盾構管片預埋槽道受力性能分析

薛 佳

(中國鐵路設計集團有限公司,天津 300308)

引言

地鐵作為近年來解決城市交通壓力的新渠道得到了快速的發展，而在盾構區間內安裝設備與管線主要有后置化學錨栓與預埋槽道兩種方式，此兩種安裝方式各有優缺點。(1)后置化學錨栓：國內外成熟的產品多、有配套的標準與規范，且施工精度可控；但其需在混凝土管片上鉆孔、對管片和鋼筋有損害，施工環境噪聲大、粉塵多，安裝效率低。(2)預埋槽道：目前缺少相應的國家或行業標準，且槽道需預先埋設于管片模板上，施工精度要求高，其一次性土建投資大，約為后置化學錨栓的1.4倍[1]；但可避免在管片上鉆孔，能夠保存其結構的完整性，施工時噪聲低、粉塵少、安裝效率高[2-3]。目前，預埋槽道作為一項新的設備與管線安裝技術，已在深圳[4]、蘭州[5]等城市推廣應用。

在國內，鄧劍榮等[6]、杜峰[7]結合深圳地鐵9號線盾構管片預埋槽道的使用情況，主要通過理論計算及數值模擬對預埋槽道的力學應用做了研究。秦夢宇等[8]對混凝土中槽式預埋件垂直槽向的抗剪性能進行了試驗研究。但是，對于接觸網、疏散平臺等具體安裝方式及槽道螺栓的受力性能并未詳細提及，以及未涉及大直徑管片(直徑6 m及以上)內高凈空下接觸網如何安裝。因此，作為一項新的管線與設備安裝技術，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。

1 設計參數

1.1 管片

本文中提及的混凝土管片為C50預制管片，常規管片環寬1.2 m、內徑5.5 m、外徑6.2 m，大直徑、高凈空管片環寬1.5 m、內徑6.0 m、外徑6.7 m，內環面均全環預埋單槽道。

1.2 區間綜合管線

地鐵盾構區間內管線與設備眾多，主要有強電系統、弱電系統、給排水系統及疏散平臺。其中強電系統包括：接觸網、供電環網、動力照明等。弱電系統包括：通信、信號及綜合監控等。給排水系統包括：消防水管及廢水管；此外還有壁掛設備等。這些管線與設備都需要安裝固定在管片上，而預埋槽道可作為設備與管線安裝的基礎及銜接的橋梁。盾構區間中綜合管線典型布置如圖1所示。

圖1 盾構區間綜合管線典型布置

管線與設備在預埋槽道上安裝時，其支架布設間距需與槽道間距的模數相匹配，以確保槽道間無需再鉆孔增設支架。以內徑5.5 m的盾構管片、槽道間距1.2 m為例，接觸網、35 kV鎧裝環網電纜、弱電電纜等可按1.2 m間距布設支架。給排水管可按2.4 m間距布設支架。

管線與設備在預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 預埋槽道

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

槽道的標準高度為20 mm，寬度為30 mm，齒牙深度宜為1.5 mm，間距宜為3 mm。預埋槽道大樣見圖2。

圖2 預埋槽道大樣(單位：mm)

1.3.1 槽道材質

預埋槽道須采用一次熱軋成型的全齒半閉口型鋼槽道，槽道與錨桿材質統一，采用低合金鋼或06Cr17Ni12Mo2Ti，嚴禁采用沸騰鋼，其綜合力學性能指標不低于GB/T1591—2008《低合金高強度結構鋼》[11]中Q345B或S275JR的標準，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，預埋槽道的各項性能如防腐、防火、抗疲勞、承載力等需滿足100年的使用年限要求。

1.3.2 配套螺栓的機械性能

與槽道配套連接的T形螺栓具備齒牙構造、有自鎖防松功能。采用強度等級不小于8.8級的M12螺栓及8級螺母。

1.3.3 槽道螺栓工作荷載要求

參考深圳、青島[12]等地方和團體標準，并經過專家論證，提出預埋槽道T形螺栓安裝固定點的最大單點荷載為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(靜態荷載)均不得低于8 kN，也就意味著區間內各管線及設備需采用合理的安裝方式，以保證其安裝完成后單個螺栓任何方向的受力不能大于8 kN，螺栓的設計荷載為工作荷載的1.4倍。

