摘要: 結(jié)合擠壓混凝土工法的開發(fā)過程與現(xiàn)狀,重點(diǎn)分析了擠壓混凝土襯砌的特點(diǎn),以及與常用的盾構(gòu)管片的優(yōu)缺點(diǎn),討論了在施工時(shí)擠壓混凝土工法與常規(guī)的隧道施工的不同之處,最后詳列出擠壓混凝土工法當(dāng)前存在的問題和技術(shù)難題。

關(guān)鍵詞: 擠壓混凝土; 盾構(gòu)管片; 襯砌

中圖分類號(hào): TU755. 6 + 3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: B

1 發(fā)展現(xiàn)狀

  　擠壓混凝土襯砌法即ECL工法,是英文ExtrudedConcrete L ining的簡(jiǎn)稱,在20世紀(jì)初就為人所知。德國(guó)于1910年、法國(guó)于1911年、俄國(guó)于1912年就申請(qǐng)了專利。但由于該工法需要輸送混凝土的機(jī)械和專門的開挖設(shè)備,并未獲得推廣。正式研究應(yīng)用是在20世紀(jì)60年代, 1965年蘇聯(lián)首次應(yīng)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(lián)為首的東歐各國(guó)先行一步,但其地質(zhì)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(xiàn)澆襯砌,擴(kuò)大了其適用范圍,工法的基本構(gòu)成還是與素混凝土相同,但在開創(chuàng)隧道施工工法上前進(jìn)了一大步。截止到上世紀(jì)90年代,各國(guó)已有一些工程實(shí)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(shù)人員把密閉盾構(gòu)技術(shù)與ECL襯砌技術(shù)有機(jī)結(jié)合并應(yīng)用于工程實(shí)踐,再次將該工法的適用范圍擴(kuò)大。ECL工法已成為繼盾構(gòu)法之后隧道工法的一大創(chuàng)新。

2 ECL工法簡(jiǎn)介及施工流程

　　ECL是通過在盾尾現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土以形成襯砌的隧道施工方法。為此在盾構(gòu)尾部配備模板機(jī)構(gòu),在盾構(gòu)殼和模板之間設(shè)置堵頭板,在盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)擠壓混凝土襯砌,并以一定的壓力持續(xù)的灌注混凝土。這種方法灌注的混凝土襯砌不會(huì)在模板和圍巖之間出現(xiàn)尾部空隙,也就不會(huì)讓圍巖松動(dòng)。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(xiàn)僅介紹日本信濃川水力發(fā)電擴(kuò)建工程2號(hào)引水隧道中采用鋼筋混凝土類襯砌系統(tǒng)的施工流程,詳見圖2。圖中一次掘進(jìn)的長(zhǎng)度等于三次開挖、推進(jìn)長(zhǎng)度的總和。

3 ECL工法和盾構(gòu)管片的特點(diǎn)

3. 1　ECL工法的特點(diǎn)

　　①高質(zhì)量的襯砌: ECL工法構(gòu)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(qiáng)度和密度大大提高。模板拼裝和混凝土的壓注都是連續(xù)進(jìn)行的,襯砌接頭少,具有更好的整體性和防水性。

　?、诤侠淼囊r砌形式: ECL工法可以構(gòu)筑多種類型襯砌,隧道襯砌根據(jù)地層條件和施工條件進(jìn)行綜合研究,以便構(gòu)成安全的結(jié)構(gòu),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(qiáng)混凝土( SRC) 、預(yù)應(yīng)力混凝土( PC) 。

　?、劭焖偈┕?與常規(guī)盾構(gòu)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(xù)機(jī)械化作業(yè);與NATM相比,速度可望提高至兩倍。日本信濃川水力發(fā)電擴(kuò)建工程2號(hào)引水隧道的一段長(zhǎng)3. 1 km、外徑8. 4m、內(nèi)徑7. 6m的隧道,采用擠壓混凝土襯砌,施工速度達(dá)到月進(jìn)340m。

　?、芪⑿〉牡鼗两? ECL工法在盾構(gòu)推進(jìn)的同時(shí),將尚未凝結(jié)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(shí)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(chǎn)生松弛和下沉。在法國(guó)里昂地鐵D線一段穿越羅納河和索恩河兩條河流的區(qū)間隧道中,采用擠壓混凝土襯砌結(jié)構(gòu)施工,地面沉降接近于零。

