預(yù)埋滑槽技術(shù)在城市軌道交通工程中的應(yīng)用

鄧劍榮 丁先立

(廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司,510010,廣州∥第一作者,高級工程師)

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預(yù)埋滑槽技術(shù)在城市軌道交通工程中的應(yīng)用

鄧劍榮 丁先立

(廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司,510010,廣州∥第一作者,高級工程師)

預(yù)埋滑槽技術(shù)是在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)上預(yù)埋鋼質(zhì)滑槽,用以安裝固定機電設(shè)備系統(tǒng)的技術(shù)。以深圳地鐵9號線盾構(gòu)隧道區(qū)間工程為例,介紹了預(yù)埋滑槽技術(shù)方案,通過模型計算對比分析了管片開槽和不開槽情況下管片的受力情況,并探討了預(yù)埋滑槽技術(shù)應(yīng)用中的關(guān)鍵性問題。城市軌道交通系統(tǒng)中機電設(shè)備系統(tǒng)復(fù)雜,需要安裝固定在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)上的設(shè)備和管線數(shù)量特別多,傳統(tǒng)的打膨脹螺栓或鉆孔植筋技術(shù)對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)本身破壞性大,影響結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性,因此,在城市軌道交通系統(tǒng)中推廣應(yīng)用預(yù)埋滑槽技術(shù)有特別重要的意義。

城市軌道交通; 預(yù)埋滑槽技術(shù); 機電設(shè)備

Author′s address Guangzhou Meto Design & Research Insotitute Co.,Ltd.,510010,Guangzhou,China

預(yù)留預(yù)埋技術(shù)應(yīng)用于城市軌道交通工程建設(shè)將成為一種趨勢。預(yù)留預(yù)埋技術(shù)從根本上變革了在混凝土結(jié)構(gòu)上鉆孔植筋和打膨脹螺栓的技術(shù),不僅大大提高了混凝土結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性,而且大大降低了施工噪聲、減少了施工粉塵、提高了機電設(shè)備安裝效率、縮短了建設(shè)周期、降低了建設(shè)成本。目前,預(yù)留預(yù)埋技術(shù)在日本、德國、英國等國的城市軌道交通中已有采用,效果很明顯。在國內(nèi)城市軌道交通工程中,該技術(shù)尚未大規(guī)模應(yīng)用。僅在深圳地鐵9號線盾構(gòu)區(qū)間采用了預(yù)埋滑槽技術(shù)。本文重點總結(jié)預(yù)埋滑槽技術(shù)在深圳地鐵9號線中應(yīng)用的經(jīng)驗和教訓,并對一些爭議性的問題進行探討。

1 工程概況

深圳地鐵9號線工程盾構(gòu)法隧道全長35 315 m。盾構(gòu)區(qū)間所采用的管片內(nèi)徑為5.4 m,外徑為6.0 m,管片厚度為0.3 m;每環(huán)管片均采用楔形量為38 mm、寬為1.5 m的通用鋼筋混凝土管片;每環(huán)管片由1塊封頂塊、2塊鄰接塊、3塊標準塊組成。管片材質(zhì)為:C50混凝土,HRB335、HRB400鋼筋,5.8級普通螺栓。

地鐵盾構(gòu)區(qū)間內(nèi)管線眾多,有接觸網(wǎng)、35 kV供電電纜、區(qū)間低壓配電電纜、弱電電纜、疏散平臺、消防水管、排水管,以及各種相關(guān)設(shè)備,這些管線和設(shè)備都需要安裝固定在管片上,如圖1所示。

在盾構(gòu)管片上安裝固定管線和設(shè)備的傳統(tǒng)施工方法是在管片上鉆孔植筋和打膨脹螺栓。采用這兩種施工方法,需要大量的現(xiàn)場作業(yè)人員;需要在管片上鉆孔,對管片混凝土和鋼筋有一定的損害,影響管片的結(jié)構(gòu)安全性和耐久性;施工環(huán)境惡劣,噪聲和粉塵影響施工人員身心健康。本文介紹一種全預(yù)埋方案——預(yù)埋滑槽技術(shù)。

