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(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的簡稱,在20世紀(jì)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(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(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)的長度等于三次開挖、推進(jìn)長度的總和。

3 ECL工法和盾構(gòu)管片的特點(diǎn)

3. 1　ECL工法的特點(diǎn)

　?、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(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。

　　②合理的襯砌形式: 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) 。

　　③快速施工: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。

　　⑤合理的結(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,對于混凝土結(jié)構(gòu)受力有利。

　　⑥低廉的工程造價(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,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[ 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)。

　?、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(jià)格不菲。

　　⑦盾尾管片出盾尾時(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)。

　　⑧以地鐵工程為例,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)對混凝土的要求和施工注意事項(xiàng)

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:

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