盾构管片预埋滑槽技术在兰州地铁中的应用

马晓波

(中铁第一勘察设计院集团有限公司城建院，西安　710043)



盾构管片预埋滑槽技术在兰州地铁中的应用

马晓波

(中铁第一勘察设计院集团有限公司城建院，西安710043)

摘要:传统隧道内安装管线及固定设备采用打孔、化学锚栓与金属支架配合的方式，存在安装时效低、施工环境恶劣、对管片结构损伤大、维修保养困难等一系列问题，以兰州地铁1号线工程为研究背景，对盾构管片预埋滑槽技术进行系统的研究和探讨，通过典型工况下滑槽的受力分析、现场安装试验以及成品检测和实验室试验，论证地铁隧道内设计预埋滑槽的方案是安全可靠的，并确定了盾构管片预埋滑槽截面型式、材质、连接方式、锻造工艺与力学性能等设计参数和生产工艺要求，进一步明确了耐腐蚀性能是滑槽可靠性的控制性因素。预埋滑槽技术，改善了现场施工环境，提高设备与管线安装效率，对隧道结构零损伤，延长工程使用寿命，可在地铁行业内推广应用。

关键词:兰州地铁;预埋滑槽;管片;受力性能;耐久性

1　概述

城市轨道交通建设技术的发展，地铁隧道的安全建设及后期的维护成为很多城市轨道交通建设部门关注的焦点。传统上，在隧道内安装管线及固定设备都会采用化学锚栓与金属支架配合的方式。而用预埋滑槽的方式替代后，设备及管线布设将更加方便灵活，大大改善现场安装施工环境，能较大地提高安装工作效率，且大量减少运营阶段的维护工作量。其优点在于:对隧道结构零损伤，延长工程使用寿命，提高设备安装效率，改善安装环境，运营期间设备更换、增加等更加方便，节省费用，缩短工期。

国外预埋槽道技术的应用起始于1931年，目前已广泛应用于建筑幕墙、高速铁路隧道、火车站、核电厂、电梯、桥梁、市政隧道与电力隧道等领域，我国高铁也已引进此项技术并成功应用于武广、哈大、京沪等高铁线路上。

槽道预埋技术［1］作为地铁工程上的创新技术，能避免在隧道管片上的打孔作业。这不仅使得隧道内管线及设备的安装更为便捷，而且能为地铁的百年安全运营打下坚实的基础。本文依托兰州地铁1号线实际工程，对滑槽各类设计参数进行了系统介绍，然后对滑槽的耐久性，尤其是耐腐蚀性能进行了深入阐述并提出了相应要求，明确了耐腐蚀性能重要性，最后进行了典型工况下滑槽的受力分析，验证了设计方案的可行性，可以在后续类似工程中推广应用。

2　工程概况

兰州地铁1号线一期工程(陈官营—东岗段)全长26.692 km，均布设于主城区内，全线均为地下线，其中地下区间隧道长约20.17 km(双延米)，共20个区间，盾构法隧道17.47 km(双延米)。为便于管片的管理及满足曲线模拟和施工纠偏的需要，管片采用通用楔形衬砌环，通过其不同旋转位置的各种组合来拟合不同的曲线。隧道衬砌采用通用楔形环错缝拼装，楔形环为双面楔形，衬砌环由1个封顶块(F)、2个邻接块(L1、L2)、3个标准块(B1、B2、B3)组成。盾构管片厚度为350 mm，环宽为1.2 m。

3　预埋滑槽设计参数

根据目前中国地铁建设、运营的环境条件和施工工艺的方法及我国相关标准的规定，地铁预埋滑槽的性能须具备防腐、防火、疲劳、承载力、使用年限等要求，只有满足参数条件，才能使地铁工程不留下安全隐患。

3.1截面尺寸

根据国家强制性标准《混凝土结构设计规范》(GB50010－2010)［2］8.2混凝土保护层的规定，设计使用年限为100年的混凝土结构，最外层钢筋的保护层厚度不应小于28 mm(环境类别为二a类)，也就是说槽道高度最大不能超过22 mm。计算100年设计使用年限的混凝土结构碳化深度，对照现行规范(GB50010—2010)规定的混凝土保护层厚度，提出槽道的标准高度为20 mm，宽度为30 mm。预埋滑槽大样见图1，预埋滑槽产品示意见图2。