2 預(yù)埋滑槽設(shè)計

2.1 預(yù)埋滑槽定型設(shè)計

根據(jù)對需要安裝在管片上的所有管線和設(shè)備荷

圖1 安裝固定在盾構(gòu)管片上的管線和設(shè)備

載情況的分析,管片上安裝固定點的最大單點承載力要求為:沿管片徑向承載力設(shè)計值為10 kN,沿管片切向和縱向承載力設(shè)計值為8 kN。根據(jù)管片上安裝固定點的受力需求分析,以及管線和設(shè)備安裝特點,選擇預(yù)埋滑槽設(shè)計方案。設(shè)計方案要能滿足各種管線和設(shè)備的安裝要求,安裝位置具有靈活可調(diào)節(jié)性,方便施工。因此,預(yù)埋滑槽設(shè)計方案需滿足以下條件:預(yù)埋滑槽為一次熱軋成型的截面帶齒C形槽道,搭配T型螺栓,T型螺栓可沿槽道方向自由調(diào)整位置;預(yù)埋滑槽材質(zhì)可采用國內(nèi)常用的一些鋼材,如Q235、Q354鋼等;槽道高不小于20 mm,寬不小于28 mm,壁厚不小于2.5 mm,齒高不小于1.5 mm且間距為3 mm,鉚釘間距不大于200 mm,錨固長度不小于60 mm;滑槽布置需離開管片中間手控一定距離,并避開管片標識?；鄞髽蛹霸诠芷械念A(yù)埋位置如圖2、圖3所示。

圖2 預(yù)埋滑槽及配套螺栓示意圖

圖3 預(yù)埋滑槽在管片上的預(yù)埋示意圖

預(yù)埋滑槽設(shè)計方案還需滿足以下要求:①預(yù)埋滑槽需滿足50年耐久性設(shè)計要求;②預(yù)埋滑槽需滿足耐火設(shè)計要求,在單面、三面、四面火燒情況下,90 min不失效;③預(yù)埋滑槽的防腐和防火涂層需滿足GB/T 1732—1993《漆膜耐沖擊測定法》規(guī)范的相關(guān)規(guī)定;④預(yù)埋滑槽與管片鋼筋之間凈距不得小于40 mm的鋼筋保護層厚度要求,且鉚釘不得與鋼筋接觸。

2.2 滑槽受力分析

根據(jù)管片荷載情況及預(yù)埋滑槽設(shè)計方案,對預(yù)埋滑槽受力情況進行分析。計算模型的滑槽長1 m,槽道采用二維矩形plane單元,桿件采用truss單元,計算結(jié)果如圖4、圖5所示。從計算結(jié)果可知,滑槽(應(yīng)力最大值為171 N/mm2)在單個螺栓位置承載力滿足設(shè)計要求,滑槽處在彈性受力階段。

圖4 滑槽應(yīng)力圖

2.3 滑槽對盾構(gòu)管片受力影響分析

深圳地鐵9號線盾構(gòu)區(qū)間埋深一般在16 m左右,地層主要為風化殘積層。以9號線梅景站至下梅林站區(qū)間的一個典型斷面為例,進行管片預(yù)埋滑槽和不預(yù)埋滑槽對比分析。地面超載值取20 kPa,上覆土厚根據(jù)TB 10003—2005《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》計算,采用水土分算模型,側(cè)面和底部機床系數(shù)根據(jù)詳細勘察報告取值。計算模型如圖6所示。

圖5 滑槽變形位移圖

圖6 管片計算荷載模型

計算荷載取值如下:上部荷載(土壓+水壓)q1=366.259 kPa,q2=308.659 kPa;下部荷載(只考慮水壓)q3=131.76 kPa,q4=161.76 kPa;側(cè)向壓力(土壓+水壓)q5=178.313 kPa;q6=258.737 kPa。

