盾構(gòu)管片預(yù)埋槽道受力性能分析

薛 佳

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,天津 300308)

引言

地鐵作為近年來(lái)解決城市交通壓力的新渠道得到了快速的發(fā)展，而在盾構(gòu)區(qū)間內(nèi)安裝設(shè)備與管線主要有后置化學(xué)錨栓與預(yù)埋槽道兩種方式，此兩種安裝方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。(1)后置化學(xué)錨栓：國(guó)內(nèi)外成熟的產(chǎn)品多、有配套的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，且施工精度可控；但其需在混凝土管片上鉆孔、對(duì)管片和鋼筋有損害，施工環(huán)境噪聲大、粉塵多，安裝效率低。(2)預(yù)埋槽道：目前缺少相應(yīng)的國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，且槽道需預(yù)先埋設(shè)于管片模板上，施工精度要求高，其一次性土建投資大，約為后置化學(xué)錨栓的1.4倍[1]；但可避免在管片上鉆孔，能夠保存其結(jié)構(gòu)的完整性，施工時(shí)噪聲低、粉塵少、安裝效率高[2-3]。目前，預(yù)埋槽道作為一項(xiàng)新的設(shè)備與管線安裝技術(shù)，已在深圳[4]、蘭州[5]等城市推廣應(yīng)用。

在國(guó)內(nèi)，鄧劍榮等[6]、杜峰[7]結(jié)合深圳地鐵9號(hào)線盾構(gòu)管片預(yù)埋槽道的使用情況，主要通過(guò)理論計(jì)算及數(shù)值模擬對(duì)預(yù)埋槽道的力學(xué)應(yīng)用做了研究。秦夢(mèng)宇等[8]對(duì)混凝土中槽式預(yù)埋件垂直槽向的抗剪性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。但是，對(duì)于接觸網(wǎng)、疏散平臺(tái)等具體安裝方式及槽道螺栓的受力性能并未詳細(xì)提及，以及未涉及大直徑管片(直徑6 m及以上)內(nèi)高凈空下接觸網(wǎng)如何安裝。因此，作為一項(xiàng)新的管線與設(shè)備安裝技術(shù)，如何選擇合理的安裝方式及其受力性能如何，為本文的研究重點(diǎn)。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)

1.1 管片

本文中提及的混凝土管片為C50預(yù)制管片，常規(guī)管片環(huán)寬1.2 m、內(nèi)徑5.5 m、外徑6.2 m，大直徑、高凈空管片環(huán)寬1.5 m、內(nèi)徑6.0 m、外徑6.7 m，內(nèi)環(huán)面均全環(huán)預(yù)埋單槽道。

1.2 區(qū)間綜合管線

地鐵盾構(gòu)區(qū)間內(nèi)管線與設(shè)備眾多，主要有強(qiáng)電系統(tǒng)、弱電系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)及疏散平臺(tái)。其中強(qiáng)電系統(tǒng)包括：接觸網(wǎng)、供電環(huán)網(wǎng)、動(dòng)力照明等。弱電系統(tǒng)包括：通信、信號(hào)及綜合監(jiān)控等。給排水系統(tǒng)包括：消防水管及廢水管；此外還有壁掛設(shè)備等。這些管線與設(shè)備都需要安裝固定在管片上，而預(yù)埋槽道可作為設(shè)備與管線安裝的基礎(chǔ)及銜接的橋梁。盾構(gòu)區(qū)間中綜合管線典型布置如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)區(qū)間綜合管線典型布置

管線與設(shè)備在預(yù)埋槽道上安裝時(shí)，其支架布設(shè)間距需與槽道間距的模數(shù)相匹配，以確保槽道間無(wú)需再鉆孔增設(shè)支架。以內(nèi)徑5.5 m的盾構(gòu)管片、槽道間距1.2 m為例，接觸網(wǎng)、35 kV鎧裝環(huán)網(wǎng)電纜、弱電電纜等可按1.2 m間距布設(shè)支架。給排水管可按2.4 m間距布設(shè)支架。

