預(yù)埋套筒外掛槽道在城市地鐵大斷面隧道使用技術(shù)研究

章邦超

（中鐵建華南建設(shè)有限公司 廣州511458）

1 工程概況

廣州市城市軌道交通18 號線和22 號線是廣州市“十三五”發(fā)展規(guī)劃的重點工程項目，線路采用最高運營時速高達160 km∕h 的8 節(jié)編組市域快線列車，線路為全長95.3 km的地下鐵路。其中18號線起于萬頃沙終于既有的廣州東站，線路依次經(jīng)過南沙區(qū)、番禺區(qū)、海珠區(qū)及天河區(qū)，全長為62.7 km，共設(shè)站9座；22號線起于番禺廣場終于白鵝潭，線路依次經(jīng)過番禺區(qū)、荔灣區(qū)，全長為31.0 km，共設(shè)站7座。工程所需盾構(gòu)管片約86 000環(huán)，其中接觸網(wǎng)環(huán)17 200 環(huán)，非接觸網(wǎng)環(huán)68 800環(huán)，全線預(yù)埋套筒數(shù)量約為563萬個。

2 預(yù)埋滑槽應(yīng)用技術(shù)背景

2.1 傳統(tǒng)錨栓安裝現(xiàn)狀分析

目前，國內(nèi)地鐵隧道中電纜、管線、設(shè)備安裝普遍采用傳統(tǒng)打孔施工安裝螺栓，工作效率低、對管片結(jié)構(gòu)損傷大，導(dǎo)致地鐵在運營期間出現(xiàn)嚴重的滲水漏水現(xiàn)象，且運營期維修保養(yǎng)會干擾地鐵運行，阻礙公眾出行，進而造成更大的損失［1］，如圖1所示。傳統(tǒng)錨栓安裝主要存在以下3個方面問題：

圖1 傳統(tǒng)錨栓安裝案例Fig.1 Installation Case of Traditional Anchor Bolt

⑴傳統(tǒng)錨栓方式對盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)造成的損傷大，降低了盾構(gòu)管片的耐久性和安全性；

⑵安裝數(shù)量大，工作效率低，每環(huán)約28 孔（3 孔植筋），因為工期進度需要，往往有多個專業(yè)單位在同一個工作面交叉施工，施工作業(yè)干擾大，作業(yè)期間安全隱患多；

⑶鉆孔過程中產(chǎn)生大量的噪聲粉塵，危害作業(yè)人員健康，作業(yè)環(huán)境差。

2.2 預(yù)埋滑槽技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

預(yù)埋滑槽技術(shù)在國外最早于1931年開始應(yīng)用，至今已經(jīng)有90 年的應(yīng)用歷史，起初被稱為預(yù)埋滑槽［2］。進入21 世紀后，工程建設(shè)行業(yè)飛速發(fā)展，目前預(yù)埋滑槽技術(shù)在建筑幕墻、電力隧道、市政隧道、城市軌道交通（地鐵）隧道、高速鐵路隧道及火車站、橋梁、電梯、核電廠站等多個行業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛［3］。德國和法國先后于20世紀60年代和70年代開始將預(yù)埋滑槽技術(shù)應(yīng)用于地鐵隧道內(nèi)，并沿用至今。預(yù)埋滑槽技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用最早開始于21 世紀初，21 世紀是中國高鐵的騰飛時代，這項技術(shù)引入國內(nèi)后首先開始應(yīng)用于高鐵建設(shè)，包括2009 年建成通車的石家莊至太原高鐵線，鄭州至西安高鐵線，武漢至廣州高鐵線等均成功應(yīng)用，而高鐵上主要采用德國生產(chǎn)的哈芬槽［4-5］。現(xiàn)在，此項技術(shù)已在全球多個國家和地區(qū)的地鐵隧道施工中廣泛應(yīng)用，包括非洲的埃及，東南亞的馬來西亞、新加坡，東亞的日本、韓國，以及中國香港等［6］。在內(nèi)地，深圳地鐵6 號線已成功實施應(yīng)用，下一階段南寧、成都、上海、天津等城市也將開展應(yīng)用。

