挤压混凝土衬砌综述

 摘要: 结合挤压混凝土工法的开发过程与现状，重点分析了挤压混凝土衬砌的特点，以及与常用的盾构管片的优缺点，讨论了在施工时挤压混凝土工法与常规的隧道施工的不同之处，最后详列出挤压混凝土工法当前存在的问题和技术难题。

 

关键词: 挤压混凝土； 盾构管片； 衬砌

 

中图分类号: TU755. 6 ⁺ 3 文献标识码: B

 

 

 

 

1 发展现状

 

     挤压混凝土衬砌法即ECL工法，是英文ExtrudedConcrete L ining的简称，在20世纪初就为人所知。德国于1910年、法国于1911年、俄国于1912年就申请了专利。但由于该工法需要输送混凝土的机械和专门的开挖设备，并未获得推广。正式研究应用是在20世纪60年代， 1965年苏联首次应用于建造涅格宁河总水管，继后又用于莫斯科等城市的地铁隧道。虽然以前苏联为首的东欧各国先行一步，但其地质条件大都是良好的地基，所以隧道衬砌采用了素混凝土。80年代初西德和日本研制了钢纤维混凝土现浇衬砌，扩大了其适用范围，工法的基本构成还是与素混凝土相同，但在开创隧道施工工法上前进了一大步。截止到上世纪90年代，各国已有一些工程实例详见表1。

 

    日本城市因地基软弱、工作面自承能力差且多处于地震带^{[ 1 ]} ，日本技术人员把密闭盾构技术与ECL衬砌技术有机结合并应用于工程实践，再次将该工法的适用范围扩大。ECL工法已成为继盾构法之后隧道工法的一大创新。

 

 

 

   ECL是通过在盾尾现场浇筑混凝土以形成衬砌的隧道施工方法。为此在盾构尾部配备模板机构，在盾构壳和模板之间设置堵头板，在盾构掘进时挤压混凝土衬砌，并以一定的压力持续的灌注混凝土。这种方法灌注的混凝土衬砌不会在模板和围岩之间出现尾部空隙，也就不会让围岩松动。图1是挤压混凝土衬砌法的原理示意图^{[ 2 ]}  。

 

   由于不同的ECL施工工法不同，其施工流程也不相同。现仅介绍日本信浓川水力发电扩建工程2号引水隧道中采用钢筋混凝土类衬砌系统的施工流程，详见图2。图中一次掘进的长度等于三次开挖、推进长度的总和。

 

 

 

①高质量的衬砌: ECL工法构筑的混凝土衬砌，在灌筑中混凝土受到挤压，其压力大于土压力与水压力之和，并始终保持在0. 2MPa的程度。受压的混凝土中多余的水分被排出，其强度和密度大大提高。模板拼装和混凝土的压注都是连续进行的，衬砌接头少，具有更好的整体性和防水性。

 

②合理的衬砌形式: ECL工法可以构筑多种类型衬砌，隧道衬砌根据地层条件和施工条件进行综合研究，以便构成安全的结构，可采用素混凝土(NRC) 、钢筋混凝土(RC) 、纤维加筋混凝土( FRC) 、型钢加强混凝土( SRC) 、预应力混凝土( PC) 。

 

③快速施工:与常规盾构管片拼装衬砌相比，采用ECL的施工速度比采用管片的速度快一倍，而且可以连续机械化作业；与NATM相比，速度可望提高至两倍。日本信浓川水力发电扩建工程2号引水隧道的一段长3. 1 km、外径8. 4m、内径7. 6m的隧道，采用挤压混凝土衬砌，施工速度达到月进340m。

 

④微小的地基沉降: ECL工法在盾构推进的同时，将尚未凝结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终保持恒定压力以抵抗土压力和水压力，紧贴地层，不给地层的松弛留有余地，从而起到及时的支撑作用，一直到混凝土凝固不释放压力，所以地层很难产生松弛和下沉。在法国里昂地铁D线一段穿越罗纳河和索恩河两条河流的区间隧道中，采用挤压混凝土衬砌结构施工，地面沉降接近于零。

 

⑤合理的结构受力:由于混凝土紧贴在围岩上，地基反力变为有利因素，所受的地层压力相当均匀。因而结构轴向力增加，弯矩减少，对于混凝土结构受力有利。

 

⑥低廉的工程造价:采用经济廉价的现浇混凝土取代了昂贵的预制管片，并节省了大量纵、环缝防水材料和连接螺栓。同时由于施工工序少，衬砌与开挖同步进行，工期缩短。

 

 

 

    20世纪60年代以来，盾构隧道衬砌结构已逐渐推广应用拼装式钢筋混凝土管片，这种管片有一定的强度，耐腐蚀，加工制作比较容易[ 3 ] ； 采用钢模制作(单块生产)时，可保证管片的精度(国内外都能达到±0. 5mm) ，因此为目前最为常用的衬砌。但在实际应用过程中， 预制混凝土管片暴露出一些问题出来^{[ 7 ]} :

 

①厚度一般较大，比较笨重，一般地铁工程单个管片的重量可达5～6 t。在超大直径盾构隧道中，以南京长江隧道工程左汊隧道为例，管片外径为14. 5m，标准块管片的重量达11 t。

