南京地鐵盾構(gòu)隧道槽道技術(shù)設(shè)計(jì)研究

彭紅霞，趙華新，許偉宏，李佳星

（1. 南京地鐵集團(tuán)有限公司，南京 210018；2. 北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100037；3. 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430000）

1 研究背景

隨著軌道交通的快速發(fā)展，地鐵區(qū)間隧道施工大多數(shù)采用施工速度快、對周邊環(huán)境影響較小的盾構(gòu)法施工，而盾構(gòu)法區(qū)間隧道設(shè)備安裝施工則以傳統(tǒng)的鉆孔+化學(xué)錨栓或膨脹螺栓固定系統(tǒng)支架及設(shè)備為主。根據(jù)目前國內(nèi)運(yùn)營城市地鐵區(qū)間隧道的統(tǒng)計(jì)得知，傳統(tǒng)的鉆孔+化學(xué)錨栓或膨脹螺栓形式存在施工安裝工期長、施工作業(yè)環(huán)境差、隧道健康狀況不良、后期運(yùn)營維護(hù)工作繁重等問題。為減小鉆孔對盾構(gòu)區(qū)間隧道的結(jié)構(gòu)損傷，保證隧道結(jié)構(gòu)本身的完整性和耐久性，將國內(nèi)高鐵屏蔽門及接觸網(wǎng)預(yù)留預(yù)埋技術(shù)[1]引進(jìn)到地鐵盾構(gòu)隧道，即盾構(gòu)隧道槽道技術(shù)。該技術(shù)將設(shè)備支架用T型螺栓固定在槽道上，替代了在管片上直接打孔的安裝工藝。近幾年，盾構(gòu)法隧道槽道大部分采用預(yù)埋槽道的工藝[1-8]，但是也逐漸暴露了一些問題，比如槽道需要全環(huán)預(yù)埋，費(fèi)用高，耐久性不易保證[9]，后期更換困難等。為推進(jìn)盾構(gòu)隧道槽道技術(shù)的發(fā)展，福州地鐵2號線3條區(qū)間采用了掛耳(單螺帽)+外置式槽道的設(shè)置方式[10]，安裝時(shí)需擰開管片連接螺栓，對管片結(jié)構(gòu)安全易產(chǎn)生影響。在此基礎(chǔ)上，提出專用固定件(雙螺帽)+外置槽道和預(yù)埋套筒+外置槽道兩種設(shè)置方案。筆者結(jié)合南京地鐵“十三五”線路建設(shè)和管片生產(chǎn)進(jìn)度情況，分別對專用固定件+外置槽道和預(yù)埋套筒+外置槽道兩種方案進(jìn)行比選研究，分析兩種方案在設(shè)計(jì)過程中遇到的問題，提出解決方案和適用條件，為槽道技術(shù)在地鐵盾構(gòu)隧道中的應(yīng)用提供參考。

2 專用固定件+外置槽道系統(tǒng)

2.1 方案簡介

外置槽道通過專用固定件(掛耳)與盾構(gòu)管片縱向連接螺栓固定，U型槽道與掛耳固定，無需在管片生產(chǎn)期間進(jìn)行槽道預(yù)埋，可使用與之配套的T形螺栓來安裝區(qū)間隧道內(nèi)的設(shè)備。土建施工與設(shè)備安裝分屬兩個(gè)不同的施工階段，掛耳(單螺帽)+外置槽道會(huì)增加施工協(xié)調(diào)難度，且槽道安裝和后期更換均需擰開管片連接螺栓，對管片結(jié)構(gòu)安全易產(chǎn)生影響。為減少協(xié)調(diào)難度，降低槽道安裝和后期更換安全風(fēng)險(xiǎn)，采用加長螺桿+雙螺帽的形式(管片縱向連接螺栓螺桿加長約55 mm，加長部分主要位于手孔范圍內(nèi)，對隧道限界影響較小)，設(shè)備安裝時(shí)只需將掛耳固定在增長部分的螺栓上，不與管片固定螺母產(chǎn)生關(guān)聯(lián)(見圖1)。

圖1 專用固定件+外置槽道系統(tǒng)Figure 1 Detailed drawing of special fixed parts and non-embedded channels

2.2 方案設(shè)計(jì)

