摘要：介绍由高强韧性球墨铸铁—钢筋混凝土组合隧道壁板是一种涉及铁路(含城市地铁)、公路、江河水下和海底隧道及地下油库(含地下仓库、粮库、果菜库、停车场、核电站防护墙加固工程、人防工程等)拱壁的支承防护结构件的新技术、新工艺，新材料。组合隧道壁板主要用于松软、黄土、断层、流沙、高地应力等特殊及不良地质地段。采用此组合壁板螺栓连接成圆管形整体全周支承防护结构(含椭圆形、马蹄形、拱门形等)具有极高的质量安全可靠保证。可以最大限度的降低地震危害，确保各类隧道的安全质量和使用寿命。

关键词：隧道工程结构；新工艺；新材料；组合隧道壁板

国内外隧道工程质量的差距及改进必要性

国外发达国家早在20世纪70年代就开始研究改进隧道工程内壁的支承防护安全措施。1975年英法两国合作建设的世界著名的英吉利海峡地铁隧道，为确保隧道工程质量的绝对安全，在工程前期通过对服务隧道进行了试验勘测地质结构情况后，决定采用复合施工法，即根据不同地质结构分区段，分别使用全球铁壁板或钢筋混凝土弧形板支承防护结构，只在松软、黄土、流砂、断层、高地应力等特殊及不良地质地段隧道使用全球铁壁板，约占全程45公里的1/5，其余4/5坚固岩体地段隧道仍使用钢筋混凝土弧板衬砌，这样既保证了工程质量，又有效降低了球铁壁板的用量(图1)，

图1英吉利海峡跨海隧道英国一侧的球铁壁板装配后两种规格单元

而球铁圆管外径与盾构机挖成的圆洞壁之间的空隙用高强度速凝水泥砂浆充填捣实，形成牢固密封为一体的高强度隧道支承防护结构，成为世界地铁建设史上的典范。从施工到1990年建成投产运营至今，隧道安全运营可靠，从未出现任何工程质量事故。随后日本于1991年开始在隧道工程建设中在3/10的地质结构松软、流砂、黄土、断层、高地应力等特殊及不良地质地段地段使用了全球铁壁板支承防护结构，截止2006年底，日本已建和在建的隧道工程总数为241项，绝大部分都采用球铁隧道壁板支承防护结构模式(图2)

这对日本岛国多发地震的国家无疑是最具安全保证的千秋大计。其他发达国家不论陆地、海底隧道也都相应的采用了安全质量可靠的球铁隧道壁板支承防护结构模式。

在我国，隧道工程建设发展滞后30-40年，过去由于我国隧道挖掘主要依靠人工挖掘，当时没有引进盾构机挖掘施工，一直采用新奥法设计施工，使用钢筋混凝土二次衬砌或一次衬砌隧道拱壁，其材料结构特性属于脆性材料，结构强度及延性较低。我们从“5.12”汶川大地震国家自然灾害鉴定研究专家组成员路军富教授和四川省公路设计院向院长及西安铁路局龙京局长那里得到现场材料证实：共造成汶川、北川等重点震区周围(川、陕、甘)18条公路的56座隧道垮塌，震塌的点位达1000处以上；在三省范围内有多座铁路隧道被震塌，其中最严重的是正在行驶到宝成铁路109号铁路隧道中的机车牵引着载有500吨汽油的12节油罐车被震塌的大量石块砸坏漏油，引起大火，触发了5节油罐车发生爆炸，所有油罐车的汽油全部燃尽，大多数油罐车被烧成扁平状。灾区所有救援通道被堵塞，伤亡极其惨重,损失巨大。又悉2014年4月2日发生在吉林珲春小盘山1号正在施工的铁路隧道总长为6287米，有1000立方米塌方，被困的12名工人经过多种抢救措施在86小时后被救出生还。其他许多城市建设地铁工程现场也相继发生隧道拱壁垮塌造成人员伤亡的事故。所有灾害现场鉴定表明，改进和提高隧道拱壁支承防护结构的承载能力和工程质量安全可靠性.已经是刻不容缓的重大研究课题，势在必行。

