馬曉波

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司城建院，西安　710043)

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盾構管片預埋滑槽技術在蘭州地鐵中的應用

馬曉波

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司城建院，西安710043)

摘要:傳統(tǒng)隧道內安裝管線及固定設備采用打孔、化學錨栓與金屬支架配合的方式，存在安裝時效低、施工環(huán)境惡劣、對管片結構損傷大、維修保養(yǎng)困難等一系列問題，以蘭州地鐵1號線工程為研究背景，對盾構管片預埋滑槽技術進行系統(tǒng)的研究和探討，通過典型工況下滑槽的受力分析、現(xiàn)場安裝試驗以及成品檢測和實驗室試驗，論證地鐵隧道內設計預埋滑槽的方案是安全可靠的，并確定了盾構管片預埋滑槽截面型式、材質、連接方式、鍛造工藝與力學性能等設計參數(shù)和生產工藝要求，進一步明確了耐腐蝕性能是滑槽可靠性的控制性因素。預埋滑槽技術，改善了現(xiàn)場施工環(huán)境，提高設備與管線安裝效率，對隧道結構零損傷，延長工程使用壽命，可在地鐵行業(yè)內推廣應用。

關鍵詞:蘭州地鐵;預埋滑槽;管片;受力性能;耐久性

1　概述

城市軌道交通建設技術的發(fā)展，地鐵隧道的安全建設及后期的維護成為很多城市軌道交通建設部門關注的焦點。傳統(tǒng)上，在隧道內安裝管線及固定設備都會采用化學錨栓與金屬支架配合的方式。而用預埋滑槽的方式替代后，設備及管線布設將更加方便靈活，大大改善現(xiàn)場安裝施工環(huán)境，能較大地提高安裝工作效率，且大量減少運營階段的維護工作量。其優(yōu)點在于:對隧道結構零損傷，延長工程使用壽命，提高設備安裝效率，改善安裝環(huán)境，運營期間設備更換、增加等更加方便，節(jié)省費用，縮短工期。

國外預埋槽道技術的應用起始于1931年，目前已廣泛應用于建筑幕墻、高速鐵路隧道、火車站、核電廠、電梯、橋梁、市政隧道與電力隧道等領域，我國高鐵也已引進此項技術并成功應用于武廣、哈大、京滬等高鐵線路上。

槽道預埋技術［1］作為地鐵工程上的創(chuàng)新技術，能避免在隧道管片上的打孔作業(yè)。這不僅使得隧道內管線及設備的安裝更為便捷，而且能為地鐵的百年安全運營打下堅實的基礎。本文依托蘭州地鐵1號線實際工程，對滑槽各類設計參數(shù)進行了系統(tǒng)介紹，然后對滑槽的耐久性，尤其是耐腐蝕性能進行了深入闡述并提出了相應要求，明確了耐腐蝕性能重要性，最后進行了典型工況下滑槽的受力分析，驗證了設計方案的可行性，可以在后續(xù)類似工程中推廣應用。

2　工程概況

蘭州地鐵1號線一期工程(陳官營—東崗段)全長26.692 km，均布設于主城區(qū)內，全線均為地下線，其中地下區(qū)間隧道長約20.17 km(雙延米)，共20個區(qū)間，盾構法隧道17.47 km(雙延米)。為便于管片的管理及滿足曲線模擬和施工糾偏的需要，管片采用通用楔形襯砌環(huán)，通過其不同旋轉位置的各種組合來擬合不同的曲線。隧道襯砌采用通用楔形環(huán)錯縫拼裝，楔形環(huán)為雙面楔形，襯砌環(huán)由1個封頂塊(F)、2個鄰接塊(L1、L2)、3個標準塊(B1、B2、B3)組成。盾構管片厚度為350 mm，環(huán)寬為1.2 m。

3　預埋滑槽設計參數(shù)

根據目前中國地鐵建設、運營的環(huán)境條件和施工工藝的方法及我國相關標準的規(guī)定，地鐵預埋滑槽的性能須具備防腐、防火、疲勞、承載力、使用年限等要求，只有滿足參數(shù)條件，才能使地鐵工程不留下安全隱患。