管片計算模型取值,厚為300 mm,內(nèi)徑為5.4 m,外徑為6.0 m,寬為1.5 m。先按常規(guī)情況進行分析,然后再在管片中部偏右開槽(槽寬為30 mm,高為25 mm),模擬預(yù)埋滑槽對管片受力的影響。分析時,混凝土采用三維六面體實體單元(Solid element C3D8R);鋼筋采用桁架單元(Truss elememt T3D2);計算軟件采用Abaqus 6.10有限元程序;采用分離式建模;縱向鋼筋、箍筋面積和配置位置均按設(shè)計布置;混凝土本構(gòu)模型采用混凝土塑性損傷模型;約束條件為以環(huán)豎向軸線為對稱軸,與對稱軸相交的上截面水平向約束,下截面水平向約束,下截面中軸線豎向約束。開槽管片的計算模型及應(yīng)力云圖如圖7、圖8所示。

圖7 開槽管片的計算模型

圖8 開槽管片的應(yīng)力云圖

開槽管片的最大壓應(yīng)力約為3 N/mm2,最大拉應(yīng)力約為1.4 N/mm2。對管片開槽和不開槽兩種情況對比分析,主要分析結(jié)果如下:

(1) 隧道管片在荷載作用下,管片不開槽情況下,約變形0.03%,變形極小;管片開槽后,變形有一定程度的增加,但仍未超過整體的0.05%。

(2) 混凝土應(yīng)力狀態(tài)不高,管片開槽后,開槽處混凝土應(yīng)力略有增加,但不超過8%。

(3) 開槽處混凝土主拉應(yīng)力明顯低于混凝土開裂容許應(yīng)力。開槽前后,最大主拉應(yīng)力變化不超過10%。

(4) 隧道管片鋼筋的拉應(yīng)力明顯低于屈服應(yīng)力,開裂前后鋼筋應(yīng)力變化不超過2%。

(5) 管片開槽,對隧道管片整體受力影響較小,承載力、變形、裂縫寬度滿足驗算荷載要求。

3 預(yù)埋滑槽驗證

預(yù)埋滑槽的驗證分為實驗室驗證和現(xiàn)場驗證兩種。實驗室驗證主要是對滑槽防腐涂層的耐久性、防火涂層的耐火性、滑槽及配套螺栓的承載力、疲勞承載力、涂層抗沖擊性能等進行驗證。國家MC(計量)認證的質(zhì)量檢測報告,設(shè)計要求生產(chǎn)的滑槽,其各項承載能力均可達到30 kN,其耐久性能、耐火性能、疲勞承載力等都能滿足設(shè)計要求。

在管片施工現(xiàn)場做了5環(huán)1∶1模型拼裝和堆載試驗?，F(xiàn)場驗證結(jié)果為:在實際荷載作用下,管片、滑槽和連接螺栓變形均滿足設(shè)計和規(guī)范要求。

圖9為深圳地鐵9號線盾構(gòu)隧道區(qū)間管片、預(yù)埋滑槽及安裝好的各種管線和設(shè)備。實踐證明,將預(yù)埋滑槽技術(shù)應(yīng)用于地鐵盾構(gòu)隧道工程是合理可行的,應(yīng)大力推廣。

圖9 預(yù)埋滑槽實際應(yīng)用圖

4 管片預(yù)埋滑槽相關(guān)問題探討

(1) 預(yù)埋滑槽的耐久性問題。如果采用預(yù)埋安裝方式,則滑槽具有不可更換性,其耐久性能如果能與混凝土管片一樣,滿足100年耐久性要求則比較合理,但在深圳地鐵9號線盾構(gòu)區(qū)間上應(yīng)用的滑槽耐久性能要求為50年,主要原因為:①目前,國內(nèi)外關(guān)于鋼材的一次性防腐涂層滿足100年耐久性要求的研究資料極少,100年的耐久性設(shè)計沒有充足的理論依據(jù)。②國內(nèi)外類似滑槽的實際應(yīng)用最長久年限為60年,還沒有100年的工程案例可參考。③雖然鋼材的防腐設(shè)計年限為50年,但根據(jù)類似工程案例,采用熱鍍鋅等傳統(tǒng)成熟的工藝,其實際使用年限至少可達到60年;如果再經(jīng)過合理的保養(yǎng)維護,有可能達到100年的使用年限,因此,防腐不一定要一次到位。

