預(yù)留預(yù)埋技術(shù)在城軌工程中的探索與應(yīng)用

■ 劉永祥

目前我國(guó)城市軌道交通工程機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)的安裝固定，需在鋼筋混凝土中鉆打膨脹螺栓或鉆孔植筋，此類固定方式不僅對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，也對(duì)結(jié)構(gòu)安全性和耐久性產(chǎn)生巨大影響。工程實(shí)施期間安裝效率低下，現(xiàn)場(chǎng)噪聲大、粉塵大，現(xiàn)場(chǎng)管理與安裝安全均存在隱患，預(yù)留預(yù)埋技術(shù)可有效解決機(jī)電安裝固定與混凝土結(jié)構(gòu)耐久性之間的矛盾。

1 技術(shù)分類及性能研究

1.1 技術(shù)分類

預(yù)留預(yù)埋技術(shù)大致可分為2類：預(yù)埋尼龍?zhí)坠埽ㄒ妶D1）和預(yù)埋滑槽（見圖2）[1]。預(yù)埋尼龍?zhí)坠苁菍⒛猃埜叻肿硬牧现瞥傻奶坠軡仓诙軜?gòu)管片或現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)，定位工藝要求高、工效較低（每環(huán)管片中尼龍?zhí)坠馨?°圓心角徑向均勻布置）。預(yù)埋滑槽是在混凝土結(jié)構(gòu)中預(yù)埋壓軋成型的C型槽鋼，其特點(diǎn)是預(yù)埋及定位快捷方便、準(zhǔn)確、結(jié)構(gòu)受力好、可調(diào)節(jié)性好、管片預(yù)制方便。

1.2 性能研究

尼龍?zhí)坠軆r(jià)格低，但定位不便；滑槽雖解決了尼龍?zhí)坠芏ㄎ徊环奖愕膯?wèn)題，但其造價(jià)較高。對(duì)預(yù)埋尼龍?zhí)坠芘c預(yù)埋滑槽2種方案從施工精度、工期影響等性能方面進(jìn)行比較分析（見表1）。分析可知，若城市軌道交通工程全面采用預(yù)埋尼龍?zhí)坠芗夹g(shù)，其預(yù)埋工作量大，對(duì)工程實(shí)施工藝要求較高，對(duì)工期影響巨大，可適用于局部滑槽應(yīng)用困難的地段，如接觸軌的安裝提供固定點(diǎn)等（見圖3）；大范圍解決預(yù)留預(yù)埋技術(shù)，則應(yīng)以預(yù)埋滑槽最為適宜。

圖1 預(yù)埋尼龍?zhí)坠?

圖2 預(yù)埋滑槽

表1 預(yù)埋尼龍?zhí)坠芎皖A(yù)埋滑槽技術(shù)比較

圖3 尼龍?zhí)坠苡糜诮佑|軌安裝

2 預(yù)埋滑槽技術(shù)

2.1 明挖車站各區(qū)滑槽布置

車站站廳層公共區(qū)管線集中在側(cè)墻附近，呈縱向布置，據(jù)此可在側(cè)墻附近管線廊道上預(yù)埋橫向間距分別為400、1 000 mm的3條滑槽，槽長(zhǎng)200 mm，縱向間距1．5 m（見圖4）。

站臺(tái)層公共區(qū)管線主要布置在屏蔽門與樓扶梯之間，結(jié)合綜合式吊架在屏蔽門邊和扶梯孔邊布置2排滑槽，縱向間距1．5 m，滑槽長(zhǎng)200 mm（見圖5）。

站廳和站臺(tái)公共區(qū)的一般位置主要為吊頂，可設(shè)置棋盤式布置預(yù)埋滑槽，與車站橫軸線平行陣列布置，滑槽間距1 000 mm×1 000 mm，槽長(zhǎng)150 mm。

車站軌行區(qū)可沿隧道方向每6 000 mm布置1個(gè)斷面，每斷面處布設(shè)2組滑槽，2組滑槽左右布置于隧道中心線兩側(cè)接觸網(wǎng)固定點(diǎn)，每組2根，沿隧道縱向布置，間距150 mm，每根滑槽長(zhǎng)500 mm。

除頂部固定接觸網(wǎng)的預(yù)埋滑槽外，其余部位每延米預(yù)埋1排滑槽，每排滑槽分9段（包括站臺(tái)板下部位），每段長(zhǎng)300 mm。