2.2.1 槽道布置

1) 布置原則：槽道盡量在管片接縫處斷開，每根槽道至少由兩根縱向螺栓固定，滿足區(qū)間系統(tǒng)設(shè)備的安裝需求。

2) 布置范圍：強(qiáng)、弱電支架，疏散平臺、信號機(jī)、消防水管、排水管等系統(tǒng)設(shè)備，采用外置槽道。為避免卡滯現(xiàn)象，接觸網(wǎng)不設(shè)置(見圖2)。

圖2 專用固定件+外置槽道布置Figure 2 Layout of special fixed parts and non-embedded channels

2.2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

外置槽道的設(shè)計(jì)規(guī)格為53 mm×34 mm、材質(zhì)為Q355B低碳合金鋼，掛耳采用的材質(zhì)性能不低于ZG310—570的相關(guān)要求，連接銷栓采用M12，螺栓強(qiáng)度等級不低于8.8級。

2.3 方案計(jì)算

2.3.1 荷載計(jì)算

對區(qū)間各專業(yè)荷載進(jìn)行對比，其中區(qū)間隧道疏散平臺的荷載最大，其余的荷載較小。因此，僅針對疏散平臺支架進(jìn)行驗(yàn)算，疏散平臺與槽道間按鉸接考慮(見圖 3)。

圖3 疏散平臺(端部節(jié)點(diǎn))Figure 3 Sketch map of evacuation platform

疏散平臺荷載：平臺寬度1.2 m，橫向長度0.7～1.2 m，橫向計(jì)算長度L取1.2 m，恒載1.8 kPa，人群活荷載4 kPa，隧道風(fēng)壓0.6 kPa。

疏散平臺(每環(huán))均布荷載：q=(1.3×1.8+1.5×4+1.5×0.6)×1.2=11.088 kN/m。以圖4中的A點(diǎn)取矩，計(jì)算B點(diǎn)處垂直AB方向的拉力F，即疏散平臺端部設(shè)備支架的拉力。經(jīng)計(jì)算，F(xiàn)=9.504 kN。疏散平臺端部由2根T型螺栓連接，所受拉力分別為N1=F×140/240=5.544 kN，N2=F-N1=3.96 kN，即設(shè)備支架T型螺栓對外置槽道的拉力分別為5.544、3.96 kN，間距240 mm。取T型螺栓對槽道的最大拉力設(shè)計(jì)值N=6 kN。

圖4 疏散平臺荷載計(jì)算Figure 4 Calculation diagram of evacuation platform load

2.3.2 計(jì)算原則

1) 在綜合荷載作用下，槽道及T型螺栓強(qiáng)度應(yīng)滿足Q355B鋼材的屈服強(qiáng)度、螺栓抗拉抗剪的要求。

2) 在最大工作荷載作用下，槽道撓度和強(qiáng)度需滿足規(guī)范要求。撓度控制：參考《管道支吊架》GB/T 17116.1—1997中的5.10.3條，撓度變形應(yīng)符合1/500 L，且不應(yīng)大于2.3 mm。強(qiáng)度控制：參考《電氣化鐵路接觸網(wǎng)隧道內(nèi)預(yù)埋槽道》(TB/T 3329—2013)中5.5.3.5條的要求，在1.5倍工作荷載(槽道法向承受最大拉力)作用下，不產(chǎn)生塑性變形，即滑槽應(yīng)力小于Q355B鋼材的屈服強(qiáng)度355 MPa；在3倍工作荷載作用下，不應(yīng)產(chǎn)生功能性失效破壞。

2.3.3 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)模擬計(jì)算，在極限荷載作用下槽道最大變形為0.5 mm，槽道最大應(yīng)力為106.9 MPa(見圖5)，掛耳最大應(yīng)力為138 MPa(見圖6)，槽道及專用固定件受力均滿足規(guī)范要求。

圖5 極限載荷下的槽道最大變形和最大應(yīng)力(0.5 mm，106.9 MPa)Figure 5 Maximum deformation and stress of channel under ultimate load (0.5 mm, 106.9 MPa)

圖6 極限載荷下的掛耳最大變形和最大應(yīng)力(0.15 mm，138 MPa)Figure 6 Maximum deformation and stress of hanging ear under ultimate load (0.5 mm, 106.9 MPa)

2.4 應(yīng)用情況

專用固定件(掛耳)+外置槽道可用于已開工建設(shè)、管片已經(jīng)生產(chǎn)但還未開始拼裝的線路。南京地鐵7號線南起西善橋，北止仙新路，線路長約35.49 km，設(shè)站27座，其中13座換乘站，為全地下線。除先期開工的區(qū)間已完成管片拼裝外，其余區(qū)間均采用專用固定件(掛耳)+外置槽道系統(tǒng)。