管線與設(shè)備在預(yù)埋槽道上完成安裝后，需保證安裝支架處螺栓的受力小于其可承受的工作荷載。

1.3 預(yù)埋槽道

目前市場(chǎng)上的預(yù)埋槽道主要分為帶齒及不帶齒兩種，由于在地鐵區(qū)間內(nèi)，管線沿隧道內(nèi)壁環(huán)向布置，槽道需要承受環(huán)向剪切力，為確保管線安裝牢固、防止力點(diǎn)滑移[9-10]，盾構(gòu)管片采用帶齒預(yù)埋槽道。

槽道的標(biāo)準(zhǔn)高度為20 mm，寬度為30 mm，齒牙深度宜為1.5 mm，間距宜為3 mm。預(yù)埋槽道大樣見(jiàn)圖2。

圖2 預(yù)埋槽道大樣(單位：mm)

1.3.1 槽道材質(zhì)

預(yù)埋槽道須采用一次熱軋成型的全齒半閉口型鋼槽道，槽道與錨桿材質(zhì)統(tǒng)一，采用低合金鋼或06Cr17Ni12Mo2Ti，嚴(yán)禁采用沸騰鋼，其綜合力學(xué)性能指標(biāo)不低于GB/T1591—2008《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》[11]中Q345B或S275JR的標(biāo)準(zhǔn)，鋼材C含量不大于0.17%，并具有足夠的延展性，其斷裂最小延伸率不小于14%。地鐵作為百年工程，預(yù)埋槽道的各項(xiàng)性能如防腐、防火、抗疲勞、承載力等需滿足100年的使用年限要求。

1.3.2 配套螺栓的機(jī)械性能

與槽道配套連接的T形螺栓具備齒牙構(gòu)造、有自鎖防松功能。采用強(qiáng)度等級(jí)不小于8.8級(jí)的M12螺栓及8級(jí)螺母。

1.3.3 槽道螺栓工作荷載要求

參考深圳、青島[12]等地方和團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，并經(jīng)過(guò)專(zhuān)家論證，提出預(yù)埋槽道T形螺栓安裝固定點(diǎn)的最大單點(diǎn)荷載為8 kN，即任何方向(軸向力、沿槽道方向剪切力、沿線路方向剪切力)的工作荷載(靜態(tài)荷載)均不得低于8 kN，也就意味著區(qū)間內(nèi)各管線及設(shè)備需采用合理的安裝方式，以保證其安裝完成后單個(gè)螺栓任何方向的受力不能大于8 kN，螺栓的設(shè)計(jì)荷載為工作荷載的1.4倍。

2 管線與設(shè)備安裝方式及受力性能研究

本文重點(diǎn)研究接觸網(wǎng)、疏散平臺(tái)等管線與設(shè)備的安裝方式及受力性能。

2.1 接觸網(wǎng)在槽道中的安裝方式

(1)接觸網(wǎng)在常規(guī)盾構(gòu)管片中的安裝方式

針對(duì)常規(guī)管片(內(nèi)徑5.5 m、環(huán)寬1.2 m、B型車(chē)限界)，接觸網(wǎng)安裝后其上方凈空約為0.33 m，安裝時(shí)采用8個(gè)T形螺栓與槽道頂部連接，如圖3所示，跨距與預(yù)埋槽道跨距相同，即1.2 m。

圖3 接觸網(wǎng)在常規(guī)管片槽道中的安裝方式

接觸網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，管片預(yù)埋槽道所受到的力主要為接觸網(wǎng)壓力、受電弓與接觸網(wǎng)的滑動(dòng)摩擦力和震動(dòng)荷載。通過(guò)計(jì)算，接觸網(wǎng)T形螺栓受力匯總見(jiàn)表1。

表1 接觸網(wǎng)螺栓受力匯總 kN

(2)接觸網(wǎng)在高凈空盾構(gòu)管片中的安裝方式

目前城市軌道交通普速地鐵(80 km/h)中使用的盾構(gòu)管片多為小直徑管片(環(huán)寬1.2 m、凈空5.5 m左右)，但是隨著城際軌道交通(120 km/h)的興起以及跨海區(qū)間的修建，大直徑管片(環(huán)寬1.5 m、凈空6.0 m及以上)將越來(lái)越多的得到應(yīng)用。與常規(guī)凈空下接觸網(wǎng)安裝方式相比，高凈空接觸網(wǎng)安裝的研究與應(yīng)用少之又少，田廣輝[13]、王博[14]、李智明[15]等雖然對(duì)使用預(yù)埋槽道時(shí)接觸網(wǎng)的懸掛固定方式進(jìn)行過(guò)研究比選，但并未提及高凈空下接觸網(wǎng)如何進(jìn)行有效固定。

