深圳地鐵9號線盾構(gòu)法隧道管片預(yù)埋滑槽設(shè)計研究及探討

杜 峰

(中國市政工程西北設(shè)計研究院有限公司，甘肅蘭州 730000)

0 引言

隨著國內(nèi)地鐵項目大規(guī)模建設(shè)高潮的來臨，對地鐵施工工期及后期的運營養(yǎng)護的要求越來越高，縮短建設(shè)周期、降低建設(shè)成本、便于后期維護等要求已逐漸成為地鐵項目建造的重要理念。目前，在歐洲等發(fā)達國家(如德國、英國、法國、瑞士、比利時)及我國港臺地區(qū)的地鐵工程項目中已廣泛采用土建結(jié)構(gòu)預(yù)留預(yù)埋技術(shù)，其優(yōu)點在于:減少在機電安裝階段對土建結(jié)構(gòu)的破壞，提高土建結(jié)構(gòu)的耐久性，加快機電安裝的工效，縮短機電安裝的工期，且有利于運營期的維修保養(yǎng)作業(yè)［1－2］。

國內(nèi)地鐵工程尚未大規(guī)模開展結(jié)構(gòu)預(yù)留預(yù)埋技術(shù)的研究和實施，目前僅在一些高鐵項目礦山法隧道(如京滬高鐵、武廣高鐵、哈大高鐵等)二次襯砌結(jié)構(gòu)頂拱部、地鐵車站屏蔽門及軌道安裝(如深圳地鐵3號線)的局部小范圍采用了預(yù)留預(yù)埋技術(shù)。深圳地鐵9號線為國內(nèi)首條在全線盾構(gòu)法區(qū)間采用全環(huán)預(yù)埋滑槽技術(shù)的地鐵線工程。本文就本工程盾構(gòu)法管片擬采用的預(yù)埋滑槽設(shè)計進行相關(guān)的研究及探討，以驗證擬采用的預(yù)埋滑槽能否滿足受力及耐久性的設(shè)計要求，同時對管片預(yù)埋滑槽實施作業(yè)提出相關(guān)建議，以期在相同類型工程中加以推廣應(yīng)用。

1 工程概況

深圳地鐵9號線工程盾構(gòu)法隧道全長約30 km(雙線)。盾構(gòu)隧道襯砌外徑為6 000 mm，內(nèi)徑為5 400 mm，襯砌環(huán)寬度為1 500 mm，厚度為300 mm。襯砌環(huán)由1塊封頂塊、2塊鄰接塊和3塊標(biāo)準(zhǔn)塊組成。

管片內(nèi)預(yù)埋滑槽鋼材要求采用熱軋形式，材質(zhì)要求采用Q235和Q275鋼，槽道截面為帶齒C形截面，槽后帶錨固端。滑槽預(yù)埋(以標(biāo)準(zhǔn)塊為例)位置臨近管片吊裝孔一側(cè)，距離吊裝孔中心距為115 mm，兩端距管片縱縫端為80 mm，槽口與管片內(nèi)弧面齊平;槽道厚度不小于20 mm，寬度不小于28 mm，齒高不小于1.5 mm，槽道后錨固長度不小于120 mm。預(yù)埋滑槽設(shè)計了配套連接T型螺栓，該螺栓應(yīng)具備連接齒牙構(gòu)造，齒牙間距為3 mm，以確保機械咬合性能可以在縱向傳遞荷載，防止力點滑移［3－4］。管片預(yù)埋滑槽現(xiàn)場照片如圖1所示。預(yù)埋滑槽大樣及產(chǎn)品如圖2所示。

圖1 管片預(yù)埋滑槽現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.1 Channel embedded in segment

2 管片預(yù)埋滑槽受力計算分析

2.1 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

本地鐵線工程盾構(gòu)區(qū)間絕大多數(shù)在黏性土層或風(fēng)化殘積層中穿越，埋深為2～3倍洞徑，地下水位的變化受地形地貌和地下水補給來源等因素控制，勘察期間揭露地下水穩(wěn)定水位埋深為2.80～6.30 m。

根據(jù)全線地質(zhì)情況和隧道埋深情況，選擇具有代表性區(qū)間管片進行力學(xué)性能分析。典型區(qū)間巖土力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