图1　预埋滑槽大样(单位:mm)

图2　预埋滑槽产品示意

3.2材质

地铁预埋滑槽及锚杆和相应配件的材质选用低碳高合金钢，其中碳元素含量不大于0.08%，;铬元素含量不小于0.35%，镍元素含量不小于0.40%，钼元素含量不小于0.30%，其机械性能满足《碳素结构钢》(GB/T700—2006)中Q235的要求，也可采用综合性能优于此钢材的其他材质。因为采用C≤0.08%，C含量低，其机械性能、韧性、防腐性能均好，非常适合动载荷载。采用了大量成分的Cr与Ni来满足防腐性能。采用大量Mo是为了达到耐火性能要求。

3.3滑槽连接方式

槽道与锚杆必须采用双面焊接而非四面焊接，因为根据实验结果，四面焊接虽然在提高槽道抗拉力上有所增加，但也相应增加了槽道的脆性和内应力，当槽道受到破坏力时，四面焊接的破坏形式为将槽道底板拉脱，且底板上形成一个口字形破坏洞(图3)。而采用双面焊接的槽道韧性好，且双面焊缝的内应力比四面焊接的内应力小，所以当槽道受到破坏力时，槽道底板只是拉坯破坏，锚杆和底板还是连接在一起且不脱离槽道本体(图4)。

图3　四面焊接破坏形式

图4　双面焊接破坏形式

另一方面，当采用四面焊接时，由于锚杆四周焊缝的围闭效应，在锚杆和槽道底板间形成了一个封闭空间，这个密闭空间还未经过防腐处理，容易在大自然环境中生锈。而采用双面焊接的槽道，防腐剂可以充分渗透进锚杆与槽道底板间的空隙，从而有效地预防了锚杆和槽道底板间的腐蚀。

3.4锻造工艺

预埋滑槽采用全热轧带燕尾齿—全热轧:因为冷轧槽道只能用于静荷载，热轧槽道用于动荷载(由于冷轧槽道存在延时断裂和内应力大的缺点，当受到动荷载时会快速出现裂纹和破坏，而热轧槽道是在槽道结晶温度区间轧制，槽道不存在延时断裂和内应力，可以用于动荷载)。带燕尾齿:因为地铁槽道受力为拉力、剪力、轴向力等各个方向力，故只有带齿，轴向才能受力，才能防滑。其次，燕尾齿承受轴向力的受力面积大于平齿承受轴向力的受力面积，增加了齿的受力荷载。再次，燕尾齿可以将承受的垂直于槽道轴向的拉力分解，减少对槽道齿的受力。同时燕尾齿的破坏行程大，使破坏时需要挤压掉燕尾齿才能破坏，增大了承载力。所以地铁槽道必须全热轧带燕尾齿才能满足地铁使用的基本要求。

3.5力学性能

盾构管片需要固定强电电缆、疏散平台、电信管线等各种管线和设备，通过分析，管片所受附加外荷载主要为强电电缆自重荷载、疏散平台自重荷载及其上的活荷载，同时需要考虑隧道内列车运行活塞风的影响。强电电缆自重荷载1.51 kN/m，疏散平台自重荷载2.0 kN/m，疏散平台活荷载6.8 kN/m(包含地铁隧道内活塞风产生的往复荷载为q = 3.5 kN/m，疏散平台支撑每1.2 m设置1道，平台宽度约为0.75 m)。兰州地区管片环宽以1.2 m为主，高压、低压及弱电电缆支架间距按相关规定通常为1 m，需增加转换支架，荷载约为0.5 kN/m。由于疏散平台荷载为管片所受荷载的控制性荷载，因此管片所受最大附加荷载为