(2) 與接觸網(wǎng)連接的滑槽和螺栓的疲勞承載力問題。在運營過程中,接觸網(wǎng)與受電弓反復(fù)摩擦,連接接觸網(wǎng)的滑槽和螺栓也承受重復(fù)荷載作用。一般受電弓加在接觸網(wǎng)上的最大荷載為140 N,在最不利位置分配到6個連接螺栓上承載力小于25 N/個,而每個螺栓的允許承載力為10 kN,實際應(yīng)力幅與允許應(yīng)力幅相比約為0.25%,可忽略不計,因此,滑槽疲勞性能不是控制指標。

(3) 預(yù)埋滑槽防腐涂層及防火涂層附著力實驗要求的重要性。本文中,要求滑槽涂層需進行沖擊試驗,以監(jiān)測涂層的附著力。這項要求非常重要。因為很多鋼材的涂層滿足長久耐腐蝕及耐火性能要求(比如柔性陶瓷涂層),但其附著力較差,在施工過程中容易脫落;一旦防腐涂層脫落,鋼材就完全裸露在腐蝕性環(huán)境中,很快會銹蝕,這是非常危險的。所以,在設(shè)計中務(wù)必要強調(diào)鋼材防腐和防火涂層耐沖擊性能試驗要求。

(4) 預(yù)埋滑槽技術(shù)在城市軌道交通系統(tǒng)其他位置應(yīng)用的問題。根據(jù)預(yù)埋滑槽技術(shù)的特點可知,該技術(shù)適用于城市軌道交通系統(tǒng)的其他位置管線和設(shè)備的安裝固定。在設(shè)計時,只需預(yù)先排布好系統(tǒng)內(nèi)(比如車站內(nèi))的綜合管線和設(shè)備,統(tǒng)籌考慮安裝固定方式,再結(jié)合安裝要求統(tǒng)一部署預(yù)埋件。總的來說,采用預(yù)埋滑槽技術(shù),可實現(xiàn)整個城市軌道交通系統(tǒng)“全預(yù)埋”的水平,從而極大地提高城市軌道交通工程設(shè)計和施工水平。

5 結(jié)論及建議

預(yù)埋滑槽技術(shù)在深圳地鐵9號線工程中的應(yīng)用取得了初步成效,實踐證明,在地鐵盾構(gòu)區(qū)間采用預(yù)埋滑槽技術(shù)是可行的、便捷的、綠色的,預(yù)埋滑槽技術(shù)可以在整個城市軌道交通系統(tǒng)中推廣應(yīng)用。

預(yù)埋滑槽技術(shù)雖然取得了工程試驗的成功,但目前國內(nèi)尚沒有針對城市軌道交通工程中預(yù)埋滑槽應(yīng)用的相關(guān)標準,不利于該項技術(shù)的應(yīng)用和推廣,需要積極推動技術(shù)標準的建設(shè)。預(yù)埋滑槽耐久性研究尚不夠成熟,還有待進一步研究。

[1] 何慶鋒.深圳地鐵9號線梅景站—下梅林站區(qū)間隧道開槽管片計算復(fù)核咨詢報告[R].長沙:湖南大學,2013.

[2] 李春良.不同病害情況下盾構(gòu)隧道環(huán)向剛度的計算方法 [J].隧道建設(shè),2013,33(8):646.

Application of Pre-embedded Chute Technology in Urban Rail Transit

DENG Jianrong, DING Xianli

Pre-embedded chute technology is to embed steel chute on the reinforced concrete structure, so as to install a fixed electrical equipment. Taking the interval shield tunnel project on Shenzhen metro Line 9 as the research target, the embedded chute technology is introduced. Through model comparison, the forces of segment with and without slot are analyzed, the key issues in this technology is studied. Sincethe electro-mechanical equipment system in urban rail transit is very complex, it has to be installed on the reinforced concrete structure with a large number of equipment and pipelines. The traditional ways of planting expansion bolt or drilling onthe reinforced concrete structure are destructive, directly harm the safety and durability of the structure,therefore, the application of embedded chute technologyin urban rail transit has special significance.

urban rail transit; pre-embedded technology of chute; mechanical and electrical equipment

U453

10.16037/j.1007-869x.2016.08.023

2016-01-25)