地鐵盾構管片外嵌式槽道應用技術研究

靳世鶴， 孫紅斌， 李強年， 張海軍

(1. 蘭州市軌道交通有限公司， 甘肅 蘭州 730020； 2. 蘭州理工大學土木工程學院， 甘肅 蘭州 730020)

0 引言

地鐵隧道施工貫通后，在機電安裝階段，傳統的方法是在盾構管片或暗挖隧道二次襯砌墻上打孔，植入化學錨栓提供支點。因在隧道結構上打孔存在傷害結構、施工作業難、化學錨栓壽命短、維護成本高等缺點，國外在20世紀30年代就開始采用預埋槽道代替化學錨栓，但受制于技術封鎖等原因，國外預埋槽道核心技術難以引入國內。近幾年，國內地鐵盾構隧道開始采用預埋槽道技術。深圳地鐵、青島地鐵、蘭州地鐵工程是國內應用盾構管片預埋槽道較早的案例。在國內，鄧劍榮等[1]、曾斌[2]、杜峰[3]結合深圳地鐵9號線盾構管片預埋槽道的使用情況，對預埋槽道的力學應用做了研究；馬曉波[4]結合蘭州地鐵1號線預埋槽道的應用情況，研究了預埋槽道的材質、斷面形式以及力學性能等；靳世鶴等[5-6]、劉奇[7]結合蘭州地鐵1號線,對盾構管片預埋槽道的抗堿性、防腐性能以及預埋槽道性能及質量控制進行了研究；李智明[8]對電氣化鐵路接觸網隧道內預埋槽道的理論和試驗進行了研究。然而，目前國內的研究僅僅局限于預埋槽道的應用技術，針對如何非全環預埋槽道以及在隧道內槽道的可更換技術，未有過相關報道，而及時開展盾構管片槽道的非全環預埋安裝以及可更換技術研究，對于節省工程成本具有重要的意義。

1 工程概況

蘭州地鐵1號線1期工程于2014年全線采用盾構管片預埋槽道技術，使用盾構管片預埋槽道約3萬環，槽道在盾構管片全環預埋，總數量約510萬m，總造價近8 000萬元。蘭州地鐵盾構管片內徑5.5 m[9]，預埋槽道全環長17.3 m，在隧道內進行機電設備安裝時,由于盾構施工中管片拼裝點位的不確定性，使得槽道很難按照機電設備安裝的要求進行分段預埋，實際中不得不全環預埋才能給機電設備安裝提供足夠的支點，這就存在大量的預埋槽道被閑置浪費的問題[10]。盾構隧道機電安裝示意見圖1，隧道輪廓線采用紅色標注的4段曲線是機電設備安裝位置，其余部分為空置。若是實現盾構管片預埋槽道的非全環預埋，即外嵌式槽道技術，蘭州地鐵1號線盾構管片預埋槽道可節省工程成本3 000多萬元。而且，國內目前眾多地鐵項目使用的是盾構管片預埋槽道技術，若是全部采用外嵌式槽道技術，每年可節約的工程成本將在數億元之巨。

圖1 盾構隧道機電安裝示意圖(單位： mm)

Fig. 1 Sketch of mechanical and electrical installation in shield tunnel (unit: mm)

2 外嵌式槽道技術

外嵌式槽道技術是在盾構管片制作階段僅僅預埋錨桿，在盾構隧道內機電設備安裝時，將槽道嵌入盾構管片預留的溝槽中，再采用專用螺栓將嵌入的槽道與預埋好的錨桿擰緊連接，這就實現了分段精準安裝槽道，方法簡單易行。外嵌式槽道的連接見圖2。

圖2 外嵌式槽道連接示意圖

2.1 錨桿的預埋技術

預埋槽道是在盾構管片預制時直接將槽道固定在管片模具的內弧面，錨桿焊接或者鉚接在槽道背弧面。外嵌式槽道的錨桿與槽道是分離的，在盾構管片預制時單獨預埋錨桿。

為了精準預埋錨桿，使之在盾構管片混凝土振搗時不松動移位，在蘭州地鐵工程中采用設計參數為高H=(21±1) mm、寬W=(33±1) mm、厚D=(3.5±1) mm的金屬槽道，錨桿根部的絲扣采用塑料保護帽保護，錨桿通過塑料保護帽與槽道預留孔擰緊，再把槽道固定在盾構管片模具的內弧面，以此解決預埋錨桿的固定問題，見圖3。

圖3 蘭州地鐵外嵌式槽道錨桿固定

Fig. 3 Anchor rod fixing of outside-embedded chute in Lanzhou Metro

2.2 外嵌式槽道的安裝步驟

在盾構隧道內安裝外嵌式槽道時，先按照機電設備安裝位置切下粘貼好的海綿條，出露預埋好的錨桿螺桿部分；然后把槽道嵌入盾構管片溝槽中，錨桿的螺桿部分從槽道弓背預留孔中穿出；再采用專用螺母將槽道與錨桿擰緊固定。外嵌式槽道安裝示意圖見圖4。

圖4 外嵌式槽道安裝示意圖

2.3 盾構管片預留溝槽處理技術

外嵌式槽道在盾構隧道內是根據機電設備安裝位置分段安裝的，而盾構管片槽道溝槽是全環預留的，在盾構管片制作階段，管片蒸汽養護出窯后，采用海綿膠條粘貼填充盾構管片預埋溝槽，在機電安裝時，僅僅撕開需要外嵌槽道的部分，其余部分保留。從蘭州地鐵工程外嵌式槽道的試安裝情況來看，使用海綿膠條粘貼填充空置溝槽不僅安全、美觀，也較廉價，即使海綿膠條脫落，也不會對運行列車造成影響。

