可压缩管片——新设计助力大深度隧道建设

小编语

随着隧道工程不断向更深的地下发展，世界各地的地下工程企业纷纷开始研究如何高效应对大深度下土体的 收敛变形。 法国的国家放射性废物管理局正在投资研发一种新的可压缩管片，据称这种形式的管片可以在不加粗管片壁厚的情况下，有效应对 大深度下土体的 收敛变形。 本期，小编就带大家一起了解一下吧！

研发背景

法国国家放射性废物管理局一直在探索通过大深度隧道来储存核废料的方案。通过数年的研究，他们确定了被称为Callovo-Oxfordian (C-Ox)的粘土岩层是最适合储存核废料的地层。这类粘土岩层通常具有非常低的水传导性、较小的分子扩散性和较强的放射性物质截留能力。

核废料地下存储设施设想图，储存核废料的隧道需要埋设在地下400-500m的区域内

放射性废物管理局在2006年就基本选定了地点，并在当地建立了一个地下研究实验室。当局希望这条隧道能在100-150年间保持最高等级的安全性能，然而，核废料存储隧道的建设难度却让整个计划难以推进。

预计埋深和衬砌厚度

传统的衬砌设计在近500m的深度下，需要大幅增加壁厚，这使得核废料存储隧道的施工成本变得过高。为解决这一问题，放射性废物管理局的技术人员在对当地粘土岩层进行了长期观察后，最终提出了建立“柔性”衬砌的设想。

“柔性”衬砌

自2014年开始，放射性废物管理局开始对“柔性”衬砌的概念展开研究。相关研究基于基于两项实验展开：在喷射混凝土衬砌中的添加可压缩的楔形元件，以及在预制构件环形回填的过程中使用的可压缩的灌浆浆液。

对试验衬砌的监测证实了可压缩元件是有效的，只要可压缩元件能保持其塑性（即物体变形的能力），就可以抑制岩石收敛造成的应力。以此为基础，相关技术人员又开始测试不同形式的“柔性”衬砌设计。

混凝土配合可滑动拱形结构

带凹槽的混凝土

混凝土内集成可压缩楔块

在测试不同设计的过程中，技术人员总结了保证“柔性”衬砌有效性的两个要点。

第一个要点：结构中可压缩元件需要有合适的弹性。所以在选择制造材料时，必须根据岩石收敛引起的变形情况来进行选择；

第二项要点：可压缩元件的材料必须要能够在设施要求的寿命期间（100-150年）必须保持高塑性。

管片外加装可压缩层

经过8年的持续研究和对试验段的监测。放射性废物管理局扩展了“柔性”衬砌的设计，提出了将传统预制混凝土管片改造为可压缩管片的设计思路。改造的具体方式为：在传统混凝土管片外部加装一层具有弹性的可压缩层。

根据推算，20cm的可压缩材料加45cm的混凝土管片在Callovo-Oxfordian (C-Ox)的粘土岩层中相当于100cm的传统混凝土管片。

可压缩管片

法国国家放射性废物管理局目前正在测试两种可压缩管片设计思路，它们分别被称为VMC和VAP。两种管片的基本结构都是在预制管片构件外添加一层可压缩外壳。

VMC可压缩管片

VMC的可压缩外壳由Callovo-Oxfordian (C-Ox)粘土岩层中的土体构成。土体经过加工被制成小尺寸的管壳，然后通过水泥灌浆将大量小管壳凝结在一起。

这个由小管壳构成的可压缩外壳会被安装在传统预制混凝土管片的外侧，以组成完整的可压缩管片。

VMC可压缩管片衬砌从生产到安装

VAP的可压缩外壳则是一种以陶瓷或混凝土为材料制造的多孔垫层，这种多孔垫层同样会被安装在传统混凝土管片的外侧。

VAP多孔垫层

目前，可压缩管片已经过了较多的相关测试，初步验证了其可行性；法国国家放射性废物管理局正在对各方案进行进一步的多标准分析比较。

可压缩管片衬砌在古斯塔夫.埃菲尔大学的EMGCU

实验室中进行全环试验