2.3 預(yù)埋滑槽技術(shù)的優(yōu)點

本項目全部為地下鐵路，采用斷面直徑8.8 m 的大盾構(gòu)，線路全長95.3 km，所需盾構(gòu)管片為86 000環(huán)，預(yù)埋套筒數(shù)量約為563萬個。按照工程建設(shè)管理目標要求，從工程規(guī)模、施工生產(chǎn)條件、工程建設(shè)工期等內(nèi)外因素綜合考慮，采用盾構(gòu)管片內(nèi)預(yù)埋套筒外掛槽道技術(shù)，可有效解決傳統(tǒng)錨栓安裝存在的主要問題［7］（見圖2）。以預(yù)埋套筒外掛滑槽技術(shù)來替代傳統(tǒng)的化學錨栓配合金屬支架方式，一方面為后期的管線安裝、設(shè)備安裝提供便利，同時后期的設(shè)備和管線布設(shè)方式也可以更加靈活方便；另一方面采用預(yù)埋套筒外掛滑槽技術(shù)可以為現(xiàn)場作業(yè)人員提供一個友好的安裝施工環(huán)境，無噪音粉塵，干擾小，安裝速度快，效率高，可以大幅度縮短安裝工期，并且大量減少地鐵運營期間的維修維護工作量，降低運維成本，提高經(jīng)營經(jīng)濟效益［8-9］。與傳統(tǒng)化學錨栓安裝方法相比，預(yù)埋滑槽技術(shù)具有以下應(yīng)用優(yōu)點：

圖2 深圳地鐵9號線預(yù)埋滑槽試驗段Fig.2 Test Section of Embedded Chute of Shenzhen Metro Line 9

⑴可以節(jié)約大量的資源能源、減少工程建設(shè)污染、提高作業(yè)人員生產(chǎn)效率，為工程安全生產(chǎn)、質(zhì)量水平提供有效保障。符合2016 年9 月國務(wù)院下發(fā)的《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見》政策要求，有利于企業(yè)樹立環(huán)境友好型、可持續(xù)發(fā)展的企業(yè)形象；

⑵可以有效減少和避免管片結(jié)構(gòu)破壞，充分保證管片結(jié)構(gòu)的完整性和耐久性［10］，充分發(fā)揮工程材料資源的應(yīng)用價值；

⑶安裝作業(yè)環(huán)境大大改善，提高安裝效率；

⑷可大大改善后期設(shè)備安裝的施工環(huán)境；

⑸便于在運營期更換及增加各種設(shè)備，經(jīng)濟效益顯著。

3 預(yù)埋滑槽技術(shù)方案

3.1 預(yù)留滑槽的定義

預(yù)埋槽道是預(yù)埋在管片混凝土中的一種簡單結(jié)構(gòu)，由一條C型槽和2個以上的錨桿組成，錨桿分布在C 型槽背面，如圖3所示，可預(yù)先安置于混凝土管片內(nèi)部，也可以通過在盾構(gòu)管片預(yù)埋套筒再外掛預(yù)埋滑槽的方式安裝，然后可使用與之配套的T 形螺栓安裝機電設(shè)備。預(yù)埋槽道是一項不破壞建筑結(jié)構(gòu)的新的施工技術(shù)，其獨特的槽式結(jié)構(gòu)使其成為便于安裝和易于調(diào)節(jié)的理想預(yù)埋件。

圖3 預(yù)留滑槽示意圖Fig.3 Schematic Diagram of Reserved Chute

3.2 預(yù)留滑槽采用的螺栓配件

預(yù)埋滑槽所使用的防墜落T 型螺栓是預(yù)埋滑槽技術(shù)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題，如圖4 所示。進口和國產(chǎn)品牌滑槽及T 型螺栓的樣品如圖5 所示，根據(jù)試驗分析，2種產(chǎn)品均能滿足本項目實際需求。

圖4 防墜落T型螺栓Fig.4 Anti-falling T-bolt

圖5 進口和國產(chǎn)品牌滑槽及T型螺栓Fig.5 Imported and Domestic Brand Chutes and T-bolts

3.3 本項目擬采用預(yù)埋件方案

本項目盾構(gòu)區(qū)間洞徑為8.8 m，預(yù)埋滑槽沿盾構(gòu)管片全環(huán)布置，每環(huán)長度24.19 m，每環(huán)管片安裝外掛滑槽，間距1.6 m，實際需要安裝滑槽長度12 905 mm，約占總長度的53.3%。本項目盾構(gòu)隧道綜合管線如圖6所示，采用全環(huán)布置能夠方便各專業(yè)線網(wǎng)的安裝。