3.1截面尺寸

根據國家強制性標準《混凝土結構設計規(guī)范》(GB50010－2010)［2］8.2混凝土保護層的規(guī)定，設計使用年限為100年的混凝土結構，最外層鋼筋的保護層厚度不應小于28 mm(環(huán)境類別為二a類)，也就是說槽道高度最大不能超過22 mm。計算100年設計使用年限的混凝土結構碳化深度，對照現(xiàn)行規(guī)范(GB50010—2010)規(guī)定的混凝土保護層厚度，提出槽道的標準高度為20 mm，寬度為30 mm。預埋滑槽大樣見圖1，預埋滑槽產品示意見圖2。

圖1　預埋滑槽大樣(單位:mm)

圖2　預埋滑槽產品示意

3.2材質

地鐵預埋滑槽及錨桿和相應配件的材質選用低碳高合金鋼，其中碳元素含量不大于0.08%，;鉻元素含量不小于0.35%，鎳元素含量不小于0.40%，鉬元素含量不小于0.30%，其機械性能滿足《碳素結構鋼》(GB/T700—2006)中Q235的要求，也可采用綜合性能優(yōu)于此鋼材的其他材質。因為采用C≤0.08%，C含量低，其機械性能、韌性、防腐性能均好，非常適合動載荷載。采用了大量成分的Cr與Ni來滿足防腐性能。采用大量Mo是為了達到耐火性能要求。

3.3滑槽連接方式

槽道與錨桿必須采用雙面焊接而非四面焊接，因為根據實驗結果，四面焊接雖然在提高槽道抗拉力上有所增加，但也相應增加了槽道的脆性和內應力，當槽道受到破壞力時，四面焊接的破壞形式為將槽道底板拉脫，且底板上形成一個口字形破壞洞(圖3)。而采用雙面焊接的槽道韌性好，且雙面焊縫的內應力比四面焊接的內應力小，所以當槽道受到破壞力時，槽道底板只是拉坯破壞，錨桿和底板還是連接在一起且不脫離槽道本體(圖4)。

圖3　四面焊接破壞形式

圖4　雙面焊接破壞形式

另一方面，當采用四面焊接時，由于錨桿四周焊縫的圍閉效應，在錨桿和槽道底板間形成了一個封閉空間，這個密閉空間還未經過防腐處理，容易在大自然環(huán)境中生銹。而采用雙面焊接的槽道，防腐劑可以充分滲透進錨桿與槽道底板間的空隙，從而有效地預防了錨桿和槽道底板間的腐蝕。

3.4鍛造工藝

預埋滑槽采用全熱軋帶燕尾齒—全熱軋:因為冷軋槽道只能用于靜荷載，熱軋槽道用于動荷載(由于冷軋槽道存在延時斷裂和內應力大的缺點，當受到動荷載時會快速出現(xiàn)裂紋和破壞，而熱軋槽道是在槽道結晶溫度區(qū)間軋制，槽道不存在延時斷裂和內應力，可以用于動荷載)。帶燕尾齒:因為地鐵槽道受力為拉力、剪力、軸向力等各個方向力，故只有帶齒，軸向才能受力，才能防滑。其次，燕尾齒承受軸向力的受力面積大于平齒承受軸向力的受力面積，增加了齒的受力荷載。再次，燕尾齒可以將承受的垂直于槽道軸向的拉力分解，減少對槽道齒的受力。同時燕尾齒的破壞行程大，使破壞時需要擠壓掉燕尾齒才能破壞，增大了承載力。所以地鐵槽道必須全熱軋帶燕尾齒才能滿足地鐵使用的基本要求。

3.5力學性能

盾構管片需要固定強電電纜、疏散平臺、電信管線等各種管線和設備，通過分析，管片所受附加外荷載主要為強電電纜自重荷載、疏散平臺自重荷載及其上的活荷載，同時需要考慮隧道內列車運行活塞風的影響。強電電纜自重荷載1.51 kN/m，疏散平臺自重荷載2.0 kN/m，疏散平臺活荷載6.8 kN/m(包含地鐵隧道內活塞風產生的往復荷載為q = 3.5 kN/m，疏散平臺支撐每1.2 m設置1道，平臺寬度約為0.75 m)。蘭州地區(qū)管片環(huán)寬以1.2 m為主，高壓、低壓及弱電電纜支架間距按相關規(guī)定通常為1 m，需增加轉換支架，荷載約為0.5 kN/m。由于疏散平臺荷載為管片所受荷載的控制性荷載，因此管片所受最大附加荷載為