　?、莺侠淼慕Y(jié)構(gòu)受力:由于混凝土緊貼在圍巖上,地基反力變?yōu)橛欣蛩?所受的地層壓力相當(dāng)均勻。因而結(jié)構(gòu)軸向力增加,彎矩減少,對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)受力有利。

　?、薜土墓こ淘靸r(jià):采用經(jīng)濟(jì)廉價(jià)的現(xiàn)澆混凝土取代了昂貴的預(yù)制管片,并節(jié)省了大量縱、環(huán)縫防水材料和連接螺栓。同時(shí)由于施工工序少,襯砌與開挖同步進(jìn)行,工期縮短。

3. 2 盾構(gòu)管片襯砌的特點(diǎn)

　　20世紀(jì)60年代以來(lái),盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)已逐漸推廣應(yīng)用拼裝式鋼筋混凝土管片,這種管片有一定的強(qiáng)度,耐腐蝕,加工制作比較容易[ 3 ] ; 采用鋼模制作(單塊生產(chǎn))時(shí),可保證管片的精度(國(guó)內(nèi)外都能達(dá)到±0. 5mm) ,因此為目前最為常用的襯砌。但在實(shí)際應(yīng)用過程中, 預(yù)制混凝土管片暴露出一些問題出來(lái)[ 7 ] :

　　①厚度一般較大,比較笨重,一般地鐵工程單個(gè)管片的重量可達(dá)5～6 t。在超大直徑盾構(gòu)隧道中,以南京長(zhǎng)江隧道工程左汊隧道為例,管片外徑為14. 5m,標(biāo)準(zhǔn)塊管片的重量達(dá)11 t。

　?、谶\(yùn)輸安裝過程中,邊緣易破損,尤其是箱形管片,在盾構(gòu)千斤頂作用下很容易頂裂。

　?、燮囱b成環(huán)時(shí),因管片制作精度不高,端面不平,擰緊螺栓時(shí)往往使管片局部產(chǎn)生較大的集中應(yīng)力,從而導(dǎo)致開裂。

　?、芙Y(jié)構(gòu)破壞大都開始于薄弱的接縫處。當(dāng)盾構(gòu)千斤頂施加在環(huán)縫面上,特別是在偏心作用時(shí),也會(huì)使管片頂裂、頂碎。

　　⑤管片預(yù)制階段要精心養(yǎng)護(hù)。

　　⑥環(huán)縫防水、嵌縫槽防水及螺栓孔防水比較難控制,且材料價(jià)格不菲。

　?、叨芪补芷龆芪矔r(shí)處于最不利受力狀態(tài),必須配用大量的鋼筋和采用復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

　?、嘁缘罔F工程為例,其管片制作費(fèi)用,約占隧道工程總投資的45%左右。

4 ECL施工時(shí)對(duì)混凝土的要求和施工注意事項(xiàng)

4. 1 對(duì)混凝土要求

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

　?、倩炷猎跀嚢韬鬄榱瞬辉诠艿纼?nèi)硬化,自側(cè)模開始澆筑時(shí)順利的移動(dòng),并且能壓注到密閉空間的每個(gè)角落,要求混凝土在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)具有良好的抗離析性和流動(dòng)性。

　?、诨炷猎诠嘧?4 h后脫模,必須支護(hù)全部的土壓力和水壓力,這就要求混凝土具有高強(qiáng)度和抗?jié)B性、耐久性。

　　由于高強(qiáng)度和流動(dòng)性性質(zhì)相反,這也是ECL工法對(duì)混凝土質(zhì)量要求的一大特點(diǎn)。以日本信濃川水電站第二水工隧道為例,必須在3 h內(nèi)保持20 cm以上塌落度的長(zhǎng)時(shí)間流動(dòng)性[ 4 ] , 設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度為24MPa,而24 h的抗壓強(qiáng)度就達(dá)10MPa。

4. 2 混凝土施工時(shí)的注意事項(xiàng)