針對(duì)大直徑管片，若單環(huán)管片預(yù)埋2根槽道，將有效解決高凈空下接觸網(wǎng)的受力及穩(wěn)定問(wèn)題，但預(yù)埋雙槽道將大大增加投資、造成浪費(fèi)，因此本文不予考慮；經(jīng)研究，大直徑管片通過(guò)增設(shè)吊柱與斜撐可解決高凈空下接觸網(wǎng)的安裝問(wèn)題，吊柱采用單排4個(gè)T形螺栓，且利用相鄰槽道吊柱順線路方向設(shè)斜撐，改善受力、減少接觸網(wǎng)的搖擺，見(jiàn)圖4。

圖4 接觸網(wǎng)在高凈空管片槽道中的安裝方式

高凈空管片中接觸網(wǎng)荷載通過(guò)吊柱及斜撐傳遞至T形螺栓，斜撐底座受的剪力及拉力分別用Sc與Vc表示，高凈空下接觸網(wǎng)T形螺栓受力分析如下。

沿槽道方向的剪切力為

Ft=Fx/4

(1)

沿線路方向的剪切力為

Fp=Sc/2=0.5×((Fy×Hf)/Hy)

(2)

螺栓所受軸向力為

Fn=Fz/4+Vc/2=

Fz/4+((Sc×Hy)/Hx)×0.5

(3)

將圖4中數(shù)值代入式(1)～式 (3)后可得高凈空下接觸網(wǎng)T形螺栓受力，見(jiàn)表2。

表2 高凈空下接觸網(wǎng)螺栓受力匯總 kN

在實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，接觸網(wǎng)與受電弓反復(fù)摩擦，連接接觸網(wǎng)的預(yù)埋槽道與T形螺栓也承受重復(fù)荷載作用，根據(jù)TBT 2073—2010《電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件技術(shù)條件》[16]的要求，需考慮3倍安全系數(shù)，即槽道螺栓單點(diǎn)實(shí)際可承受的荷載需達(dá)到24 kN。

2.2 疏散平臺(tái)在槽道中的安裝方式

盾構(gòu)區(qū)間疏散平臺(tái)設(shè)置于行車(chē)方向左側(cè)，采用5個(gè)T形螺栓固定于槽道上，同時(shí)設(shè)置斜撐，保證整體支架的可靠性。安裝方式及荷載見(jiàn)圖5。

圖5 疏散平臺(tái)在槽道中的安裝方式

疏散平臺(tái)所承受的恒載為自重gk，活載為人群活載q1k、F1k及活塞風(fēng)荷載qwk，其中，q1k、F1k、qwk不同時(shí)考慮。計(jì)算時(shí)疏散平臺(tái)寬度b按1.0 m考慮。經(jīng)分析，活載F1k對(duì)螺栓產(chǎn)生的彎矩不利、活載q1k對(duì)螺栓產(chǎn)生的剪力不利。

最不利荷載組合下彎矩設(shè)計(jì)值為

M=1.2Mgk+1.4MF1k=

1.2×0.5×gk×b2+1.4×F1k×b

(4)

最不利荷載組合下剪力設(shè)計(jì)值為

V=1.2Vgk+1.4Vq1k=

1.2×gk×b×cos20°+1.4×q1k×b×cos20°

(5)

每個(gè)螺栓所受的沿槽道方向的剪切力為

(6)

從圖5可知，螺栓A所受拉力最大，其值為

(7)