式中，p1为疏散平台自重荷载; p2为疏散平台活荷载;β紧急疏散时荷载系数(可取1.4)。

盾构管片与连接螺栓在外荷载作用下可能产生的破坏为:(1)外荷载为盾构管片切线方向时，盾构管片沿连接螺栓局部受压破坏; (2)外荷载为盾构管片法线方向时，盾构管片手孔边缘位置受冲切破坏; (3)在外荷载较大时，连接螺栓同时受拉与受剪破坏。

经计算，将相关参数代入式(1)，可得沿管片切向最大荷载为18.48 kN，每个疏散平台［3］支点假定由两个T形螺栓承载，则地铁疏散平台在列车正常运行时对固定其的槽道产生疲劳工作荷载最大值为9.24 kN，此疲劳工作荷载满足地铁设计规范中所有管线、给排水、消防水管、漏缆承载力要求。结合疏散平台的材质和槽道的力学设计、疲劳强度设计，建议选择工作荷重不低于10 kN的热轧带齿槽道。

4　预埋滑槽耐久性要求

4.1表面处理

预埋滑槽表面采用多元合金共渗［4］+绝缘封闭层处理，满足《铁路混凝土梁配件多元合金共渗防腐技术条件》(TB/T3274—2011)标准。

(1)多元合金共渗:目的是满足防腐要求。

(2)封闭层:目的是增加防腐能力并对杂散电流进行防护。

4.2抗疲劳

预埋滑槽可满足无预埋在混凝土时疲劳100万次，预埋在混凝土时可达到疲劳300万次，满足疲劳频率1～3 Hz，波形为正弦波，荷载基准及幅值为(10±3) kN。因为无预埋100万次时的疲劳是为了检测锚杆与槽道体之间的焊接质量。有预埋300万次疲劳是为了检测槽道在地铁长期动荷载的作用下，槽道的使用年限能否满足100年的振动及受力变化。其试验方法需满足《电气化铁路接触网零部件技术条件》(TB/T2073—2010)、《电气化铁路接触网零部件试验方法》(TB/T2074—2010)的要求。

4.3耐火

预埋滑槽满足《建筑设计防火规范》(GB/T50016—2006)，在火烧的环境下，耐火承载0.8 kN，且满足RABT－ZTV标准温度时间曲线《建筑构建耐火试验可供选择和附加的试验程序》(GB/T26784—2011)，在1 200℃，120 min内，耐火承载力不丧失［5］。

4.4耐腐蚀

预埋滑槽使用年限与隧道同寿命，且槽道在无防腐状态下，经300 h铜加速醋酸盐雾试验(CASS)或2 400 h中性盐雾试验(NSS)后，其力学性能及疲劳性能还能满足预埋滑槽的力学与疲劳性能。根据《地铁设计规范》(GB50157—2013)规定:地下结构应根据环境类别，按设计使用年限为100年的要求进行耐久性设计［6］。根据《城市轨道交通技术规范》(GB50490—2009)结构工程7.4.2规定:主体结构工程的设计使用年限应为100年［7］。由于预埋滑槽产品预埋在主体结构中，无法更换，属于主体结构的一部分。所以在主体结构100年的设计使用年限内，槽道应该与隧道同寿命，且力学性能和疲劳性能都能满足设计要求。

因为预埋滑槽暴露在空气中的部分使用环境腐蚀气体严重，且后期对槽道内腔防腐维护不易和成本高昂，所以需要槽道的表面防腐层也需要满足100年的使用要求。因根据相关理论与实践，在大气自然环境中1年的腐蚀相当于中性盐雾试验24 h，铜加速醋酸试验3 h。所以耐腐蚀年限100年相当于中性盐雾试验2 400 h，铜加速醋酸试验300 h。

从现有研究成果与工程实际应用情况来看，滑槽的受力性能一般能够得到较好的保证，但耐久性，尤其是耐腐蚀性能却难以达到预期效果。这一方面是由于耐久性的现场检测相对困难，给产品质量隐患留下了伏笔，但根本原因还是槽道表面防腐层本身质量与施工不到位，这也很容易成为槽道质量的控制性因素。

