南京地鐵盾構(gòu)隧道槽道技術(shù)設(shè)計(jì)研究

彭紅霞，趙華新，許偉宏，李佳星

（1. 南京地鐵集團(tuán)有限公司，南京 210018；2. 北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100037；3. 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430000）

1 研究背景

隨著軌道交通的快速發(fā)展，地鐵區(qū)間隧道施工大多數(shù)采用施工速度快、對(duì)周邊環(huán)境影響較小的盾構(gòu)法施工，而盾構(gòu)法區(qū)間隧道設(shè)備安裝施工則以傳統(tǒng)的鉆孔+化學(xué)錨栓或膨脹螺栓固定系統(tǒng)支架及設(shè)備為主。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)城市地鐵區(qū)間隧道的統(tǒng)計(jì)得知，傳統(tǒng)的鉆孔+化學(xué)錨栓或膨脹螺栓形式存在施工安裝工期長(zhǎng)、施工作業(yè)環(huán)境差、隧道健康狀況不良、后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)工作繁重等問(wèn)題。為減小鉆孔對(duì)盾構(gòu)區(qū)間隧道的結(jié)構(gòu)損傷，保證隧道結(jié)構(gòu)本身的完整性和耐久性，將國(guó)內(nèi)高鐵屏蔽門(mén)及接觸網(wǎng)預(yù)留預(yù)埋技術(shù)[1]引進(jìn)到地鐵盾構(gòu)隧道，即盾構(gòu)隧道槽道技術(shù)。該技術(shù)將設(shè)備支架用T型螺栓固定在槽道上，替代了在管片上直接打孔的安裝工藝。近幾年，盾構(gòu)法隧道槽道大部分采用預(yù)埋槽道的工藝[1-8]，但是也逐漸暴露了一些問(wèn)題，比如槽道需要全環(huán)預(yù)埋，費(fèi)用高，耐久性不易保證[9]，后期更換困難等。為推進(jìn)盾構(gòu)隧道槽道技術(shù)的發(fā)展，福州地鐵2號(hào)線(xiàn)3條區(qū)間采用了掛耳(單螺帽)+外置式槽道的設(shè)置方式[10]，安裝時(shí)需擰開(kāi)管片連接螺栓，對(duì)管片結(jié)構(gòu)安全易產(chǎn)生影響。在此基礎(chǔ)上，提出專(zhuān)用固定件(雙螺帽)+外置槽道和預(yù)埋套筒+外置槽道兩種設(shè)置方案。筆者結(jié)合南京地鐵“十三五”線(xiàn)路建設(shè)和管片生產(chǎn)進(jìn)度情況，分別對(duì)專(zhuān)用固定件+外置槽道和預(yù)埋套筒+外置槽道兩種方案進(jìn)行比選研究，分析兩種方案在設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的問(wèn)題，提出解決方案和適用條件，為槽道技術(shù)在地鐵盾構(gòu)隧道中的應(yīng)用提供參考。

2 專(zhuān)用固定件+外置槽道系統(tǒng)

2.1 方案簡(jiǎn)介

外置槽道通過(guò)專(zhuān)用固定件(掛耳)與盾構(gòu)管片縱向連接螺栓固定，U型槽道與掛耳固定，無(wú)需在管片生產(chǎn)期間進(jìn)行槽道預(yù)埋，可使用與之配套的T形螺栓來(lái)安裝區(qū)間隧道內(nèi)的設(shè)備。土建施工與設(shè)備安裝分屬兩個(gè)不同的施工階段，掛耳(單螺帽)+外置槽道會(huì)增加施工協(xié)調(diào)難度，且槽道安裝和后期更換均需擰開(kāi)管片連接螺栓，對(duì)管片結(jié)構(gòu)安全易產(chǎn)生影響。為減少協(xié)調(diào)難度，降低槽道安裝和后期更換安全風(fēng)險(xiǎn)，采用加長(zhǎng)螺桿+雙螺帽的形式(管片縱向連接螺栓螺桿加長(zhǎng)約55 mm，加長(zhǎng)部分主要位于手孔范圍內(nèi)，對(duì)隧道限界影響較小)，設(shè)備安裝時(shí)只需將掛耳固定在增長(zhǎng)部分的螺栓上，不與管片固定螺母產(chǎn)生關(guān)聯(lián)(見(jiàn)圖1)。

