擠壓混凝土襯砌綜述

摘要: 結(jié)合擠壓混凝土工法的開發(fā)過程與現(xiàn)狀,重點分析了擠壓混凝土襯砌的特點,以及與常用的盾構(gòu)管片的優(yōu)缺點,討論了在施工時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: TU755. 6 + 3 文獻標識碼: 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的簡稱,在20世紀初就為人所知。德國于1910年、法國于1911年、俄國于1912年就申請了專利。但由于該工法需要輸送混凝土的機械和專門的開挖設備,并未獲得推廣。正式研究應用是在20世紀60年代, 1965年蘇聯(lián)首次應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了一大步。截止到上世紀90年代,各國已有一些工程實例,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)有機結(jié)合并應用于工程實踐,再次將該工法的適用范圍擴大。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工法簡介及施工流程

　　ECL是通過在盾尾現(xiàn)場澆筑混凝土以形成襯砌的隧道施工方法。為此在盾構(gòu)尾部配備模板機構(gòu),在盾構(gòu)殼和模板之間設置堵頭板,在盾構(gòu)掘進時擠壓混凝土襯砌,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在模板和圍巖之間出現(xiàn)尾部空隙,也就不會讓圍巖松動。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)電擴建工程2號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。圖中一次掘進的長度等于三次開挖、推進長度的總和。

3 ECL工法和盾構(gòu)管片的特點

3. 1　ECL工法的特點

　?、俑哔|(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) 、型鋼加強混凝土( SRC) 、預應力混凝土( 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)電擴建工程2號引水隧道的一段長3. 1 km、外徑8. 4m、內(nèi)徑7. 6m的隧道,采用擠壓混凝土襯砌,施工速度達到月進340m。

　?、芪⑿〉牡鼗两? ECL工法在盾構(gòu)推進的同時,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均勻。因而結(jié)構(gòu)軸向力增加,彎矩減少,對于混凝土結(jié)構(gòu)受力有利。

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

3. 2 盾構(gòu)管片襯砌的特點

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

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

　?、谶\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,因管片制作精度不高,端面不平,擰緊螺栓時往往使管片局部產(chǎn)生較大的集中應力,從而導致開裂。

　　④結(jié)構(gòu)破壞大都開始于薄弱的接縫處。當盾構(gòu)千斤頂施加在環(huán)縫面上,特別是在偏心作用時,也會使管片頂裂、頂碎。

　　⑤管片預制階段要精心養(yǎng)護。

　?、蕲h(huán)縫防水、嵌縫槽防水及螺栓孔防水比較難控制,且材料價格不菲。

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

　?、嘁缘罔F工程為例,其管片制作費用,約占隧道工程總投資的45%左右。

4 ECL施工時對混凝土的要求和施工注意事項

4. 1 對混凝土要求

　　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傳遞的,故對混凝土的性質(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)模開始澆筑時順利的移動,并且能壓注到密閉空間的每個角落,要求混凝土在規(guī)定的時間內(nèi)具有良好的抗離析性和流動性。

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

　　由于高強度和流動性性質(zhì)相反,這也是ECL工法對混凝土質(zhì)量要求的一大特點。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以上塌落度的長時間流動性[ 4 ] , 設計的標準抗壓強度為24MPa,而24 h的抗壓強度就達10MPa。

4. 2 混凝土施工時的注意事項

　?、龠@種施工工法使用的混凝土,期望有長時間的流動性與早期強度的相反性質(zhì),為此需要選定適于現(xiàn)場使用的高性能減水劑。

　?、跒楸３忠欢▔毫?灌注混凝土要求泵送性好,同時注意骨料的顆粒分布。

　　③以素混凝土施工為例,在施工時就推進速度而言,加壓速度太快會使混凝土因脫水壓密而破壞其流動性,導致不能壓注;加壓速度太慢則不能達到混凝土與圍巖的密合效果。所以施工時必須配合盾構(gòu)的推進速度,控制混凝土加壓千斤頂?shù)臄D壓速度,還應該注意混凝土的質(zhì)量管理,保證其流動性和脫模時所需的強度。

5 ECL工法的適用范圍及受限制的原因

　　ECL工法對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)法掘進的地層大體上都可以采用該工法,要進行經(jīng)濟技術(shù)總評價后而定[ 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械開挖的山嶺隧道。

　　自從應用于工程實踐以來,完善ECL工法的努力一直沒有停止,但在實際工程中應用很少,尤其是在單管片襯砌隧道工程中,其原因有以下幾方面:

　　①對于不同的地層條件, 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,在計算襯砌強度和剛度時差異較大,設計的混凝土厚度與實際形成的襯砌厚度差異隨地層變化;

　?、谠诳焖偈┕r,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,故障停機較長時間時施工縫(冷縫)的防水等問題都沒有得到很好的解決;

　?、塾捎诠こ虒嵺`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。

6 當前存在的問題

　　表2是今后擴大和確定這種新技術(shù)適用范圍的課題。

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

　　其次關(guān)于襯砌混凝土的防水對策,由于混凝土連續(xù)澆筑中機械維修,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,實際施工中可在接縫處采用實驗的膨脹砂漿進行改善,或改善混凝土灌注機械、在混凝土灌注接頭處使用止水材料等方法。

　　在我國盾構(gòu)技術(shù)相對較為成熟的上海,具有應用ECL工法的可行性,考慮到ECL 工法的經(jīng)濟效益,開發(fā)、應用ECL工法顯得更有必要。除了研究表二所列出的各項技術(shù)難點外,同時必須研制出ECL工法高效施工的輔助技術(shù),如激光引導技術(shù)、計算機自動數(shù)據(jù)采集處理技術(shù)、全自動測量及方向控制系統(tǒng)技術(shù)等,以及與ECL工法最佳組合的泥水平衡式盾構(gòu)。總之, ECL工法為當前隧道界最先進的一種工法,在日本及歐洲國家其應用前景被看好,所以該工法在我國的應用前景也是十分廣闊的。

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