5　预埋滑槽受力计算分析及结果

5.1受力分析

5.1.1工程地质及水文地质条件

兰州地铁1号线主要走行于卵石土与砂质黄土地层，地下水埋深3～10 m，区间隧道埋深为10～18 m。

根据区间穿越地层情况，选择具有代表性区间隧道管片进行力学性能计算分析。土层参数见表1。

表1　土层参数

5.1.2管片结构主要材料参数

(1)混凝土:强度等级C50，抗渗等级P12。

(2)钢筋:HPB300、HRB400。

(3)螺栓:纵缝、环缝均采用M30弯螺栓，8.8级。

5.1.3计算内容

(1)受荷载状态下隧道管片变形计算

(2)隧道管片混凝土应力计算

(3)槽道应力计算

(4)锚杆轴力计算

5.1.4分析建模

应用软件为MIDAS/GTS，利用图形化用户界面来建立结构实体对象模型，通过先进的有限元模型和自定义标准规范接口技术来进行结构分析与设计，实现了精确的计算分析过程［8］。

建立单环管片三维模型，数值分析对整体结构施加重力，然后根据实际荷载进行加载，采用弹簧边界条件。管片采用实体单元，槽道采用板单元，锚杆采用植入式桁架单元进行模拟［9-10］。管片三维模型见图5。

图5　管片三维模型

5.1.5荷载施加(图6)

覆土厚11.04 m，常水位位于隧道结构顶板以上1.84 m。所处地层情况如表1所示，采用水土分算。隧道拱顶土压力取拱顶以上，隧道外直径(1～2) D高的土柱荷载，即按全覆土进行计算;侧向土压力根据太沙基松弛土压力和静止侧压力系数确定。即:

(1)拱顶土压力P=190.04 kN/m2。

(2)侧向土压力

隧道拱顶松弛土压力:Ps=112.81 kN/m2。

侧向土压力:e1=0.19×112.81=21.43 kN/m2。

e2= 21.43 + 0.19×13×6.2 = 36.74 kN/m2。

(3)水压力:常水位位于隧道结构顶板以上1.84 m，隧道顶板处水压力为18.4 kN/m2，顶底处水压力为80.4 kN/m2。

(4)地面超载:p0= 20 kPa，超载侧压力e0= 20×0.19=3.8 kPa。

(5)槽道的拉力F=30 kN，剪切力T=30 kN。

图6　结构计算荷载图式

5.2计算结果分析

5.2.1隧道管片变形计算(图7、图8)

图7　管片水平向变形

图8　管片竖向变形

5.2.2隧道管片应力计算(图9～图12)

图9　管片第一主应力

图10　管片第二主应力

图11　管片第三主应力

图12　Mises应力

5.2.3隧道管片剪应力计算(图13～图18)

图13　F块剪应力云图

图14　L1块剪应力云图

5.2.4槽道应力、锚杆轴力计算(图19、图20)

图15　L2块剪应力云图

图16　B1块剪应力云图

图17　B2块剪应力云图

图18　B3块剪应力云图

图19　槽道最大剪切应力

图20　锚杆轴力

根据计算结果可知:

(1)开槽的隧道管片在荷载组合作用下的最大竖向变形为拱顶6.18 mm，水平变形为1.42 mm;均可满足沉降控制标准。

(2)开槽的隧道管片在荷载组合作用下的混凝土最大主拉应力为1.45 MPa，混凝土最大主拉应力小于混凝土开裂容许应力。

(3)槽道在荷载组合作用下的最大主应力为32.5 MPa，小于钢材的屈服应力。

(4)锚杆在荷载组合作用下的最大轴力为4.01 kN，小于设计轴力。

(5)隧道管片在荷载作用下的混凝土最大剪切应力为2.24 MPa，满足混凝土剪切容许应力。槽道在荷载作用下的最大剪切应力为2.04 MPa，均可满足剪切容许应力，确保结构的安全可靠。