 

②运输安装过程中，边缘易破损，尤其是箱形管片，在盾构千斤顶作用下很容易顶裂。

 

③拼装成环时，因管片制作精度不高，端面不平，拧紧螺栓时往往使管片局部产生较大的集中应力，从而导致开裂。

 

④结构破坏大都开始于薄弱的接缝处。当盾构千斤顶施加在环缝面上，特别是在偏心作用时，也会使管片顶裂、顶碎。

 

⑤管片预制阶段要精心养护。

 

⑥环缝防水、嵌缝槽防水及螺栓孔防水比较难控制，且材料价格不菲。

 

⑦盾尾管片出盾尾时处于最不利受力状态，必须配用大量的钢筋和采用复杂的结构。

 

⑧以地铁工程为例，其管片制作费用，约占隧道工程总投资的45%左右。

 

 

 

 

    在挤压混凝土衬砌施工过程中，盾构推力是通过管状模板和混凝土之间的摩擦力来传递的，故对混凝土的性质有特殊的要求。具体要求如下:

 

①混凝土在搅拌后为了不在管道内硬化，自侧模开始浇筑时顺利的移动，并且能压注到密闭空间的每个角落，要求混凝土在规定的时间内具有良好的抗离析性和流动性。

 

②混凝土在灌注24 h后脱模，必须支护全部的土压力和水压力，这就要求混凝土具有高强度和抗渗性、耐久性。

 

    由于高强度和流动性性质相反，这也是ECL工法对混凝土质量要求的一大特点。以日本信浓川水电站第二水工隧道为例，必须在3 h内保持20 cm以上塌落度的长时间流动性^{[ 4 ]} ， 设计的标准抗压强度为24MPa，而24 h的抗压强度就达10MPa。

 

 

 

①这种施工工法使用的混凝土，期望有长时间的流动性与早期强度的相反性质，为此需要选定适于现场使用的高性能减水剂。

 

②为保持一定压力，灌注混凝土要求泵送性好，同时注意骨料的颗粒分布。

 

③以素混凝土施工为例，在施工时就推进速度而言，加压速度太快会使混凝土因脱水压密而破坏其流动性，导致不能压注；加压速度太慢则不能达到混凝土与围岩的密合效果。所以施工时必须配合盾构的推进速度，控制混凝土加压千斤顶的挤压速度，还应该注意混凝土的质量管理，保证其流动性和脱模时所需的强度。

 

 

 

     ECL工法对地层条件的适用性比较广泛，能确保地层稳定和施工安全，对混凝土直接压注可构成优质的衬砌结构。该工法的适用范围要根据地质条件、衬砌结构截面形状、盾构形式、隧道直径以及最小曲率半径等基本条件而定。凡是能采用盾构法掘进的地层大体上都可以采用该工法，要进行经济技术总评价后而定^{[ 5 ]} 。在山岭隧道中， ECL 已在日本使用成功，其使用范围可从主要开挖软弱地基的城市隧道到采用机械开挖的山岭隧道。自从应用于工程实践以来，完善ECL工法的努力一直没有停止，但在实际工程中应用很少，尤其是在单管片衬砌隧道工程中，其原因有以下几方面:

 

①对于不同的地层条件， ECL 工法所形成的衬砌环外壁凹凸不平，如图3所示[ 6 ] 。由于衬砌环厚度不均匀，在计算衬砌强度和刚度时差异较大，设计的混凝土厚度与实际形成的衬砌厚度差异随地层变化；

 

②在快速施工时，如何防止连续浇筑的混凝土因水化热产生裂缝的问题，故障停机较长时间时施工缝(冷缝)的防水等问题都没有得到很好的解决；

 

③由于工程实践中存在的各类问题尚未解决，ECL工法不但提高不了盾构施工速度，反而不利于发挥盾构快速施工的优势。

 

 

 

6 当前存在的问题

表2是今后扩大和确定这种新技术适用范围的课题。

 

 

    其中特别是对于开发ECL抗裂混凝土、确定减少单位水泥用量的配合比、混合剂等尤其重要。与此同时，着重在ECL使用水泥的开发和纤维混凝土的应用方面加强研究。在ECL 系统内(内模设备最后端)开发由连续施工而不产生收缩接缝的施工设备。其次关于衬砌混凝土的防水对策，由于混凝土连续浇筑中机械维修，或者由于其它原因浇筑中断，从而产生接缝，在这些地方需要注意防止漏水，实际施工中可在接缝处采用实验的膨胀砂浆进行改善，或改善混凝土灌注机械、在混凝土灌注接头处使用止水材料等方法。

 

    在我国盾构技术相对较为成熟的上海，具有应用ECL工法的可行性，考虑到ECL 工法的经济效益，开发、应用ECL工法显得更有必要。除了研究表二所列出的各项技术难点外，同时必须研制出

ECL工法高效施工的辅助技术，如激光引导技术、计算机自动数据采集处理技术、全自动测量及方向控制系统技术等，以及与ECL工法最佳组合的泥水平衡式盾构。总之， ECL工法为当前隧道界最先进的一种工法，在日本及欧洲国家其应用前景被看好，所以该工法在我国的应用前景也是十分广阔的。