2 管線與設備安裝方式及受力性能研究

本文重點研究接觸網、疏散平臺等管線與設備的安裝方式及受力性能。

2.1 接觸網在槽道中的安裝方式

(1)接觸網在常規盾構管片中的安裝方式

針對常規管片(內徑5.5 m、環寬1.2 m、B型車限界)，接觸網安裝后其上方凈空約為0.33 m，安裝時采用8個T形螺栓與槽道頂部連接，如圖3所示，跨距與預埋槽道跨距相同，即1.2 m。

圖3 接觸網在常規管片槽道中的安裝方式

接觸網運行時，管片預埋槽道所受到的力主要為接觸網壓力、受電弓與接觸網的滑動摩擦力和震動荷載。通過計算，接觸網T形螺栓受力匯總見表1。

表1 接觸網螺栓受力匯總 kN

(2)接觸網在高凈空盾構管片中的安裝方式

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

針對大直徑管片，若單環管片預埋2根槽道，將有效解決高凈空下接觸網的受力及穩定問題，但預埋雙槽道將大大增加投資、造成浪費，因此本文不予考慮；經研究，大直徑管片通過增設吊柱與斜撐可解決高凈空下接觸網的安裝問題，吊柱采用單排4個T形螺栓，且利用相鄰槽道吊柱順線路方向設斜撐，改善受力、減少接觸網的搖擺，見圖4。

圖4 接觸網在高凈空管片槽道中的安裝方式

高凈空管片中接觸網荷載通過吊柱及斜撐傳遞至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中數值代入式(1)～式 (3)后可得高凈空下接觸網T形螺栓受力，見表2。

表2 高凈空下接觸網螺栓受力匯總 kN

在實際運營過程中，接觸網與受電弓反復摩擦，連接接觸網的預埋槽道與T形螺栓也承受重復荷載作用，根據TBT 2073—2010《電氣化鐵路接觸網零部件技術條件》[16]的要求，需考慮3倍安全系數，即槽道螺栓單點實際可承受的荷載需達到24 kN。

2.2 疏散平臺在槽道中的安裝方式

盾構區間疏散平臺設置于行車方向左側，采用5個T形螺栓固定于槽道上，同時設置斜撐，保證整體支架的可靠性。安裝方式及荷載見圖5。

圖5 疏散平臺在槽道中的安裝方式

疏散平臺所承受的恒載為自重gk，活載為人群活載q1k、F1k及活塞風荷載qwk，其中，q1k、F1k、qwk不同時考慮。計算時疏散平臺寬度b按1.0 m考慮。經分析，活載F1k對螺栓產生的彎矩不利、活載q1k對螺栓產生的剪力不利。

最不利荷載組合下彎矩設計值為

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計值為

V=1.2Vgk+1.4Vq1k=

1.2×gk×b×cos20°+1.4×q1k×b×cos20°

(5)

每個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。經匯總，疏散平臺T形螺栓受力見表3。

表3 疏散平臺螺栓受力匯總 kN

2.3 35 kV環網電纜在槽道中的安裝方式

盾構區間環網電纜敷位于疏散平臺下方，電纜支架采用2個T形螺栓固定于槽道上，見圖6。

圖6 環網電纜在槽道中的安裝方式

環網電纜荷載主要為支架及其附件自重。通過計算，環網電纜T形螺栓受力匯總見表4。

表4 環網電纜螺栓受力匯總 kN

根據GB50157—2013《地鐵設計規范》[17]15.4.3條文要求，35 kV電纜與控制電纜混敷時的支架水平最大跨距為0.8 m，而預埋槽道跨距為1.2 m甚至1.5 m，但考慮35 kV環網電纜設有金屬鎧裝、可承受其自重，故環網電纜安裝時不采取額外的措施。