圖1 專(zhuān)用固定件+外置槽道系統(tǒng)Figure 1 Detailed drawing of special fixed parts and non-embedded channels

2.2 方案設(shè)計(jì)

2.2.1 槽道布置

1) 布置原則：槽道盡量在管片接縫處斷開(kāi)，每根槽道至少由兩根縱向螺栓固定，滿(mǎn)足區(qū)間系統(tǒng)設(shè)備的安裝需求。

2) 布置范圍：強(qiáng)、弱電支架，疏散平臺(tái)、信號(hào)機(jī)、消防水管、排水管等系統(tǒng)設(shè)備，采用外置槽道。為避免卡滯現(xiàn)象，接觸網(wǎng)不設(shè)置(見(jiàn)圖2)。

圖2 專(zhuān)用固定件+外置槽道布置Figure 2 Layout of special fixed parts and non-embedded channels

2.2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

外置槽道的設(shè)計(jì)規(guī)格為53 mm×34 mm、材質(zhì)為Q355B低碳合金鋼，掛耳采用的材質(zhì)性能不低于ZG310—570的相關(guān)要求，連接銷(xiāo)栓采用M12，螺栓強(qiáng)度等級(jí)不低于8.8級(jí)。

2.3 方案計(jì)算

2.3.1 荷載計(jì)算

對(duì)區(qū)間各專(zhuān)業(yè)荷載進(jìn)行對(duì)比，其中區(qū)間隧道疏散平臺(tái)的荷載最大，其余的荷載較小。因此，僅針對(duì)疏散平臺(tái)支架進(jìn)行驗(yàn)算，疏散平臺(tái)與槽道間按鉸接考慮(見(jiàn)圖 3)。

圖3 疏散平臺(tái)(端部節(jié)點(diǎn))Figure 3 Sketch map of evacuation platform

疏散平臺(tái)荷載：平臺(tái)寬度1.2 m，橫向長(zhǎng)度0.7～1.2 m，橫向計(jì)算長(zhǎng)度L取1.2 m，恒載1.8 kPa，人群活荷載4 kPa，隧道風(fēng)壓0.6 kPa。

疏散平臺(tái)(每環(huán))均布荷載：q=(1.3×1.8+1.5×4+1.5×0.6)×1.2=11.088 kN/m。以圖4中的A點(diǎn)取矩，計(jì)算B點(diǎn)處垂直AB方向的拉力F，即疏散平臺(tái)端部設(shè)備支架的拉力。經(jīng)計(jì)算，F(xiàn)=9.504 kN。疏散平臺(tái)端部由2根T型螺栓連接，所受拉力分別為N1=F×140/240=5.544 kN，N2=F-N1=3.96 kN，即設(shè)備支架T型螺栓對(duì)外置槽道的拉力分別為5.544、3.96 kN，間距240 mm。取T型螺栓對(duì)槽道的最大拉力設(shè)計(jì)值N=6 kN。