圖6 盾構(gòu)隧道綜合管線Fig.6 Comprehensive Pipeline of Shield Tunnel （mm）

3.4 預(yù)埋件受力性能分析

從圖7 中可明顯看出，預(yù)埋方案受力明顯優(yōu)于后錨固方式，可避免多米諾骨牌效應(yīng)，預(yù)埋對混凝土結(jié)構(gòu)有著較好的保護作用。因此，預(yù)埋是對混凝土最完美的錨固方式。

圖7 敲擊式、重型、化學錨栓、預(yù)埋件受力分析Fig.7 Mechanical Analysis of Percussion，Heavy，Chemical Anchor Bolts and Embedded Parts

3.5 預(yù)埋滑槽對管片影響受力分析

預(yù)埋滑槽對管片受力數(shù)值分析如圖8 所示，數(shù)據(jù)表明：

圖8 預(yù)埋滑槽對管片影響受力分析Fig.8 Force Analysis of Influence of Embedded Chute on Segment

⑴隧道管片在荷載的作用下，僅發(fā)生約0.03%的細小變形，管片開槽后，變形量會有一定量的增大，但是變形不超過整體的0.05%的要求；

⑵開槽位置的混凝土應(yīng)力增加值不超過8%，應(yīng)力變化小，且遠低于混凝土的軸心抗壓強度；

⑶開槽前后對比主拉應(yīng)力最大值，變化量不超過10%，且混凝土的主拉應(yīng)力遠遠低于混凝土的開裂容許應(yīng)力；

⑷ 開裂前后對比鋼筋應(yīng)力值，變化量未超過2%，且鋼筋的拉應(yīng)力值安全，遠低于屈服應(yīng)力；

⑸管片裂縫寬度滿足《預(yù)制混凝土襯砌管片：GB 20082—2017》要求；

⑹滑槽的變形和受力情況均滿足《城市軌道交通預(yù)埋槽道及套管技術(shù)規(guī)范：T∕CAMET 02003—2017》要求。

3.6 預(yù)埋槽道耐久性分析

預(yù)埋滑槽的防腐涂裝工藝對其耐久性影響較大，深圳地鐵9 號線試驗段左線采用進口滑槽，右線采用國產(chǎn)滑槽，其中國產(chǎn)滑槽采用的是柔性陶瓷附著層，該材料的防腐性能非常強，但是附著力不夠，在實驗段由于時間緊迫，未按設(shè)計要求做附著力實驗就用于現(xiàn)場施工，滑槽在運輸過程及安裝過程中相互碰撞，將附著層破壞，故在管片場即發(fā)現(xiàn)滑槽生銹情況。

不同預(yù)埋槽道涂層的耐久性能指標如表1 所示，目前防腐涂層基本上是熱鍍鋅和合金共滲2 種防腐材料，因為合金共滲的材料類型眾多，并且沒有完全統(tǒng)一的標準可供參考，也沒有行業(yè)內(nèi)比較認可的統(tǒng)一做法，廠家的產(chǎn)品質(zhì)量難以控制，另外，合金共滲的產(chǎn)品缺乏足夠的工程案例驗證，基于此，不推薦采用合金共滲涂層，建議采用熱鍍鋅工藝。

表1 不同預(yù)埋槽道涂層的耐久性對比Tab.1 Durability Comparison of Different Embedded Channel Coatings

通過深入總結(jié)深圳地鐵9 號線試驗段經(jīng)驗，本項目槽道的涂層都要求符合設(shè)計要求，按照國家相關(guān)實驗要求進行附著力實驗、鹽霧實驗，滿足《人造氣氛腐蝕試驗 鹽霧試驗：GB∕T 10125—2012》有關(guān)要求方可實施。不宜采用柔性陶瓷材料涂層或合金共滲材料涂層，優(yōu)先選用熱鍍鋅材料。