同理可求螺栓B～螺栓E的拉力值。經(jīng)匯總，疏散平臺(tái)T形螺栓受力見(jiàn)表3。

表3 疏散平臺(tái)螺栓受力匯總 kN

2.3 35 kV環(huán)網(wǎng)電纜在槽道中的安裝方式

盾構(gòu)區(qū)間環(huán)網(wǎng)電纜敷位于疏散平臺(tái)下方，電纜支架采用2個(gè)T形螺栓固定于槽道上，見(jiàn)圖6。

圖6 環(huán)網(wǎng)電纜在槽道中的安裝方式

環(huán)網(wǎng)電纜荷載主要為支架及其附件自重。通過(guò)計(jì)算，環(huán)網(wǎng)電纜T形螺栓受力匯總見(jiàn)表4。

表4 環(huán)網(wǎng)電纜螺栓受力匯總 kN

根據(jù)GB50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》[17]15.4.3條文要求，35 kV電纜與控制電纜混敷時(shí)的支架水平最大跨距為0.8 m，而預(yù)埋槽道跨距為1.2 m甚至1.5 m，但考慮35 kV環(huán)網(wǎng)電纜設(shè)有金屬鎧裝、可承受其自重，故環(huán)網(wǎng)電纜安裝時(shí)不采取額外的措施。

2.4 其他設(shè)備管線的安裝方式

除上述接觸網(wǎng)、疏散平臺(tái)、35 kV環(huán)網(wǎng)電纜等設(shè)備與管線外，區(qū)間內(nèi)其他的設(shè)備與管線還包括：弱電電纜、通信信號(hào)壁掛設(shè)備、消防水管等，其安裝方式如下所述。

(1)弱電電纜。區(qū)間內(nèi)采用5層托架對(duì)弱電電纜進(jìn)行固定，托架間距與槽道間距相同，托架通過(guò)3個(gè)T形螺栓與槽道進(jìn)行固定。

(2)通信信號(hào)壁掛設(shè)備。壁掛設(shè)備包括無(wú)線光纖直放站遠(yuǎn)端機(jī)、RRU、AP箱、信號(hào)機(jī)等。在管片預(yù)埋槽道的固定方式為：相鄰槽道間安裝2根橫梁，設(shè)備固定在橫梁上，即單根槽道需通過(guò)2個(gè)T形螺栓分別固定2根橫梁。

(3)消防水管。消防水管通過(guò)圓鋼管卡固定在與鋼板連接的角鋼之上，而鋼板需要通過(guò)3個(gè)T形螺栓與預(yù)埋槽道固定。

各管線安裝后，預(yù)埋槽道中T形螺栓受力匯總?cè)绫?所示，表中僅列出受力最大的螺栓。

通過(guò)比較可發(fā)現(xiàn)，區(qū)間各設(shè)備與管線完成安裝后，標(biāo)準(zhǔn)凈空下接觸網(wǎng)安裝后盾構(gòu)管片預(yù)埋槽道T形螺栓受力最大，軸向力為7.667 kN。

表5 弱電電纜等螺栓受力匯總 kN

表1、表4、表5中螺栓受力源于《廈門(mén)市軌道交通工程盾構(gòu)區(qū)間預(yù)埋槽道專(zhuān)題研究報(bào)告》[18]，本文所描述的管線及設(shè)備的安裝方式及其受力計(jì)算、T形螺栓工作荷載等已通過(guò)專(zhuān)家評(píng)審，目前已在廈門(mén)市軌道交通3、4號(hào)線工程推廣應(yīng)用。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

國(guó)內(nèi)不少學(xué)者[19-20]對(duì)地面建筑工程中預(yù)埋式槽型錨軌的抗拔及抗剪性能做過(guò)試驗(yàn)研究，但較少涉及城市軌道交通中盾構(gòu)管片預(yù)埋槽道的受力性能研究。試驗(yàn)在三環(huán)拼裝完成的內(nèi)徑5.5 m管片上進(jìn)行，為準(zhǔn)確模擬槽道的受力狀態(tài)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法及步驟參照《電氣化鐵路接觸網(wǎng)隧道內(nèi)預(yù)埋槽道》[21]的相關(guān)要求。拉拔、沿槽軸向剪切和垂直槽軸向剪切時(shí)，其工作荷載8 kN，加載至24 kN(3倍工作荷載)的靜態(tài)荷載下，觀察槽道本體是否發(fā)生屈服變形和功能性失效破壞及槽道周邊混凝土是否開(kāi)裂破壞(注：本文中首次試驗(yàn)時(shí)使用的槽道材質(zhì)為Q235型鋼)。