2.5 注意事項(xiàng)

1) 在管片拼裝過程中，工人需區(qū)分縱向和環(huán)向螺桿，并保證縱向螺桿方向一致，以便于專用固定件的安裝；設(shè)備安裝時(shí)只需將專用固定件固定在增長部分的螺栓上，不用與管片固定螺母產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。

2) 管片拼裝錯(cuò)臺，無法通過調(diào)整管片縱向連接螺栓，使槽道與管片內(nèi)壁實(shí)現(xiàn)密貼，加大了占據(jù)預(yù)留變形空間。需通過調(diào)整調(diào)節(jié)螺栓，減少槽道與管片內(nèi)壁間的縫隙。

3 預(yù)埋套筒+外置槽道系統(tǒng)

3.1 方案簡介

在管片生產(chǎn)期間，將螺栓套筒預(yù)埋在管片中，通過連接銷栓將外置槽道進(jìn)行固定，將T型螺栓的T字頭放入槽道內(nèi)與設(shè)備支架進(jìn)行連接(見圖7)。外置槽道可以根據(jù)支架的布置進(jìn)行優(yōu)化(見圖8)。

圖7 預(yù)埋套筒+外置槽道的大樣Figure 7 Detailed drawing of the embedded sleeve and non-embedded channels

圖8 預(yù)埋套筒+外置槽道的安裝Figure 8 Installation diagram of the embedded sleeve and non-embedded channels

3.2 方案設(shè)計(jì)

3.2.1 套筒布置

縱向：每環(huán)管片設(shè)一道。環(huán)向：對于不同的管片組合形式，均能保證前后環(huán)對應(yīng)的點(diǎn)位上都能有套筒在同一縱向上，經(jīng)套筒個(gè)數(shù)和槽道長度組合研究，最后確定套筒全環(huán)預(yù)埋。其中，外徑6.2 m盾構(gòu)，全環(huán)預(yù)埋32個(gè)套筒，套筒間角度為11.25°，間距為540 mm (見圖9)。

圖9 6.2 m盾構(gòu)的32個(gè)套筒剖面Figure 9 Profile of 32 sleeves of 6.2m shield

3.2.2 槽道布置

槽道盡量在管片接縫處斷開，每段槽道與 2～4個(gè)預(yù)埋套筒連接(見圖10)。將強(qiáng)弱電支架、疏散平臺、信號機(jī)、消防水管、排水管等系統(tǒng)設(shè)備設(shè)置于外置槽道，為避免卡滯現(xiàn)象，接觸網(wǎng)不設(shè)置。

圖10 套筒及槽道布置Figure 10 The layout of sleeve and channel

3.2.3 設(shè)計(jì)參數(shù)

經(jīng)比選，擬采用外置槽道型號為53 mm×34 mm，材質(zhì)為Q355B低碳合金鋼；套筒型號為M20，材質(zhì)為不銹鋼，統(tǒng)一數(shù)字代號為 S31603，材料應(yīng)符合GB/T1591—2018、GB/T20878—2007等國家標(biāo)準(zhǔn)的要求；T型螺栓采用M20，強(qiáng)度等級不低于8.8級。

3.3 方案計(jì)算

3.3.1 荷載計(jì)算

經(jīng)過對區(qū)間各專業(yè)荷載進(jìn)行對比，可見區(qū)間隧道疏散平臺荷載最大，本文第2.3.1節(jié)已經(jīng)計(jì)算出疏散平臺設(shè)備支架的T型螺栓對外置槽道的拉力為5.544、3.96 kN。為計(jì)算方便，取T型螺栓對外置槽道的最大拉力設(shè)計(jì)值為6 kN。

3.3.2 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)本文第2.3.2節(jié)所述的計(jì)算原則，計(jì)算結(jié)果如圖11所示。經(jīng)模擬計(jì)算，按預(yù)埋套筒間距540 mm，在極限荷載作用下，槽道最大變形為0.24 mm，最大應(yīng)力為280 MPa，受力滿足規(guī)范要求。

圖11 極限荷載下槽道的最大變形及最大應(yīng)力Figure 11 Maximum deformation and maximum stress of channel under ultimate load

3.4 精度控制

預(yù)埋套筒按設(shè)計(jì)要求在管片模具上定位，并用鋼絲固定在鋼筋骨架上(見圖12)。

圖12 預(yù)埋套筒的施工現(xiàn)場Figure 12 Field construction drawing of the embedded sleeve

