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(chéng)機(jī)電有限公司，遼寧大連 116600；2.齊齊哈爾第一機(jī)床有限公司，黑龍江齊齊哈爾 161005；3.中國(guó)鐵道學(xué)會(huì)鐵道安全委員會(huì)，北京 100083；4.大連市普灣新區(qū)豐榮辦事處，遼寧大連 116200）

1 國(guó)內(nèi)外隧道工程質(zhì)量的差距及改進(jìn)必要性

國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家早在上個(gè)世紀(jì)七十年代就開始研究改進(jìn)隧道工程內(nèi)壁的支承防護(hù)安全措施。1975年英法兩國(guó)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(duì)安全，在工程前期曾作過(guò)在服務(wù)隧道中分別進(jìn)行過(guò)擴(kuò)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(hù)，經(jīng)檢測(cè)對(duì)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(cè)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(diǎn)檢測(cè)結(jié)果表明,混凝土砌塊砌筑隧道拱壁不適用于地鐵運(yùn)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(hù)結(jié)構(gòu)（圖1），而球鐵管壁外徑與盾構(gòu)機(jī)挖成的圓孔道之間的空隙用高強(qiáng)度速凝水泥砂漿充填搗實(shí)形成牢固密封為一體的高強(qiáng)度隧道支承防護(hù)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(yùn)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(shí)證明，采用球鐵隧道壁板支承防護(hù)結(jié)構(gòu)是最安全、施工安裝快捷的隧道支承防護(hù)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(hù)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(xiàng)，全部都采用球鐵隧道壁板支承結(jié)構(gòu)模式（圖2），這對(duì)日本島國(guó)多發(fā)地震的國(guó)家無(wú)疑是最具安全保證的千秋大計(jì)。丹麥、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)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(guó)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(guó)，地鐵隧道工程建設(shè)發(fā)展滯后，過(guò)去由于我國(guó)隧道挖掘主要依靠人工挖掘，當(dāng)時(shí)沒(méi)有引進(jìn)盾構(gòu)機(jī)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(shí)至今日我國(guó)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(jì)施工技術(shù)質(zhì)量水平要比發(fā)達(dá)國(guó)家落后30～40 年。改革開放以來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力顯著增強(qiáng)，成為世界第二大經(jīng)濟(jì)體，特別是我國(guó)有了國(guó)產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)，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(guó)隧道工程采用球鐵壁板支承防護(hù)，采取安全可靠的技術(shù)改進(jìn)措施應(yīng)當(dāng)提到國(guó)家相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)部門的決策程序。據(jù)悉，大連至煙臺(tái)海底123 公里地鐵隧道工程已納入建設(shè)計(jì)劃,從千秋大計(jì)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(méi)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(dòng)，而地表構(gòu)筑物多數(shù)是因抗拉強(qiáng)度過(guò)低而遭受嚴(yán)重破壞的。據(jù)資料【2】取高強(qiáng)度高性能混凝土最高牌號(hào)C100 級(jí)，其抗拉強(qiáng)度可選取其抗壓強(qiáng)度的1/10～1/20 估算，如考慮有鋼筋預(yù)埋件加強(qiáng)，其抗拉強(qiáng)度會(huì)有所提高，本案按其抗壓強(qiáng)度的1/5～1/10 選取，C100 級(jí)抗壓強(qiáng)度為100MPa 時(shí)，其抗拉強(qiáng)度為10MPa～20MPa，而采用球鐵壁板（材質(zhì)為QT600-3）的抗拉強(qiáng)度是鋼筋混凝土砌塊砌筑拱壁抗拉強(qiáng)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(hù)結(jié)構(gòu)，如遭受強(qiáng)烈地震，必然會(huì)使隧道出現(xiàn)局部垮塌透水，傾刻整個(gè)隧道全被海水淹沒(méi)無(wú)法修復(fù)。因海水是抽不凈也抽不完的，使整個(gè)隧道功虧一簣，全部報(bào)廢，同時(shí)造成國(guó)家財(cái)產(chǎn)和生命安全的巨大損失。所以改進(jìn)和提升隧道壁板結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(shì)及生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)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(guó)成為鋼鐵大國(guó)的情況下，不僅國(guó)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(dòng)內(nèi)需，緩解和改善冶金和鑄造行業(yè)產(chǎn)能過(guò)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(jiǎn)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(huì)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(zhǎng)方弧形四框帶加強(qiáng)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(jìn)的鑄造工藝來(lái)生產(chǎn)才能確保鑄件的質(zhì)量要求，最早英國(guó)采用樹脂砂脫箱造型生產(chǎn)工藝，因?yàn)樗麄兊那蜩F壁板重量較小，都在500kg 以下。后來(lái)日本改進(jìn)為V 法造型生產(chǎn)線生產(chǎn)并申請(qǐng)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(guó)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(diǎn)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(wàn)次。同時(shí)由于鐵型覆砂的鑄型有足夠的強(qiáng)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(duì)于球鐵可充分利用鐵液凝固時(shí)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(jī)上對(duì)準(zhǔn)鐵型射砂孔射砂造型，在0.5MPa 壓縮空氣下，利用顆粒動(dòng)力學(xué)原理氣砂兩相的動(dòng)能作用，使射砂筒內(nèi)射入鐵型內(nèi)腔的砂流連續(xù)、緊實(shí)，然后利用一側(cè)帶槽的壓板壓住鑄型頂面吹入CO2氣，短時(shí)間即可使覆砂層硬化，脫模后就可進(jìn)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(guò)拋丸清理后，首先經(jīng)CT 探傷掃描檢測(cè)逐個(gè)從頭到尾檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)有缺陷鑄件立即推出，不漏掉一個(gè)廢品，合格品經(jīng)機(jī)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(diǎn)是不產(chǎn)生有害氣體和粉塵污染，是一種用砂量少、無(wú)粉塵排放的環(huán)保型綠色鑄造。

3 市場(chǎng)前景綜述

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程加快，有許多大城市為解決行路難的問(wèn)題，都在規(guī)劃建設(shè)地鐵快速通道，我國(guó)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(wèn)題，同時(shí)南水北調(diào)工程也要建設(shè)江河地下隧道，大連至煙臺(tái)海底地鐵隧道已批準(zhǔn)立項(xiàng)建設(shè)，湛江至海口等四條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(wú)保證的混凝土砌塊砌筑隧道拱壁支承結(jié)構(gòu)，國(guó)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(shì)所趨。僅以大連至煙臺(tái)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(wàn)噸左右，據(jù)初步估計(jì)，全國(guó)在建和擴(kuò)建的隧道項(xiàng)目如采用球鐵壁板年需量至少在60 萬(wàn)噸以上。本研究設(shè)計(jì)方案同樣適用于公路隧道建設(shè)，其壁板需求量更大。同時(shí)這種球鐵壁板由于工藝先進(jìn)、工人用量少、型砂用量少、生產(chǎn)成本較低，在國(guó)際市場(chǎng)上也有很大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，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(shí)期，這種高強(qiáng)度球鐵壁板將成為隧道工程的安全構(gòu)件進(jìn)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(hù)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(qiáng)度是鋼筋混凝土砌塊砌筑隧道拱壁抗拉強(qiáng)度的30～60 倍以上，是隧道工程建設(shè)的重大技術(shù)進(jìn)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(huì)經(jīng)濟(jì)技術(shù)和深遠(yuǎn)的科學(xué)發(fā)展價(jià)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(guó)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.