3 外嵌式槽道設計參數

3.1 槽體的技術參數

因外嵌式槽道的工況與預埋槽道的工況基本相同，所以，外嵌式預埋槽道的設計參數參考預埋槽道的設計參數進行設計[4]。盾構管片預埋槽道設計使用壽命為100年，但由于外嵌式槽道在隧道內是可更換的，因此其設計使用壽命為30～50年。蘭州地鐵外嵌式槽道采用30 mm×20 mm(寬×高)型號斷面型式，槽道模型參數見表1。外嵌式槽道一次熱軋成型，采用絕緣封閉層+多元合金共滲層防腐形式[11]，其在中性鹽霧環境下1 200 h無紅繡[12]。槽道軸向力、剪切力的工作荷載不小于10 kN，設計荷載不小于14 kN,拉力、軸力加載到30 kN時不發生任何屈服變形。外嵌式槽道槽口設計采用燕尾槽時，α值為75°，見圖5。槽道可滿足無預埋混凝土時疲勞試驗50萬次，預埋混凝土時疲勞試驗150萬次，且滿足疲勞頻率1～3 Hz, 正弦波波形，荷載基準及幅值為(10±3) kN[4]。

表1 外嵌式槽道模型(槽鋼)參數

圖5 外嵌式槽道斷面示意圖(單位： mm)

3.2 管片開槽的技術參數

因為設計的槽道寬W=(30±1) mm、高H=(20±1) mm，為了使外嵌式槽道在盾構隧道內能順利安裝，因此,盾構管片的溝槽設計參數為高H=(21±1) mm、寬W=(33±1) mm。

4 外嵌式槽道力學試驗

4.1 預埋錨桿單點拉拔試驗

外嵌式槽道技術采用在盾構管片制作過程中先期進行錨桿預埋的，蘭州地鐵盾構隧道內徑為5.5 m、內周長為17.3 m，在盾構管片內弧面必須以間距為0.2～0.4 m均勻分布一定數量的錨桿。由于錨桿一次預埋不可更換，因此錨桿采用性能優良的不銹鋼材料制作[13]，見圖6。

圖6 錨桿示意圖(單位: mm )

為了使外嵌式槽道能夠為機電設備提供足夠安全的拉拔力，需對單點錨桿進行拉拔試驗，見圖7。通過現場對預埋的錨桿進行拉拔試驗[14-15]，隨機抽取10組錨桿，在拉拔力達到30 kN時，未發生錨桿脫落、斷裂以及滑絲等問題。通過單點錨桿的抽樣拉拔試驗，說明預埋的單點錨桿拉拔力滿足設計要求。

圖7 單點錨桿拉拔試驗

4.2 外嵌式槽道拉拔試驗

盡管從理論上計算，外嵌式槽道的拉拔和抗剪能力完全能夠滿足設計要求，但是為了進一步確保其安全性，必須對已安裝的外嵌式槽道進行拉拔和抗剪試驗，見圖8。

圖8 外嵌式槽道拉拔試驗

隨機選取外嵌式槽道的10個點進行拉拔和抗剪試驗，當拉拔力和抗剪力達到30 kN時，槽道未發生變形或脫落，說明外嵌式槽道的各項力學性能滿足設計要求。

5 工程應用

5.1 外嵌式槽道的試安裝

在蘭州地鐵2號線1期工程中對外嵌式槽道進行了試安裝，并在已經成型的盾構隧道內進行了機電設備試安裝，取得了成功，見圖9。按照機電設備安裝支點的要求，能夠對外嵌式槽道高效精準分段安裝，徹底解決了盾構管片預埋槽道技術上存在的浪費問題，具有很好的經濟價值。

圖9 蘭州地鐵外嵌式槽道試安裝

5.2 預埋錨桿間距參數

外嵌式槽道能夠在盾構隧道內順利安裝的關鍵在于： 預埋的錨桿必須是間距均勻地分布在盾構管片內弧面。蘭州地鐵盾構管片設計為“5+1”的分塊形式，即1個封頂塊F、2個連接塊L和3個標準塊B，因為3個類型的分塊長度各異，并且是在各自的模具中預制的，每塊管片中預埋錨桿數量不一，但是在整環管片上，錨桿間距為0.2～0.4 m(具體數量根據工程實際確定)，且誤差不超過±3 mm，分段外嵌式槽道外弧面的安裝孔也以0.2～0.4 m的間距均勻分布，與槽道拱背預留孔間距相匹配。

6 結論與建議

1)外嵌式槽道技術從根本上解決了預埋槽道不可更換和全環預埋的2大缺點，不僅適合地鐵或高鐵盾構隧道，也適合暗挖隧道和城市綜合管廊隧道工程。

2)外嵌式盾構管片槽道在蘭州地鐵工程中的試安裝成功，說明外嵌式槽道技術是安全可行的。相比盾構管片預埋槽道技術，外嵌式槽道技術可節省成本約40%，經濟價值非常明顯。

3)外嵌式槽道是可以更換的，其設計使用壽命為30～50年，解決了預埋槽道對防腐、疲勞等技術指標的高要求,具有可應用性。

4)由于連接槽道與錨桿的專用螺栓數量眾多，為了便于后期檢查，建議安裝完外嵌式槽道后，在專用螺母上用防水紅色油漆水平劃線標記，螺母一旦松動能立刻發現，與槽道型螺栓的檢查一并進行，并建立檢查檔案。