采用组合隧道壁板新技术是确保隧道工程质量安全的根本措施

1)技术背景简述：

目前国内外多数国家一直都沿用新奥法的基本原理进行隧道工程的设计施工，我国特别在城市地铁和穿山隧道工程等更是重点采用先进的浅埋暗挖法设计施工[1],其核心技术是施工中采用多种辅助技术措施先加固围岩，充分调动和利用周边围岩的自承能力，正式开挖后及时支护，封闭成环，使其与围岩共同作用形成联合支护体系，是一种有效抑制围岩发生过大变形的配套施工技术，这是目前国内常用的施工方法。依据新奥法的设计思想，首先临时加固围岩体，开挖成洞后及时进行一次衬砌拱壁作为主体承载结构，待若干小时养生凝固后，再作二次衬砌拱壁作为安全储备和装饰等，两次衬砌都是厚度有所不同的钢筋混凝土弧形板结构。两次衬砌钢筋混凝土全部凝固时间约在26天以上。而两次砌筑拱壁的材料和人工费用约占总投资的1/3-1/2，平均日完成进度只有一米多，其工艺较复杂，施工周期长，建设费用高，满堂脚手架支承模板，作业环境差。

2)组合隧道壁板的研发将大大提升隧道工程质量和施工进度

我们是在原有浅埋暗挖法先进施工工艺的基础上，仍然适用于复合法施工；只在地质条件不好的区段使用将事先制造好的高强韧性球铁弧形壁板与钢筋混凝土弧板吻合连接为一体的组合壁板，在先加固围岩体，盾构开挖成洞后，根据隧道直径大小在不搭建脚手架或部分搭建脚手架的条件下，直接进行一次性衬砌拱壁,在安装每一块组合壁板连接面都加上耐腐蚀抗老化胶垫或涂刷防水粘接剂，环与环连接也照此处理，在安装完的组合壁板外径全部包覆防水纤维布用防水胶合剂贴紧凝固干燥后，要在圆环下部两侧加斜块调中固定，在圆环外径与盾构成形的洞壁之间间隙直接充注速凝水泥砂浆固定。约等数小时注浆等效层即可凝固(图3)。

图3：组合隧道壁板与注浆体等效层示意图

这样可以配合高效盾构机边向前掘进，边加固围岩体，边安装组合壁板，边注浆等效层固定，这样施工进度要比二次衬砌拱壁提高工效3-5倍以上，实现了主体承载组合壁板在隧道外面工厂化生产组合成单块隧道壁板，运到洞内在盾构机的拼装机上安装成环，一环接一环的不断向前推进，形成了连续化施工作业，缩短了洞内的作业时间，最大限度的提高工作效率，大大节省了人工费用。

3)新材料新工艺新技术有力推进隧道工程的科技进步

a.组合隧道壁板充分利用了球墨铸铁抗拉强度，伸长率，耐腐蚀性能都高和钢筋混凝土抗压强度性能强的优势，这种组合结构的隧道壁板由于利用和发挥了各自的材料优良特性，其最大技术特点是两种组合后的结构性能超过了原有两种材料各自的力学性能，比如高强度混凝土C50级的抗压强度为50Mpa，其抗拉强度只有5Mpa，其延性很小；而高强韧性球墨铸铁选用牌号为QT600-9作为主要支承组合构件，其抗拉强度为600Mpa，伸长率为9%，仅抗拉强度要比高强度混凝土构件(C50)高出120倍，我们设计球铁壁板时只选用其1/4的材料，就可以使组合壁板的综合抗拉强度提高30倍以上，即达到150Mpa，其伸长率为9%更具有在外力剧增情况下具有弹性变形能力而不破坏。这就形成了结构更合理，综合力学性能更高的隧道支承防护体系。由于球墨铸铁件初始形成了锈蚀保护膜，减缓了锈蚀的发展，它在3%的碱溶液、饱和盐水、氨液和浓硫酸等介质中的耐腐蚀性能大大高于普通钢和耐候钢，完全可以与钢筋混凝土组合各种优良材料特性互相支援，既完善了结构行为，又极大提高了组合构件的使用寿命和工程质量安全可靠性。英国的江河上的大桥用耐候钢做组合构件设计寿命为120年，但规范中声明在沿海受潮湿、盐雾影响严重的区域不应使用耐候钢构件。我们研发的高强韧性球铁组合隧道壁板既有综合高强度，又能长久耐腐蚀，设计寿命可达120年以上。