6　管片预埋滑槽的实际应用

根据兰州地铁1号线盾构管片预埋滑槽的设计原则，通过现场安装及成品检测，预埋滑槽顺利通过承载力、抗疲劳、防腐、抗拉拔等试验测试［11］，测试结果均能满足设计要求。

7　结论与建议

(1)兰州地铁1号线确定全线采用管片(地铁隧

道墙壁)预埋滑槽技术，提高了主体结构的整体安全性，对隧道结构零损伤，延长了隧道的使用寿命。

(2)应用预埋滑槽技术，管线安装操作简单，功效高，环境清洁;由于预埋滑槽的免维护、免更换，在隧道的全生命周期可节省大量费用，具有很好的经济性。

(3)预埋滑槽技术在国内轨道交通中的应用刚刚起步，尚无相关设计规范和技术标准可遵循;为此，设计通过典型工况下预埋滑槽受力分析，论证了地铁隧道内设计预埋滑槽的方案安全可靠。

(4)为保证预埋滑槽效果，通过现场安装试验(包括:拉拔试验、剪切试验、水平环堆载试验，试验结果可作为确定预埋滑槽锚固长度的依据)和实验室试验(包括:中性盐雾腐蚀性及涂层冲击试验、耐火性能试验，对材质及耐久性测试)，以及成品检测，预埋滑槽顺利通过承载力、抗疲劳、防腐、抗拉拔等试验测试，测试结果均能满足设计要求;并组织国内知名专家进行论证和优化，确定了设计参数和生产工艺要求。

(5)预埋滑槽安装过程中需注意避免槽道锚杆与管片钢筋的接触，应有专业的操作手进行槽道的安装，并要求槽道安装人员与管片制作人员的双控监督管理模式，保证槽道不与管片钢筋笼接触，避免运营阶段的电化学腐蚀。

(6)预埋滑槽产品应满足防腐、绝缘、耐火及承载力等设计要求，并根据设计要求提供有资质的质检部门测试报告。

(7)预埋滑槽的设计主要在承载力与耐久性两个方面，承载力可以通过构造措施予以解决，长期耐久性往往成为槽道质量的控制因素，应加强耐久性质量控制与现场检测。

参考文献:

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［2］中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50010—2010混凝土结构设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2010.

［3］朱燕琴，李斐.地铁隧道内疏散平台设计探讨［J］.都市快轨交通，2010(5):66-71.

［4］中华人民共和国铁道部.TB∕T 3274—2011铁路混凝土梁配件多元合金共渗防腐技术条件［S］.北京:中国铁道出版社，2011.

［5］顾红.钢结构耐火性能研究［J］.建筑，2012(13):88-89.

［6］中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50157－2013地铁设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2013.

［7］中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50490—2009城市轨道交通技术规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2009.

［8］李曙光，冯小玲，方理刚.盾构法地铁隧道施工数值模拟［J］.铁道标准设计，2009(3):86-87.

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Application of Embedded Chute in Shield Segment of Lanzhou Metro Line

MA Xiao-bo
(Urban Construction Institute of China Railway First Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，Xi'an 710043，China)

Abstract:The traditional method to install pipelines and equipment in tunnel is by drilling with chemical anchor bolt and metal support，which is resulted in such problems as low efficiency，poor construction environment，segment structure damage，and maintenance difficulties.This paper，with reference to Lanzhou Metro Line 1，conducts systematic research and analysis of shield segment embedded channel and justifies the reliability of the practice through force analysis of pre-buried channel under typical working conditions，field installation tests，finished product testing and laboratory tests，specifies design parameters and production process in terms of section type，material，connection，forging process and mechanical properties.It is defined that corrosion resistance is the controlling factor to ensure the reliability of the pre-buried channel.The embedded channel technology improves construction environment，increases efficiency of equipment and pipeline installation，protects tunnel structural components from being damaged and extends the engineering service life of the project，and will see extensive application in the industry.

Key words:Lanzhou Metro; Embedded chute; Segment; Mechanical performance; Durability

作者简介:马晓波(1984—)，男，工程师，E-mail:mxb20032344@ aliyun.com。

收稿日期:2015-06-24;修回日期:2015-08-04

文章编号:1004-2954(2016) 03-0101-05

中图分类号:U231+.3

文献标识码:B

DOI:10.13238/j.issn.1004－2954.2016.03.022