圖4 疏散平臺(tái)荷載計(jì)算Figure 4 Calculation diagram of evacuation platform load

2.3.2 計(jì)算原則

1) 在綜合荷載作用下，槽道及T型螺栓強(qiáng)度應(yīng)滿(mǎn)足Q355B鋼材的屈服強(qiáng)度、螺栓抗拉抗剪的要求。

2) 在最大工作荷載作用下，槽道撓度和強(qiáng)度需滿(mǎn)足規(guī)范要求。撓度控制：參考《管道支吊架》GB/T 17116.1—1997中的5.10.3條，撓度變形應(yīng)符合1/500 L，且不應(yīng)大于2.3 mm。強(qiáng)度控制：參考《電氣化鐵路接觸網(wǎng)隧道內(nèi)預(yù)埋槽道》(TB/T 3329—2013)中5.5.3.5條的要求，在1.5倍工作荷載(槽道法向承受最大拉力)作用下，不產(chǎn)生塑性變形，即滑槽應(yīng)力小于Q355B鋼材的屈服強(qiáng)度355 MPa；在3倍工作荷載作用下，不應(yīng)產(chǎn)生功能性失效破壞。

2.3.3 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)模擬計(jì)算，在極限荷載作用下槽道最大變形為0.5 mm，槽道最大應(yīng)力為106.9 MPa(見(jiàn)圖5)，掛耳最大應(yīng)力為138 MPa(見(jiàn)圖6)，槽道及專(zhuān)用固定件受力均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

圖5 極限載荷下的槽道最大變形和最大應(yīng)力(0.5 mm，106.9 MPa)Figure 5 Maximum deformation and stress of channel under ultimate load (0.5 mm, 106.9 MPa)

圖6 極限載荷下的掛耳最大變形和最大應(yīng)力(0.15 mm，138 MPa)Figure 6 Maximum deformation and stress of hanging ear under ultimate load (0.5 mm, 106.9 MPa)

2.4 應(yīng)用情況

專(zhuān)用固定件(掛耳)+外置槽道可用于已開(kāi)工建設(shè)、管片已經(jīng)生產(chǎn)但還未開(kāi)始拼裝的線(xiàn)路。南京地鐵7號(hào)線(xiàn)南起西善橋，北止仙新路，線(xiàn)路長(zhǎng)約35.49 km，設(shè)站27座，其中13座換乘站，為全地下線(xiàn)。除先期開(kāi)工的區(qū)間已完成管片拼裝外，其余區(qū)間均采用專(zhuān)用固定件(掛耳)+外置槽道系統(tǒng)。

2.5 注意事項(xiàng)

1) 在管片拼裝過(guò)程中，工人需區(qū)分縱向和環(huán)向螺桿，并保證縱向螺桿方向一致，以便于專(zhuān)用固定件的安裝；設(shè)備安裝時(shí)只需將專(zhuān)用固定件固定在增長(zhǎng)部分的螺栓上，不用與管片固定螺母產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。

2) 管片拼裝錯(cuò)臺(tái)，無(wú)法通過(guò)調(diào)整管片縱向連接螺栓，使槽道與管片內(nèi)壁實(shí)現(xiàn)密貼，加大了占據(jù)預(yù)留變形空間。需通過(guò)調(diào)整調(diào)節(jié)螺栓，減少槽道與管片內(nèi)壁間的縫隙。

3 預(yù)埋套筒+外置槽道系統(tǒng)

3.1 方案簡(jiǎn)介

在管片生產(chǎn)期間，將螺栓套筒預(yù)埋在管片中，通過(guò)連接銷(xiāo)栓將外置槽道進(jìn)行固定，將T型螺栓的T字頭放入槽道內(nèi)與設(shè)備支架進(jìn)行連接(見(jiàn)圖7)。外置槽道可以根據(jù)支架的布置進(jìn)行優(yōu)化(見(jiàn)圖8)。

圖7 預(yù)埋套筒+外置槽道的大樣Figure 7 Detailed drawing of the embedded sleeve and non-embedded channels

圖8 預(yù)埋套筒+外置槽道的安裝Figure 8 Installation diagram of the embedded sleeve and non-embedded channels

3.2 方案設(shè)計(jì)