b.我国隧道工程建设自建国以来，特别在改革开放以来取得很大成绩。由陆地穿山、越江、城市地铁隧道逐步扩展到海底公路隧道和海底地铁隧道。对解决经济发展中物流、客流运输难的问题起到了重大作用。特别是在开发建设高速铁路、高速公路及高原、高寒地区建成青藏铁路等数百条高难度，高水平隧道作出极为优异成绩，广大交通战线的科技人员和工人为国家交通建设付出了辛勤的劳动，作出了巨大贡献，积累了很多宝贵经验。但由于自然地质灾害和施工中出现的许多坍塌事故鉴定分析表明：建国以来的几十年拱壁衬砌材料一直采用洞内支膜浇筑钢筋混凝土拱壁或二次衬砌拱壁，从汶川大地震造成的数十座隧道垮塌，堵塞交通损失巨大和几年来在建的各类隧道出现垮塌事故的报道及鉴定资料表明隧道拱壁的承载能力严重不足，而承载能力不够的主要原因是衬砌拱壁的结构材料仍然采用单一的钢筋混凝土结构，其抗压强度虽高，但其抗拉强度仅是其抗压强度的1/10，属于脆性材料。虽然近几年将隧道建设规范修改为极限应力法，进行了较大幅度的改进提高拱壁承载能力，但没有从拱壁衬砌材料结构上进行有区别有针对性的进一步在地质结构断层等不良地段改进提高。国外发达国家早在三十多年前就采取复合法拱壁衬砌结构，在遇到地址结构出现断层等不良地质地段则采取全球铁壁板作为拱壁衬砌结构材料，从根本解决了由于地质结构不良给隧道工程带来的巨大隐患。我们公司专家团队对外径8.9米，内径7.8米，幅宽1米(单环)组合隧道壁板采用ANSYS有限元分析模拟计算，在V及围岩深埋隧道受力状况的力学模型见图(4(a) (b) (c))

计算结果为球铁-钢筋混凝土组合隧道壁板的综合结构强度比二次衬砌钢筋混凝凝土结构强度提高5-9倍，能够最大限度的有效预防和降低地震危害，确保隧道的安全质量可靠性和使用寿命。同时对老旧、漏水、裂纹等病害处所的维修加固。提供了安全质量技术保障。尤其对使用寿命到期即将报废的老旧隧道，采用球铁壁板维修和加固支撑更为安全可靠，具有巨大的经济技术价值。

另外根据汶川大地震地质灾害调查研究报告相关资料显示，汶川地震灾区56座公路隧道所有进出隧道口都被山体滑坡大量泥石流堵塞，铁路隧道的进出口部位也存在这类问题。因此我们认为对各类隧道的进出口地段应该根据山体坡度适当加长一段由球铁组合壁板或全球铁壁板构筑的隧道口保护段，其延伸保护段的长度应为3~5米为宜，而且在保护段末端增设比隧道外径大出0.5米的法兰挡板，这样完全能够有效预防或减轻由地质灾害泥石流造成隧道口堵塞的问题，其实增加隧道口保护段的投资只有60万~100万，这要比发生灾害后投入大量人力财力物力的“亡羊补牢”的临时措施更具有明显的社会经济价值。

c.在组合隧道壁板安装施工过程中和运营阶段，配套提供整个地铁隧道各区段、各关键部位的物联网质量安全监测系统的设备与技术。为确保地铁隧道结构的长期安全监测预报提供技术支持。

d.球铁壁板采用铁型覆砂铸造工艺生产[2]，防止铸件出现内壁迁移、缩松、缩孔等铸造缺陷。对于弯道部分的球铁壁板等其他复杂铸件则采用V法铸造工艺生产。并配备铸件在线超声波检测系统，发现有缺陷的铸件立即推出线外，打入废品，并对合格品打上编码代号。