4 預(yù)埋滑槽方案經(jīng)濟性分析

4.1 管片預(yù)埋滑槽方案

本項目按照滑槽間距1.6 m 進行設(shè)計，相當于每環(huán)管片設(shè)置一道預(yù)埋滑槽，如圖9 所示。本項目預(yù)埋套筒外掛槽道方案造價影響分析結(jié)果如表2 所示，變更后的技術(shù)方案造價與原始初步設(shè)計概算相比，合計增加工程造價14 719.51萬元，相當于每單延線單價增加了91.86 萬元∕km。因此，本項目所采用的預(yù)埋套筒外掛滑槽方案增加了工程造價。18 號線HP4-HP5 盾構(gòu)區(qū)間預(yù)埋滑槽實際安裝后的效果如圖10所示。

圖9 管片預(yù)埋滑槽示意圖Fig.9 Schematic Diagram of Segment Embedded Chute

表2 預(yù)埋套筒外掛槽道方案造價影響分析Tab.2 Cost Impact Analysis of Embedded Sleeve External Channel Scheme

圖10 18號線HP4-HP5盾構(gòu)區(qū)間實際采用的滑槽及安裝效果Fig.10 Chutes and Installation Effects Actually Used in the HP4-HP5 Shield Section of Line 18

4.2 工效對比分析

針對外掛槽道和傳統(tǒng)化學錨栓施工工序?qū)Ρ?，假? 種施工工藝均成立同樣的施工小組，人數(shù)共計8 人，其中2 人防護，2 人高空作業(yè)、4 人推作業(yè)梯車及輔助施工。外掛槽道和傳統(tǒng)化學錨固方式工效對比如表3所示，數(shù)據(jù)顯示，與傳統(tǒng)化學錨栓施工相比，采用外掛槽道施工綜合工效能提高20%，能夠有效降低施工成本。

表3 外掛槽道和傳統(tǒng)化學錨固方式工效對比Tab.3 Comparison of Ergonomics between External Channel and Traditional Chemical Anchoring Method

5 存在問題及建議

現(xiàn)階段該技術(shù)在國內(nèi)外應(yīng)用尚不夠普遍，主要存在的問題有如下幾點，建議在以后的研究工作中尋求解決方法：

⑴城市軌道交通工程無預(yù)埋滑槽相關(guān)規(guī)范標準。本項目現(xiàn)階段主要以《電氣化鐵路接觸網(wǎng)隧道內(nèi)預(yù)埋槽道：TB∕T 3329—2013》和在上海、深圳地鐵施工的技術(shù)要求為參考依據(jù)。

⑵滑槽設(shè)計使用年限缺乏統(tǒng)一標準。目前深圳地鐵9 號線預(yù)埋滑槽標準定為50 年，鹽霧試驗要求1 200 h，上海僅給出鹽霧試驗要求2 400 h，缺少明確的使用年限。國內(nèi)外相似的滑槽實際應(yīng)用案例的使用年限最長的為60 年，暫無可供借鑒的具有100 年使用年限的實踐工程案例。已經(jīng)下發(fā)的相關(guān)規(guī)范中鋼材的防腐設(shè)計使用年限一般為50 年。實際工程經(jīng)驗表明可以通過加強后續(xù)維護工作，提高其設(shè)計年限。因此對于滑槽設(shè)計年限缺乏統(tǒng)一設(shè)計標準。

6 結(jié)論

本文針對廣州地鐵18 號線和22 號線工程特點，開展了預(yù)埋套筒外掛滑槽的相關(guān)研究工作，結(jié)合國內(nèi)外研究應(yīng)用實踐，經(jīng)過理論計算和試驗驗證，該項技術(shù)符合軌道交通機電設(shè)備安裝施工要求，可實現(xiàn)便于安裝、維護簡單、環(huán)保節(jié)能、環(huán)境友好的綠色工程建造目標。目前該技術(shù)成功應(yīng)用于該工程全線95.3 km 的盾構(gòu)區(qū)間，雖然總體造價增加了14 719.51 萬元，但由于該技術(shù)方案對結(jié)構(gòu)零損傷且質(zhì)量可靠，能直接降低后期運營維護成本，以及有利于降低建設(shè)項目全生命周期成本，具有較好的推廣應(yīng)用前景。采用預(yù)埋套筒外掛滑槽方案安全可靠、整體效益突出，尤其適用于大直徑盾構(gòu)。