式中，p1為疏散平臺自重荷載; p2為疏散平臺活荷載;β緊急疏散時荷載系數(shù)(可取1.4)。

盾構管片與連接螺栓在外荷載作用下可能產生的破壞為:(1)外荷載為盾構管片切線方向時，盾構管片沿連接螺栓局部受壓破壞; (2)外荷載為盾構管片法線方向時，盾構管片手孔邊緣位置受沖切破壞; (3)在外荷載較大時，連接螺栓同時受拉與受剪破壞。

經計算，將相關參數(shù)代入式(1)，可得沿管片切向最大荷載為18.48 kN，每個疏散平臺［3］支點假定由兩個T形螺栓承載，則地鐵疏散平臺在列車正常運行時對固定其的槽道產生疲勞工作荷載最大值為9.24 kN，此疲勞工作荷載滿足地鐵設計規(guī)范中所有管線、給排水、消防水管、漏纜承載力要求。結合疏散平臺的材質和槽道的力學設計、疲勞強度設計，建議選擇工作荷重不低于10 kN的熱軋帶齒槽道。

4　預埋滑槽耐久性要求

4.1表面處理

預埋滑槽表面采用多元合金共滲［4］+絕緣封閉層處理，滿足《鐵路混凝土梁配件多元合金共滲防腐技術條件》(TB/T3274—2011)標準。

(1)多元合金共滲:目的是滿足防腐要求。

(2)封閉層:目的是增加防腐能力并對雜散電流進行防護。

4.2抗疲勞

預埋滑槽可滿足無預埋在混凝土時疲勞100萬次，預埋在混凝土時可達到疲勞300萬次，滿足疲勞頻率1～3 Hz，波形為正弦波，荷載基準及幅值為(10±3) kN。因為無預埋100萬次時的疲勞是為了檢測錨桿與槽道體之間的焊接質量。有預埋300萬次疲勞是為了檢測槽道在地鐵長期動荷載的作用下，槽道的使用年限能否滿足100年的振動及受力變化。其試驗方法需滿足《電氣化鐵路接觸網零部件技術條件》(TB/T2073—2010)、《電氣化鐵路接觸網零部件試驗方法》(TB/T2074—2010)的要求。

4.3耐火

預埋滑槽滿足《建筑設計防火規(guī)范》(GB/T50016—2006)，在火燒的環(huán)境下，耐火承載0.8 kN，且滿足RABT－ZTV標準溫度時間曲線《建筑構建耐火試驗可供選擇和附加的試驗程序》(GB/T26784—2011)，在1 200℃，120 min內，耐火承載力不喪失［5］。

4.4耐腐蝕

預埋滑槽使用年限與隧道同壽命，且槽道在無防腐狀態(tài)下，經300 h銅加速醋酸鹽霧試驗(CASS)或2 400 h中性鹽霧試驗(NSS)后，其力學性能及疲勞性能還能滿足預埋滑槽的力學與疲勞性能。根據《地鐵設計規(guī)范》(GB50157—2013)規(guī)定:地下結構應根據環(huán)境類別，按設計使用年限為100年的要求進行耐久性設計［6］。根據《城市軌道交通技術規(guī)范》(GB50490—2009)結構工程7.4.2規(guī)定:主體結構工程的設計使用年限應為100年［7］。由于預埋滑槽產品預埋在主體結構中，無法更換，屬于主體結構的一部分。所以在主體結構100年的設計使用年限內，槽道應該與隧道同壽命，且力學性能和疲勞性能都能滿足設計要求。

因為預埋滑槽暴露在空氣中的部分使用環(huán)境腐蝕氣體嚴重，且后期對槽道內腔防腐維護不易和成本高昂，所以需要槽道的表面防腐層也需要滿足100年的使用要求。因根據相關理論與實踐，在大氣自然環(huán)境中1年的腐蝕相當于中性鹽霧試驗24 h，銅加速醋酸試驗3 h。所以耐腐蝕年限100年相當于中性鹽霧試驗2 400 h，銅加速醋酸試驗300 h。