外置槽道通過緊固螺栓固定在預(yù)埋套筒上，槽道螺栓孔呈橢圓形，開孔尺寸比螺栓直徑每側(cè)大1 mm，以保證套筒在1 mm的偏差下也能順利安裝。

3.5 應(yīng)用情況

預(yù)埋套筒+外置槽道可用于已開工或準(zhǔn)備開工建設(shè)，但管片還未投入生產(chǎn)的線路。南京地鐵“十三五”期間共有12條線路在建，除5、7號線和1、2、3號延長線外，其余線路均采用預(yù)埋套筒+外置槽道系統(tǒng)。

4 存在的問題及解決方案

1) 根據(jù)對比研究，接觸網(wǎng)范圍無論采用專用固定件+外置槽道還是預(yù)埋套筒+外掛槽道方案，均需用多種受力構(gòu)件進(jìn)行轉(zhuǎn)換，浪費(fèi)工程較多。若轉(zhuǎn)換構(gòu)件發(fā)生偏移、卡滯時(shí)，動(dòng)態(tài)荷載FY存在剪豁外置槽道槽口或頂彎變形的隱患。經(jīng)綜合對比，隧道頂接觸網(wǎng)處不采用槽道方案，仍沿用傳統(tǒng)鉆孔+錨栓技術(shù)，以保證運(yùn)營過程中的使用安全。

2)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，環(huán)網(wǎng)電纜的支架間距為0.8 m，通信、信號電纜的支架間距為1 m。可將槽道間距設(shè)為1.2 m，采用橋架、套管、層架尺寸，縱向加寬至0.4 m，使支架邊緣間距達(dá)到0.8 m。

3) 區(qū)間隧道內(nèi)設(shè)消防管網(wǎng)及壓力排水管網(wǎng)，材質(zhì)為球墨鑄鐵管。管道單根長度為6 m，可采用三角支架固定，固定支架的間距可根據(jù)槽道間距來確定(見圖13)。

4) 疏散平臺支架由原來的懸臂方案，調(diào)整為帶斜撐的方案。為了保證疏散平臺支架端部與槽道之間連接的穩(wěn)定性，在連接鋼板與槽道接觸面以外，增加連接鋼板厚度，確保連接鋼板與隧道壁之間緊貼固定，或在相鄰支架之間設(shè)置縱向連接件，以保證整體穩(wěn)定。

5 結(jié)論與展望

盡管盾構(gòu)槽道技術(shù)存在初裝費(fèi)用高以及其他一些不足，但較傳統(tǒng)鉆孔技術(shù)相比，槽道技術(shù)極大地提高了盾構(gòu)管片的耐久性，在施工工藝、施工環(huán)境、隧道損傷、設(shè)備安裝效率、外觀效果、運(yùn)營維護(hù)等方面均有較大優(yōu)勢，具有技術(shù)先進(jìn)性，完全滿足未來盾構(gòu)隧道施工的要求，值得推廣。綜合比較，相對于預(yù)埋槽道費(fèi)用較高、耐久性不易保證、后期更換困難等問題，專用固定件(掛耳)+外置槽道和預(yù)埋套筒+外置槽道相對可降低費(fèi)用，后期更換較為便捷，所以可根據(jù)線路施工和管片生產(chǎn)情況酌情進(jìn)行選擇。

國內(nèi)地鐵正在進(jìn)行大規(guī)模建設(shè)，但槽道技術(shù)正式投入運(yùn)營使用的經(jīng)驗(yàn)相對較少，各地槽道技術(shù)的要求、檢測、驗(yàn)收尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，差異性較大。因此，需出臺相關(guān)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)范，力求促進(jìn)裝配式建筑的快速發(fā)展，徹底改變建筑安裝行業(yè)傳統(tǒng)粗放的現(xiàn)場施工工藝，使工程施工向著精細(xì)化、標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展。工廠化生產(chǎn)和預(yù)制，將徹底改變傳統(tǒng)采用的現(xiàn)場大量人工施工作業(yè)的方法，用科技進(jìn)步來解放生產(chǎn)力，把工人從隧道現(xiàn)場危險(xiǎn)繁重和環(huán)境惡劣的工作中解放出來，真正實(shí)現(xiàn)綠色、安全、快速、無損傷的施工安裝，為建設(shè)高質(zhì)量的百年地鐵工程做出更大貢獻(xiàn)。