3.1 拉拔試驗(yàn)

加載點(diǎn)位于槽道螺栓處，拉拔荷載施加至11.2 kN(1.4倍工作荷載)時(shí)，槽道平均位移為0.62 mm，混凝土表面開(kāi)裂時(shí)平均拉拔荷載為23.13 kN，對(duì)應(yīng)的槽道平均位移為1.84 mm。

加載點(diǎn)位于槽道兩螺栓之間，拉拔荷載施加至11.2 kN時(shí)，槽道平均位移為0.61 mm，混凝土表面出現(xiàn)開(kāi)裂時(shí)平均拉拔荷載為21.33 kN，對(duì)應(yīng)的槽道平均位移為1.88 mm，如圖7所示。

圖7 拉拔力與槽道位移關(guān)系曲線

根據(jù)試驗(yàn)情況分析，在拉拔狀態(tài)下加載至22 kN時(shí)，管片表面混凝土發(fā)生開(kāi)裂，未能滿足3倍工作荷載時(shí)槽道周邊混凝土不產(chǎn)生開(kāi)裂破壞的要求。經(jīng)分析該情況產(chǎn)生的原因是槽道發(fā)生過(guò)大變形，引起管片表層混凝土應(yīng)變過(guò)大以致開(kāi)裂，因此增大槽道強(qiáng)度，可改善管片表層混凝土開(kāi)裂問(wèn)題。當(dāng)槽道鋼材材質(zhì)由Q235調(diào)整為Q345B時(shí)，經(jīng)后續(xù)試驗(yàn)驗(yàn)證，槽道拉拔荷載加載至24 kN(3倍工作荷載)時(shí)管片混凝土未發(fā)生開(kāi)裂。當(dāng)拉拔荷載加至57 kN時(shí)，螺栓發(fā)生斷裂，此時(shí)槽道發(fā)生輕微變形、混凝土管片出現(xiàn)微裂縫。

3.2 剪切試驗(yàn)

剪切荷載施加至11.2 kN(1.4倍工作荷載)時(shí)，槽道平均位移為0.66 mm；剪切荷載施加至24 kN時(shí)，槽道平均位移為1.69 mm，槽道及混凝土完好、未產(chǎn)生開(kāi)裂現(xiàn)象，荷載與槽道位移關(guān)系如圖8所示。

圖8 剪切力與槽道位移關(guān)系曲線

4 結(jié)論與建議

(1)本文首先參考有關(guān)的團(tuán)體及地方標(biāo)準(zhǔn)，提出槽道螺栓的工作荷載為：各方向均不得大于8 kN。其次通過(guò)合理的安裝方式，明確了盾構(gòu)區(qū)間內(nèi)管線及設(shè)備(包含：接觸網(wǎng)、疏散平臺(tái)、環(huán)網(wǎng)電纜、弱電電纜、通信信號(hào)壁掛設(shè)備、通信漏纜、消防水管等)在預(yù)埋槽道上安裝后其對(duì)應(yīng)的螺栓受力，其中接觸網(wǎng)荷載最大(為7.667 kN)、滿足提出的螺栓工作荷載限值要求，同時(shí)通過(guò)增設(shè)吊柱及斜撐，在大直徑管片(直徑6 m及以上)內(nèi)安裝接觸網(wǎng)時(shí)，可有效解決車(chē)輛運(yùn)行時(shí)接觸網(wǎng)的穩(wěn)定及槽道內(nèi)螺栓的受力問(wèn)題。

(2)因接觸網(wǎng)承受反復(fù)動(dòng)荷載，要求螺栓需要能夠承受3倍工作荷載，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)1∶1試驗(yàn)，表明槽道采用Q345B型鋼、各方向工作荷載施加至24 kN(即3倍工作荷載)時(shí)，槽道周邊混凝土未產(chǎn)生開(kāi)裂破壞，槽道本體未產(chǎn)生明顯的屈服變形和功能性失效破壞。

本文所述T形螺栓工作荷載及設(shè)備與管線的安裝方式等已通過(guò)專(zhuān)家評(píng)審并已應(yīng)用于實(shí)際工程中，可作為今后類(lèi)似工程使用的依據(jù)。