從現(xiàn)有研究成果與工程實際應用情況來看，滑槽的受力性能一般能夠得到較好的保證，但耐久性，尤其是耐腐蝕性能卻難以達到預期效果。這一方面是由于耐久性的現(xiàn)場檢測相對困難，給產品質量隱患留下了伏筆，但根本原因還是槽道表面防腐層本身質量與施工不到位，這也很容易成為槽道質量的控制性因素。

5　預埋滑槽受力計算分析及結果

5.1受力分析

5.1.1工程地質及水文地質條件

蘭州地鐵1號線主要走行于卵石土與砂質黃土地層，地下水埋深3～10 m，區(qū)間隧道埋深為10～18 m。

根據區(qū)間穿越地層情況，選擇具有代表性區(qū)間隧道管片進行力學性能計算分析。土層參數(shù)見表1。

表1　土層參數(shù)

5.1.2管片結構主要材料參數(shù)

(1)混凝土:強度等級C50，抗?jié)B等級P12。

(2)鋼筋:HPB300、HRB400。

(3)螺栓:縱縫、環(huán)縫均采用M30彎螺栓，8.8級。

5.1.3計算內容

(1)受荷載狀態(tài)下隧道管片變形計算

(2)隧道管片混凝土應力計算

(3)槽道應力計算

(4)錨桿軸力計算

5.1.4分析建模

應用軟件為MIDAS/GTS，利用圖形化用戶界面來建立結構實體對象模型，通過先進的有限元模型和自定義標準規(guī)范接口技術來進行結構分析與設計，實現(xiàn)了精確的計算分析過程［8］。

建立單環(huán)管片三維模型，數(shù)值分析對整體結構施加重力，然后根據實際荷載進行加載，采用彈簧邊界條件。管片采用實體單元，槽道采用板單元，錨桿采用植入式桁架單元進行模擬［9-10］。管片三維模型見圖5。

圖5　管片三維模型

5.1.5荷載施加(圖6)

覆土厚11.04 m，常水位位于隧道結構頂板以上1.84 m。所處地層情況如表1所示，采用水土分算。隧道拱頂土壓力取拱頂以上，隧道外直徑(1～2) D高的土柱荷載，即按全覆土進行計算;側向土壓力根據太沙基松弛土壓力和靜止側壓力系數(shù)確定。即:

(1)拱頂土壓力P=190.04 kN/m2。

(2)側向土壓力

隧道拱頂松弛土壓力:Ps=112.81 kN/m2。

側向土壓力:e1=0.19×112.81=21.43 kN/m2。

e2= 21.43 + 0.19×13×6.2 = 36.74 kN/m2。

(3)水壓力:常水位位于隧道結構頂板以上1.84 m，隧道頂板處水壓力為18.4 kN/m2，頂?shù)滋幩畨毫?0.4 kN/m2。

(4)地面超載:p0= 20 kPa，超載側壓力e0= 20×0.19=3.8 kPa。

(5)槽道的拉力F=30 kN，剪切力T=30 kN。

圖6　結構計算荷載圖式

5.2計算結果分析

5.2.1隧道管片變形計算(圖7、圖8)

圖7　管片水平向變形

圖8　管片豎向變形

5.2.2隧道管片應力計算(圖9～圖12)

圖9　管片第一主應力

圖10　管片第二主應力

圖11　管片第三主應力

圖12　Mises應力

5.2.3隧道管片剪應力計算(圖13～圖18)

圖13　F塊剪應力云圖

圖14　L1塊剪應力云圖

5.2.4槽道應力、錨桿軸力計算(圖19、圖20)

圖15　L2塊剪應力云圖

圖16　B1塊剪應力云圖

圖17　B2塊剪應力云圖

圖18　B3塊剪應力云圖

圖19　槽道最大剪切應力

圖20　錨桿軸力

根據計算結果可知:

(1)開槽的隧道管片在荷載組合作用下的最大豎向變形為拱頂6.18 mm，水平變形為1.42 mm;均可滿足沉降控制標準。

(2)開槽的隧道管片在荷載組合作用下的混凝土最大主拉應力為1.45 MPa，混凝土最大主拉應力小于混凝土開裂容許應力。

(3)槽道在荷載組合作用下的最大主應力為32.5 MPa，小于鋼材的屈服應力。

(4)錨桿在荷載組合作用下的最大軸力為4.01 kN，小于設計軸力。

(5)隧道管片在荷載作用下的混凝土最大剪切應力為2.24 MPa，滿足混凝土剪切容許應力。槽道在荷載作用下的最大剪切應力為2.04 MPa，均可滿足剪切容許應力，確保結構的安全可靠。

