水材料具有如下優(yōu)點(diǎn)[28]：①固化快，可在任意曲面噴涂成型，不產(chǎn)生流掛現(xiàn)象；②對(duì)濕度不敏感，可帶濕施工；③耐老化性能好；④拉伸強(qiáng)度高、伸長(zhǎng)率好；⑤涂層致密連續(xù)，無裂縫；⑥不含溶劑，環(huán)境友好。

結(jié)合以上特點(diǎn)，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(jié)力不夠強(qiáng)，易出現(xiàn)針眼氣泡的缺點(diǎn)亟待解決。

（3）水泥基滲透結(jié)晶防水材料

水泥基滲透結(jié)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(tuán)的化學(xué)復(fù)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(xué)物質(zhì)通過載體向混凝土內(nèi)部滲透，形成不溶于水的結(jié)晶體，填充裂縫，從而使內(nèi)部變得致密[30]。

水泥基滲透結(jié)晶防水材料的防水功能由兩部分組成，一是在內(nèi)部填充裂縫，二是在表面補(bǔ)償收縮。除此之外，還具有耐水壓、抗腐蝕、滲透深度大、防水時(shí)間長(zhǎng)、無毒環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[31]。水泥基滲透結(jié)晶防水材料不僅可以單獨(dú)作為防水層，還可以作為內(nèi)防水，與其他材料形成高效的復(fù)合防水層。

水泥基滲透結(jié)晶防水材料在我國(guó)很多工程中都得到了應(yīng)用，防水效果顯著，但其機(jī)理研究以及產(chǎn)品研發(fā)工作還不夠深入，主要仍依靠產(chǎn)品進(jìn)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(fēng)機(jī)噪聲經(jīng)過壁面的多次反射疊加，形成混響聲場(chǎng)，不僅影響空間內(nèi)乘客的舒適度，且對(duì)周邊范圍造成噪聲污染。降噪材料通?？煞譃楦袈暡牧虾臀暡牧希欢鴮?duì)于地下空間這樣的半封閉空間，隔聲材料反而會(huì)惡化空間內(nèi)噪聲環(huán)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(gòu)成一個(gè)立體的吸聲體系，從而有效降噪。根據(jù)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(dāng)聲波接觸到材料時(shí)，引起材料空隙內(nèi)空氣振動(dòng)，由于空氣與材料間的黏滯力，動(dòng)能不斷轉(zhuǎn)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(yīng)用不斷增長(zhǎng)，并且向“環(huán)?！毙偷男屡d復(fù)合材料方向發(fā)展。

例如，朱萬(wàn)旭等[32]利用陶?；炷林瞥傻男滦臀暯Y(jié)構(gòu)，鋪設(shè)在軌道的鋼軌之間建立降噪系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)證明降噪效果可達(dá)4～5 dB并且具有較寬的降噪頻段。

魏定邦[33]將開級(jí)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(cè)得其降噪系數(shù)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(cuò)的吸聲效果。同時(shí)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(shù)。

郭凱[35]研究了不同粒徑的淤污泥陶砂與膨脹珍珠巖對(duì)水泥基材料的吸聲性能、強(qiáng)度以及耐久性的影響。研究表明，淤污泥陶砂材料降噪系數(shù)低于傳統(tǒng)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(shù)達(dá)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(qiáng)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(fā)下產(chǎn)生振動(dòng)，材料自身的內(nèi)摩擦以及和空氣間的摩擦將聲能轉(zhuǎn)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(guī)模應(yīng)用于南京、北京等地的地鐵工程中。共振吸聲材料正向著結(jié)構(gòu)優(yōu)化、復(fù)合型的方向發(fā)展。

五、總結(jié)與展望

城市地下空間的開發(fā)不僅依賴于設(shè)計(jì)方法、施工手段，積極開發(fā)綠色、環(huán)保、高效、經(jīng)濟(jì)的新型材料同樣會(huì)幫助推動(dòng)城市地下空間更好更快地發(fā)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(jié)如下：

（1）開挖刀具的強(qiáng)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(tǒng)混凝土管片抗裂性差、耐久性低、生產(chǎn)效率低下。新型材料例如自愈合混凝土材料的相關(guān)機(jī)理研究不夠完善，也缺乏相應(yīng)的工程實(shí)際應(yīng)用。

（3）在支護(hù)結(jié)構(gòu)中大量采用水泥混凝土材料，造成大量的資源浪費(fèi)和環(huán)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(jié)強(qiáng)度差；化學(xué)類注漿有毒并且耐久性差等?？傮w而言，缺乏綜合性能優(yōu)異的注漿材料，同時(shí)新型生物注漿材料的潛力有待進(jìn)一步挖掘。

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

針對(duì)以上問題，對(duì)城市地下空間開發(fā)新型材料提出如下建議：

（1）開發(fā)強(qiáng)度更高、更耐磨的盾構(gòu)刀具設(shè)備。改進(jìn)其生產(chǎn)技術(shù)，制定更為完善的標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)刀具生產(chǎn)的國(guó)產(chǎn)化。

（2）推動(dòng)自愈合材料發(fā)展。自愈合材料有助于解決混凝土在服役狀態(tài)下對(duì)裂縫的控制，減少后期維護(hù)成本。同時(shí)加強(qiáng)對(duì)其進(jìn)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(jì)算、愈合效果的評(píng)估等。

（3）進(jìn)一步開發(fā)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(jiān)持“四節(jié)一環(huán)?！钡墓ぷ饕?。

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

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