設(shè)備區(qū)通道通常采用綜合式支吊架，在走道兩邊沿縱向每邊各預(yù)埋1排滑槽，滑槽縱向間距1 500 mm，長(zhǎng)200 mm，布置方式同站臺(tái)層屏蔽門與扶梯孔邊的滑槽預(yù)埋方式。設(shè)備管理用房一般都布置有風(fēng)管、消防管、電纜等管線，各設(shè)備用房也有部分管線，管線布置缺少規(guī)律，按棋盤式布置滑槽，間距1 000 mm×1 000 mm，滑槽長(zhǎng)150 mm，平行車站橫軸方向布置。

2.2 區(qū)間預(yù)埋滑槽

根據(jù)城市軌道交通項(xiàng)目區(qū)間設(shè)備的布置規(guī)律，明挖區(qū)間上的滑槽可分6段布置；礦山法區(qū)間上的滑槽可分6段布置，模板臺(tái)車上滑槽的固定方式通常是將滑槽固定在可裝卸式的模板塊上。盾構(gòu)區(qū)間通用環(huán)可采用全環(huán)布置（見圖6），滑槽布置于吊裝孔一側(cè)。高架區(qū)間強(qiáng)弱電支架預(yù)埋滑槽通常布置于U梁兩邊側(cè)翼緣板，環(huán)向布置，可每側(cè)通用1根，也可每側(cè)上下相距0．5 m各預(yù)埋1根，每根槽長(zhǎng)約0．5 m。

圖4 站廳層公共區(qū)側(cè)墻

圖5 站臺(tái)層公共區(qū)布置圖

圖6 預(yù)埋滑槽管片展開圖

3 有限元分析

為確保滑槽在各種荷載作用下的安全與穩(wěn)定，在初步確定滑槽型號(hào)后，對(duì)滑槽本身和安裝后混凝土結(jié)構(gòu)的受力性能進(jìn)行有限元分析。

3.1 滑槽受力

根據(jù)管片周邊所有設(shè)備和管線最大荷載情況分析，在預(yù)埋滑槽上單個(gè)螺栓固定點(diǎn)沿管片徑向承載力設(shè)計(jì)值為10 kN，沿管片切向和縱向承載力設(shè)計(jì)值為8 kN，滑槽后錨栓間距不得大于200 mm。據(jù)此對(duì)預(yù)埋在混凝土結(jié)構(gòu)中的滑槽受力情況進(jìn)行分析，取1 m長(zhǎng)的滑槽進(jìn)行計(jì)算分析（見圖7）。研究表明，滑槽在單個(gè)螺栓位置承載力滿足設(shè)計(jì)要求，滑槽處在彈性受力階段。

3.2 對(duì)盾構(gòu)管片受力影響

以一個(gè)典型區(qū)間斷面進(jìn)行管片預(yù)埋滑槽和不預(yù)埋滑槽對(duì)比分析，地面超載取20 kPa，上覆土厚根據(jù)TB 10003—2005《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算。開槽計(jì)算模型見圖8。通過(guò)對(duì)比分析，隧道管片在荷載作用下的變形約0．03%，未超過(guò)整體變形的0．05%；開槽后開槽位置混凝土應(yīng)力略增加，不超過(guò)8%；開槽后，開槽位置的最大主拉應(yīng)力明顯低于該處原混凝土開裂容許應(yīng)力，最大主拉應(yīng)力變化不超過(guò)10%；鋼筋拉應(yīng)力明顯低于屈服應(yīng)力，前后鋼筋應(yīng)力變化不超過(guò)2%，在設(shè)置滑槽后裂縫寬度滿足規(guī)范要求（見圖9）。

圖7 滑槽有限元分析

圖9 管片應(yīng)力云圖

4 滑槽選型及相關(guān)技術(shù)要求

4.1 滑槽選型

根據(jù)管片上擬安裝的所有設(shè)備和管線荷載分析后，選擇既能滿足管線和設(shè)備安裝技術(shù)需求，且安裝方式靈活、可調(diào)節(jié)、施工方便的槽型。該滑槽槽型主要結(jié)構(gòu)尺寸包括：一次熱軋成型的截面帶齒C型槽道，搭配T型螺栓使用。T型螺栓可沿槽道方向自由調(diào)整位置（見圖10）。滑槽材質(zhì)可采用力學(xué)性能優(yōu)于Q235、Q354等鋼材的材料。槽道高不小于20．0 mm，寬不小于28．0 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(zhǎng)度不小于60 mm。

4.2 技術(shù)參數(shù)