3.2.1 套筒布置

縱向：每環(huán)管片設(shè)一道。環(huán)向：對(duì)于不同的管片組合形式，均能保證前后環(huán)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)位上都能有套筒在同一縱向上，經(jīng)套筒個(gè)數(shù)和槽道長(zhǎng)度組合研究，最后確定套筒全環(huán)預(yù)埋。其中，外徑6.2 m盾構(gòu)，全環(huán)預(yù)埋32個(gè)套筒，套筒間角度為11.25°，間距為540 mm (見(jiàn)圖9)。

圖9 6.2 m盾構(gòu)的32個(gè)套筒剖面Figure 9 Profile of 32 sleeves of 6.2m shield

3.2.2 槽道布置

槽道盡量在管片接縫處斷開(kāi)，每段槽道與 2～4個(gè)預(yù)埋套筒連接(見(jiàn)圖10)。將強(qiáng)弱電支架、疏散平臺(tái)、信號(hào)機(jī)、消防水管、排水管等系統(tǒng)設(shè)備設(shè)置于外置槽道，為避免卡滯現(xiàn)象，接觸網(wǎng)不設(shè)置。

圖10 套筒及槽道布置Figure 10 The layout of sleeve and channel

3.2.3 設(shè)計(jì)參數(shù)

經(jīng)比選，擬采用外置槽道型號(hào)為53 mm×34 mm，材質(zhì)為Q355B低碳合金鋼；套筒型號(hào)為M20，材質(zhì)為不銹鋼，統(tǒng)一數(shù)字代號(hào)為 S31603，材料應(yīng)符合GB/T1591—2018、GB/T20878—2007等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求；T型螺栓采用M20，強(qiáng)度等級(jí)不低于8.8級(jí)。

3.3 方案計(jì)算

3.3.1 荷載計(jì)算

經(jīng)過(guò)對(duì)區(qū)間各專(zhuān)業(yè)荷載進(jìn)行對(duì)比，可見(jiàn)區(qū)間隧道疏散平臺(tái)荷載最大，本文第2.3.1節(jié)已經(jīng)計(jì)算出疏散平臺(tái)設(shè)備支架的T型螺栓對(duì)外置槽道的拉力為5.544、3.96 kN。為計(jì)算方便，取T型螺栓對(duì)外置槽道的最大拉力設(shè)計(jì)值為6 kN。

3.3.2 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)本文第2.3.2節(jié)所述的計(jì)算原則，計(jì)算結(jié)果如圖11所示。經(jīng)模擬計(jì)算，按預(yù)埋套筒間距540 mm，在極限荷載作用下，槽道最大變形為0.24 mm，最大應(yīng)力為280 MPa，受力滿(mǎn)足規(guī)范要求。

圖11 極限荷載下槽道的最大變形及最大應(yīng)力Figure 11 Maximum deformation and maximum stress of channel under ultimate load

3.4 精度控制

預(yù)埋套筒按設(shè)計(jì)要求在管片模具上定位，并用鋼絲固定在鋼筋骨架上(見(jiàn)圖12)。

圖12 預(yù)埋套筒的施工現(xiàn)場(chǎng)Figure 12 Field construction drawing of the embedded sleeve

外置槽道通過(guò)緊固螺栓固定在預(yù)埋套筒上，槽道螺栓孔呈橢圓形，開(kāi)孔尺寸比螺栓直徑每側(cè)大1 mm，以保證套筒在1 mm的偏差下也能順利安裝。

3.5 應(yīng)用情況

預(yù)埋套筒+外置槽道可用于已開(kāi)工或準(zhǔn)備開(kāi)工建設(shè)，但管片還未投入生產(chǎn)的線(xiàn)路。南京地鐵“十三五”期間共有12條線(xiàn)路在建，除5、7號(hào)線(xiàn)和1、2、3號(hào)延長(zhǎng)線(xiàn)外，其余線(xiàn)路均采用預(yù)埋套筒+外置槽道系統(tǒng)。