市场前景综述

世界上第一条英法合作建设的45公里英吉利海峡地铁隧道的建成，开辟了人类历史上充分利用海底交通运输快速通道的先河。西方各国纷纷借鉴和学习英法两国的海底隧道的先进的建设经验。建设各国的海底隧道，其中日本是建设海底隧道最多的国家。截止2010年底，日本在建和建成的海底(含城市地铁等水下工程)隧道的总数达300多项，包括香港的22项海底隧道都是日本总承包建设、就连地质结构断层与不良地段所用的球铁壁板也是从日本铸造厂供给的。

我国已经成为世界第二经济体，各项事业快速稳步向前发展，我国已把基础设施建设放在优先发展的位置进行统筹安排，西部大开发国家拿出7000亿元进行铁路公路网络大通道建设，沿海地区也有五条海底铁路隧道纳入十三五规划，不论陆地或海底的铁路、公路都是遇到隧道的建设问题，总结我国地震的沉痛教训和国外先进经验，也应该在各类隧道建设方面采用复合法设计施工，在遇到地质结构断层、黄土、流沙、松软、高地应力等特殊及不良地质地段必须相应采取高强韧性球铁-钢筋混凝土组合隧道壁板衬砌拱壁，而在地质结构坚硬岩体地段仍采用钢筋混凝土进行一次衬砌或二次衬砌，这样才能科学的有效预防和最大限度的降低地震的危害，全面提升隧道的安全质量保证和整体抗震结构强度。虽然在不良地质地段多花了投资，真正确保工程质量安全才是最有价值、最有安全保障的投资。我们再不能走亡羊补牢的老路。日本尤其高度重视隧道的安全质量，福岛强烈大地震震裂了早期建设的福岛核电站防护墙泄露，对周边居民造成严重的核辐射的危害，但所有海底隧道都安然无恙。实践证明在隧道建设中采用复合法设计施工是可靠的的成功经验。日本有自己的完善的球铁壁板生产体系和隧道施工机械化队伍对国外隧道总承包，截止2010年底日本生产产量就超过30万吨/年，除满足国内隧道需求外，有60%至70%的球铁壁板出口外销。

我国的地质构造与日本相近似，可按隧道里程的3/10计算采用球铁组合隧道壁板衬砌拱壁，列入“十三五”计划的烟大海峡126公里海底隧道按“两道一服”三线总里程约为370公里，其3/10采用球铁组合隧道壁板衬砌拱壁，总需求量在111万吨左右，以8年建成计算每年需求量在14万吨左右，加上其他四条海底隧道和铁路公路及城市地铁隧道不良地质地段每年总需求量预计在40万吨至50万吨左右，同时这种组合隧道壁板由于工艺先进、工人用量少、型砂用量少、生产成本较低，在国际市场也有很大的竞争优势，具有巨大的出口外销潜力，因此及早抓紧研制各项规格球铁组合隧道壁板正处于良好时机，这种高强度球铁组合隧道壁板将成为隧道工程系列化产品的高端安保产品，被广泛推广应用。

结论

采用高强韧性组合隧道壁板组装成的圆管形整体支承防护结构，既能防渗水，又能防地震，其整体结构的抗拉强度是二次衬砌钢筋混凝土隧道壁板抗拉强度的5-18倍以上，提高施工进度3-5倍以上，是隧道工程建设的重大技术进步，高强韧性球铁组合隧道壁板将成为确保各种隧道工程质量安全的重要安全构件被广泛推广应用，具有重大的社会经济技术价值。

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