由于預(yù)埋滑槽在我國(guó)城市軌道交通工程中首次應(yīng)用，尚無(wú)具體技術(shù)要求，需通過(guò)預(yù)埋滑槽試驗(yàn)確定槽道有關(guān)技術(shù)參數(shù)。預(yù)埋滑槽試驗(yàn)分為實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)2種?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)包括拉拔試驗(yàn)、剪切試驗(yàn)、水平環(huán)堆載試驗(yàn)等主要內(nèi)容；實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)包括中性鹽霧腐蝕及涂層沖擊試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)、耐火性能試驗(yàn)等主要內(nèi)容。除以上試驗(yàn)內(nèi)容外，還研究了接觸網(wǎng)受振動(dòng)荷載作用下連接螺栓防松脫技術(shù)。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，滑槽按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行生產(chǎn)，其各項(xiàng)承載能力均可達(dá)到30 kN，耐久性、耐火性、疲勞承載力等都能滿足設(shè)計(jì)要求。

4.3 檢測(cè)要求

預(yù)埋滑槽槽道的表面防腐性能應(yīng)滿足城市軌道交通工程正常運(yùn)營(yíng)的耐久性要求及相關(guān)要求。對(duì)防腐層的附著能力進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，重錘由50 cm高度落下，防腐層完好無(wú)損；耐火試驗(yàn)后均能達(dá)到90 min單點(diǎn)拉拔和抗剪承載力1．8 kN條件下承載力不失效；200萬(wàn)次的動(dòng)荷載疲勞試驗(yàn)滿足強(qiáng)度要求；當(dāng)拉拔力、沿槽軸向剪切力和垂直槽軸向剪切力為預(yù)埋滑槽槽道工作荷載3倍時(shí)，槽道周邊混凝土不產(chǎn)生開裂破壞，槽道本體不產(chǎn)生明顯塑性變形和功能性失效破壞；預(yù)埋施工完成每滿總供貨量的1/5或每滿1萬(wàn)m時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)抽檢進(jìn)行拉拔和抗剪等現(xiàn)場(chǎng)力學(xué)性能檢測(cè)。

圖10 滑槽及配套螺栓示意圖

4.4 構(gòu)造要求

預(yù)埋滑槽槽道與配套連接的T型螺栓應(yīng)具備連接齒牙構(gòu)造，齒牙深度宜為1．5 mm，間距宜為3 mm，以確保槽道與螺栓間的機(jī)械咬合性能，防止力點(diǎn)滑移。螺柱所有安裝完成后應(yīng)露出至少20 mm；螺柱底部應(yīng)具有安全檢查鋼印標(biāo)志，安裝到位后該標(biāo)志應(yīng)垂直于槽道軸向，以便于檢查T型螺栓頭在槽道內(nèi)的偏轉(zhuǎn)狀態(tài)?；炷林械牟鄣涝谧畲笤试S荷載（3倍工作荷載下的拉拔力和剪切力）作用下，在螺栓固定點(diǎn)處的槽道作用力方向上，槽道位移不大于0．5 mm。預(yù)埋滑槽槽道與配套連接的T型螺栓為全帶齒型，具有自鎖防松功能。

5 結(jié)論與建議

預(yù)埋技術(shù)不僅克服了傳統(tǒng)打孔造成的混凝土結(jié)構(gòu)受損、現(xiàn)場(chǎng)工效低下、安裝質(zhì)量較難保證、安裝部件移位困難、工作條件惡劣等問(wèn)題，而且也是城市軌道交通行業(yè)工業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化、裝備化的重要體現(xiàn)。該技術(shù)在深圳市地鐵6號(hào)線和9號(hào)線工程的成功應(yīng)用，證明預(yù)埋技術(shù)在城市軌道交通行業(yè)中是可以推廣的，但應(yīng)在以下方面進(jìn)行深入探索：

（1）盾構(gòu)區(qū)間隧道因受通用環(huán)安裝位置不確定的影響，采用全環(huán)預(yù)埋滑槽方案，但并不經(jīng)濟(jì)；取消道床下部及其他非管線區(qū)域的滑槽預(yù)埋以節(jié)省工程投資，是預(yù)埋技術(shù)的研究方向。

（2）將預(yù)埋技術(shù)與車站裝修工程結(jié)合起來(lái)，解決車站裝修龍骨固定時(shí)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的破壞，徹底解決站內(nèi)安裝與裝修對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的影響。

（3）滑槽造價(jià)較高，因此解決非大荷載、非管線集中區(qū)域的預(yù)埋技術(shù)不能完全依靠預(yù)埋滑槽技術(shù)，而應(yīng)采用造價(jià)較低的尼龍?zhí)坠芗夹g(shù)，但其定位工藝尚需深入研究。

[1] TB/T 3329—2013 電氣化鐵路接觸網(wǎng)隧道內(nèi)預(yù)埋槽道[S]．