4 存在的問(wèn)題及解決方案

1) 根據(jù)對(duì)比研究，接觸網(wǎng)范圍無(wú)論采用專(zhuān)用固定件+外置槽道還是預(yù)埋套筒+外掛槽道方案，均需用多種受力構(gòu)件進(jìn)行轉(zhuǎn)換，浪費(fèi)工程較多。若轉(zhuǎn)換構(gòu)件發(fā)生偏移、卡滯時(shí)，動(dòng)態(tài)荷載FY存在剪豁外置槽道槽口或頂彎變形的隱患。經(jīng)綜合對(duì)比，隧道頂接觸網(wǎng)處不采用槽道方案，仍沿用傳統(tǒng)鉆孔+錨栓技術(shù)，以保證運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的使用安全。

2)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，環(huán)網(wǎng)電纜的支架間距為0.8 m，通信、信號(hào)電纜的支架間距為1 m。可將槽道間距設(shè)為1.2 m，采用橋架、套管、層架尺寸，縱向加寬至0.4 m，使支架邊緣間距達(dá)到0.8 m。

3) 區(qū)間隧道內(nèi)設(shè)消防管網(wǎng)及壓力排水管網(wǎng)，材質(zhì)為球墨鑄鐵管。管道單根長(zhǎng)度為6 m，可采用三角支架固定，固定支架的間距可根據(jù)槽道間距來(lái)確定(見(jiàn)圖13)。

4) 疏散平臺(tái)支架由原來(lái)的懸臂方案，調(diào)整為帶斜撐的方案。為了保證疏散平臺(tái)支架端部與槽道之間連接的穩(wěn)定性，在連接鋼板與槽道接觸面以外，增加連接鋼板厚度，確保連接鋼板與隧道壁之間緊貼固定，或在相鄰支架之間設(shè)置縱向連接件，以保證整體穩(wěn)定。

5 結(jié)論與展望

盡管盾構(gòu)槽道技術(shù)存在初裝費(fèi)用高以及其他一些不足，但較傳統(tǒng)鉆孔技術(shù)相比，槽道技術(shù)極大地提高了盾構(gòu)管片的耐久性，在施工工藝、施工環(huán)境、隧道損傷、設(shè)備安裝效率、外觀(guān)效果、運(yùn)營(yíng)維護(hù)等方面均有較大優(yōu)勢(shì)，具有技術(shù)先進(jìn)性，完全滿(mǎn)足未來(lái)盾構(gòu)隧道施工的要求，值得推廣。綜合比較，相對(duì)于預(yù)埋槽道費(fèi)用較高、耐久性不易保證、后期更換困難等問(wèn)題，專(zhuān)用固定件(掛耳)+外置槽道和預(yù)埋套筒+外置槽道相對(duì)可降低費(fèi)用，后期更換較為便捷，所以可根據(jù)線(xiàn)路施工和管片生產(chǎn)情況酌情進(jìn)行選擇。

國(guó)內(nèi)地鐵正在進(jìn)行大規(guī)模建設(shè)，但槽道技術(shù)正式投入運(yùn)營(yíng)使用的經(jīng)驗(yàn)相對(duì)較少，各地槽道技術(shù)的要求、檢測(cè)、驗(yàn)收尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，差異性較大。因此，需出臺(tái)相關(guān)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)范，力求促進(jìn)裝配式建筑的快速發(fā)展，徹底改變建筑安裝行業(yè)傳統(tǒng)粗放的現(xiàn)場(chǎng)施工工藝，使工程施工向著精細(xì)化、標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展。工廠(chǎng)化生產(chǎn)和預(yù)制，將徹底改變傳統(tǒng)采用的現(xiàn)場(chǎng)大量人工施工作業(yè)的方法，用科技進(jìn)步來(lái)解放生產(chǎn)力，把工人從隧道現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)繁重和環(huán)境惡劣的工作中解放出來(lái)，真正實(shí)現(xiàn)綠色、安全、快速、無(wú)損傷的施工安裝，為建設(shè)高質(zhì)量的百年地鐵工程做出更大貢獻(xiàn)。