6　管片預埋滑槽的實際應用

根據蘭州地鐵1號線盾構管片預埋滑槽的設計原則，通過現(xiàn)場安裝及成品檢測，預埋滑槽順利通過承載力、抗疲勞、防腐、抗拉拔等試驗測試［11］，測試結果均能滿足設計要求。

7　結論與建議

(1)蘭州地鐵1號線確定全線采用管片(地鐵隧

道墻壁)預埋滑槽技術，提高了主體結構的整體安全性，對隧道結構零損傷，延長了隧道的使用壽命。

(2)應用預埋滑槽技術，管線安裝操作簡單，功效高，環(huán)境清潔;由于預埋滑槽的免維護、免更換，在隧道的全生命周期可節(jié)省大量費用，具有很好的經濟性。

(3)預埋滑槽技術在國內軌道交通中的應用剛剛起步，尚無相關設計規(guī)范和技術標準可遵循;為此，設計通過典型工況下預埋滑槽受力分析，論證了地鐵隧道內設計預埋滑槽的方案安全可靠。

(4)為保證預埋滑槽效果，通過現(xiàn)場安裝試驗(包括:拉拔試驗、剪切試驗、水平環(huán)堆載試驗，試驗結果可作為確定預埋滑槽錨固長度的依據)和實驗室試驗(包括:中性鹽霧腐蝕性及涂層沖擊試驗、耐火性能試驗，對材質及耐久性測試)，以及成品檢測，預埋滑槽順利通過承載力、抗疲勞、防腐、抗拉拔等試驗測試，測試結果均能滿足設計要求;并組織國內知名專家進行論證和優(yōu)化，確定了設計參數(shù)和生產工藝要求。

(5)預埋滑槽安裝過程中需注意避免槽道錨桿與管片鋼筋的接觸，應有專業(yè)的操作手進行槽道的安裝，并要求槽道安裝人員與管片制作人員的雙控監(jiān)督管理模式，保證槽道不與管片鋼筋籠接觸，避免運營階段的電化學腐蝕。

(6)預埋滑槽產品應滿足防腐、絕緣、耐火及承載力等設計要求，并根據設計要求提供有資質的質檢部門測試報告。

(7)預埋滑槽的設計主要在承載力與耐久性兩個方面，承載力可以通過構造措施予以解決，長期耐久性往往成為槽道質量的控制因素，應加強耐久性質量控制與現(xiàn)場檢測。

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Application of Embedded Chute in Shield Segment of Lanzhou Metro Line

MA Xiao-bo
(Urban Construction Institute of China Railway First Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，Xi'an 710043，China)

Abstract:The traditional method to install pipelines and equipment in tunnel is by drilling with chemical anchor bolt and metal support，which is resulted in such problems as low efficiency，poor construction environment，segment structure damage，and maintenance difficulties.This paper，with reference to Lanzhou Metro Line 1，conducts systematic research and analysis of shield segment embedded channel and justifies the reliability of the practice through force analysis of pre-buried channel under typical working conditions，field installation tests，finished product testing and laboratory tests，specifies design parameters and production process in terms of section type，material，connection，forging process and mechanical properties.It is defined that corrosion resistance is the controlling factor to ensure the reliability of the pre-buried channel.The embedded channel technology improves construction environment，increases efficiency of equipment and pipeline installation，protects tunnel structural components from being damaged and extends the engineering service life of the project，and will see extensive application in the industry.

Key words:Lanzhou Metro; Embedded chute; Segment; Mechanical performance; Durability

作者簡介:馬曉波(1984—)，男，工程師，E-mail:mxb20032344@ aliyun.com。

收稿日期:2015-06-24;修回日期:2015-08-04

文章編號:1004-2954(2016) 03-0101-05

中圖分類號:U231+.3

文獻標識碼:B

DOI:10.13238/j.issn.1004－2954.2016.03.022