　　①這種施工工法使用的混凝土,期望有長(zhǎng)時(shí)間的流動(dòng)性與早期強(qiáng)度的相反性質(zhì),為此需要選定適于現(xiàn)場(chǎng)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(shí)注意骨料的顆粒分布。

　?、垡运鼗炷潦┕槔?在施工時(shí)就推進(jìn)速度而言,加壓速度太快會(huì)使混凝土因脫水壓密而破壞其流動(dòng)性,導(dǎo)致不能壓注;加壓速度太慢則不能達(dá)到混凝土與圍巖的密合效果。所以施工時(shí)必須配合盾構(gòu)的推進(jìn)速度,控制混凝土加壓千斤頂?shù)臄D壓速度,還應(yīng)該注意混凝土的質(zhì)量管理,保證其流動(dòng)性和脫模時(shí)所需的強(qiáng)度。

5 ECL工法的適用范圍及受限制的原因

　　ECL工法對(duì)地層條件的適用性比較廣泛,能確保地層穩(wěn)定和施工安全,對(duì)混凝土直接壓注可構(gòu)成優(yōu)質(zhì)的襯砌結(jié)構(gòu)。該工法的適用范圍要根據(jù)地質(zhì)條件、襯砌結(jié)構(gòu)截面形狀、盾構(gòu)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(gòu)法掘進(jìn)的地層大體上都可以采用該工法,要進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)總評(píng)價(jià)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(jī)械開挖的山嶺隧道。

　　自從應(yīng)用于工程實(shí)踐以來(lái),完善ECL工法的努力一直沒有停止,但在實(shí)際工程中應(yīng)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:

　?、賹?duì)于不同的地層條件, ECL 工法所形成的襯砌環(huán)外壁凹凸不平,如圖3所示[ 6 ] 。由于襯砌環(huán)厚度不均勻,在計(jì)算襯砌強(qiáng)度和剛度時(shí)差異較大,設(shè)計(jì)的混凝土厚度與實(shí)際形成的襯砌厚度差異隨地層變化;

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

　?、塾捎诠こ虒?shí)踐中存在的各類問題尚未解決,ECL工法不但提高不了盾構(gòu)施工速度,反而不利于發(fā)揮盾構(gòu)快速施工的優(yōu)勢(shì)。

6 當(dāng)前存在的問題

　　表2是今后擴(kuò)大和確定這種新技術(shù)適用范圍的課題。

　　其中特別是對(duì)于開發(fā)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(shí),著重在ECL使用水泥的開發(fā)和纖維混凝土的應(yīng)用方面加強(qiáng)研究。在ECL 系統(tǒng)內(nèi)(內(nèi)模設(shè)備最后端)開發(fā)由連續(xù)施工而不產(chǎn)生收縮接縫的施工設(shè)備。

　　其次關(guān)于襯砌混凝土的防水對(duì)策,由于混凝土連續(xù)澆筑中機(jī)械維修,或者由于其它原因澆筑中斷,從而產(chǎn)生接縫,在這些地方需要注意防止漏水,實(shí)際施工中可在接縫處采用實(shí)驗(yàn)的膨脹砂漿進(jìn)行改善,或改善混凝土灌注機(jī)械、在混凝土灌注接頭處使用止水材料等方法。

　　在我國(guó)盾構(gòu)技術(shù)相對(duì)較為成熟的上海,具有應(yīng)用ECL工法的可行性,考慮到ECL 工法的經(jīng)濟(jì)效益,開發(fā)、應(yīng)用ECL工法顯得更有必要。除了研究表二所列出的各項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn)外,同時(shí)必須研制出ECL工法高效施工的輔助技術(shù),如激光引導(dǎo)技術(shù)、計(jì)算機(jī)自動(dòng)數(shù)據(jù)采集處理技術(shù)、全自動(dòng)測(cè)量及方向控制系統(tǒng)技術(shù)等,以及與ECL工法最佳組合的泥水平衡式盾構(gòu)?？傊? ECL工法為當(dāng)前隧道界最先進(jìn)的一種工法,在日本及歐洲國(guó)家其應(yīng)用前景被看好,所以該工法在我國(guó)的應(yīng)用前景也是十分廣闊的。

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