2.4 其他設備管線的安裝方式

除上述接觸網、疏散平臺、35 kV環網電纜等設備與管線外，區間內其他的設備與管線還包括：弱電電纜、通信信號壁掛設備、消防水管等，其安裝方式如下所述。

(1)弱電電纜。區間內采用5層托架對弱電電纜進行固定，托架間距與槽道間距相同，托架通過3個T形螺栓與槽道進行固定。

(2)通信信號壁掛設備。壁掛設備包括無線光纖直放站遠端機、RRU、AP箱、信號機等。在管片預埋槽道的固定方式為：相鄰槽道間安裝2根橫梁，設備固定在橫梁上，即單根槽道需通過2個T形螺栓分別固定2根橫梁。

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

各管線安裝后，預埋槽道中T形螺栓受力匯總如表5所示，表中僅列出受力最大的螺栓。

通過比較可發現，區間各設備與管線完成安裝后，標準凈空下接觸網安裝后盾構管片預埋槽道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《廈門市軌道交通工程盾構區間預埋槽道專題研究報告》[18]，本文所描述的管線及設備的安裝方式及其受力計算、T形螺栓工作荷載等已通過專家評審，目前已在廈門市軌道交通3、4號線工程推廣應用。

3 現場試驗

國內不少學者[19-20]對地面建筑工程中預埋式槽型錨軌的抗拔及抗剪性能做過試驗研究，但較少涉及城市軌道交通中盾構管片預埋槽道的受力性能研究。試驗在三環拼裝完成的內徑5.5 m管片上進行，為準確模擬槽道的受力狀態，現場試驗方法及步驟參照《電氣化鐵路接觸網隧道內預埋槽道》[21]的相關要求。拉拔、沿槽軸向剪切和垂直槽軸向剪切時，其工作荷載8 kN，加載至24 kN(3倍工作荷載)的靜態荷載下，觀察槽道本體是否發生屈服變形和功能性失效破壞及槽道周邊混凝土是否開裂破壞(注：本文中首次試驗時使用的槽道材質為Q235型鋼)。

3.1 拉拔試驗

加載點位于槽道螺栓處，拉拔荷載施加至11.2 kN(1.4倍工作荷載)時，槽道平均位移為0.62 mm，混凝土表面開裂時平均拉拔荷載為23.13 kN，對應的槽道平均位移為1.84 mm。

加載點位于槽道兩螺栓之間，拉拔荷載施加至11.2 kN時，槽道平均位移為0.61 mm，混凝土表面出現開裂時平均拉拔荷載為21.33 kN，對應的槽道平均位移為1.88 mm，如圖7所示。

圖7 拉拔力與槽道位移關系曲線

根據試驗情況分析，在拉拔狀態下加載至22 kN時，管片表面混凝土發生開裂，未能滿足3倍工作荷載時槽道周邊混凝土不產生開裂破壞的要求。經分析該情況產生的原因是槽道發生過大變形，引起管片表層混凝土應變過大以致開裂，因此增大槽道強度，可改善管片表層混凝土開裂問題。當槽道鋼材材質由Q235調整為Q345B時，經后續試驗驗證，槽道拉拔荷載加載至24 kN(3倍工作荷載)時管片混凝土未發生開裂。當拉拔荷載加至57 kN時，螺栓發生斷裂，此時槽道發生輕微變形、混凝土管片出現微裂縫。

3.2 剪切試驗

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

圖8 剪切力與槽道位移關系曲線

4 結論與建議

(1)本文首先參考有關的團體及地方標準，提出槽道螺栓的工作荷載為：各方向均不得大于8 kN。其次通過合理的安裝方式，明確了盾構區間內管線及設備(包含：接觸網、疏散平臺、環網電纜、弱電電纜、通信信號壁掛設備、通信漏纜、消防水管等)在預埋槽道上安裝后其對應的螺栓受力，其中接觸網荷載最大(為7.667 kN)、滿足提出的螺栓工作荷載限值要求，同時通過增設吊柱及斜撐，在大直徑管片(直徑6 m及以上)內安裝接觸網時，可有效解決車輛運行時接觸網的穩定及槽道內螺栓的受力問題。

(2)因接觸網承受反復動荷載，要求螺栓需要能夠承受3倍工作荷載，通過現場1∶1試驗，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，槽道周邊混凝土未產生開裂破壞，槽道本體未產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備與管線的安裝方式等已通過專家評審并已應用于實際工程中，可作為今后類似工程使用的依據。