2.2 管片工程材料

1)混凝土。采用C50，P12防水混凝土。

2)鋼筋。采用HPB300，HRB335鋼筋。

3)螺栓。采用5.8級普通螺栓，直徑均為24 mm。

圖2 預(yù)埋滑槽大樣及產(chǎn)品示意圖Fig.2 Details and sample of embedded channel

2.3 受力計算內(nèi)容

1)隧道管片開槽處變形計算。

2)混凝土應(yīng)力計算。

3)隧道管片開槽處裂縫寬度計算。

4)預(yù)埋滑槽道后鉚釘長度計算。

2.4 分析建模

計算采用Abaqus 6.10有限元計算程序，采用非線性計算方法，對開槽管片進行仿真模擬分析。管片混凝土采用三維六面體實體單元(Solid element C3D8R)，鋼筋采用桁架單元(Truss elememt T3D2)，建模單元大約有2萬余單元，通過在管片外側(cè)全周設(shè)置水平與豎向的僅受壓彈簧來模擬土體與結(jié)構(gòu)之間的作用［5］。

數(shù)值分析中先對整體結(jié)構(gòu)施加豎向加速度場模擬結(jié)構(gòu)重力，然后根據(jù)設(shè)計水土荷載進行加載。荷載模式如圖3所示。計算采用分離式建模，縱向鋼筋和箍筋面積和配置位置均按設(shè)計布置，鋼筋使用嵌入?yún)^(qū)域約束(Embedded Region)于實體混凝土中［6］。預(yù)埋滑槽管片混凝土及鋼筋三維模型如圖4所示。

圖3 計算荷載模式Fig.3 Load calculation model

2.5 后鉚釘長度計算

本工程采用的滑槽后鉚釘長度為60 mm，φ8 mm鋼筋，末端為φ16 mm擴大段(見圖2)，其受拉機制為混凝土局部受沖切，至受拉極限承載力時為一錐形沖切破壞體形式，故受力計算可參考破壞形式相近的GB 50367《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》13.3.2節(jié)擴底錨栓承載力計算公式，同時加以現(xiàn)場試驗驗證。

2.6 計算結(jié)果及分析

1)隧道管片在荷載作用下，變形較小(約變形0.03%);管片開槽后，變形量有一定程度的增加，最大為管片變形量的4.4%(即0.03% ×4.4%=0.001 32%)，但管片總變形量仍未超過0.04%(相關(guān)規(guī)范要求)。隧道管片變形如表2所示。

圖4 預(yù)埋滑槽管片混凝土及鋼筋三維模型Fig.4 3D model of concrete and steel bars of segment with embedded channel

表2 隧道管片變形Table 2 Deformation of tunnel segment mm

2)通過對2種工況下，隧道管片開槽和不開槽的有限元仿真模擬，對比開槽處位置混凝土Mise應(yīng)力，混凝土應(yīng)力狀態(tài)不高;開槽后，該位置混凝土應(yīng)力略有增加，不超過8%。隧道管片應(yīng)力如表3所示。

表3 隧道管片應(yīng)力Table 3 Stress of tunnel segment MPa

3)通過對2種工況下，隧道管片開槽和不開槽的有限元仿真模擬，管片裂縫寬度滿足規(guī)范要求。隧道管片裂縫如表4所示。

表4 隧道管片裂縫Table 4 Cracks of tunnel segment mm

4)預(yù)埋滑槽道后鉚釘長度計算。按規(guī)范計算公式可知，滑槽道后鉚釘長度為60 mm時，混凝土錐形受拉承載力設(shè)計值11.3 kN，滿足相關(guān)規(guī)范要求。

據(jù)上所述，在設(shè)計荷載作用下，通過對深圳地鐵9號線典型區(qū)間隧道開槽管片計算復(fù)核，管片進行開槽設(shè)計對隧道管片整體受力影響較小，承載力、變形、裂縫寬度及后錨固長度均滿足設(shè)計要求。

3 管片預(yù)埋滑槽設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

1)預(yù)埋滑槽及其上固定的螺栓應(yīng)能滿足地鐵區(qū)間隧道上需要安裝的各種設(shè)備及其振動的承載力要求，每個連接螺栓位置沿管片徑向拉壓承載力不小于10 kN，沿切向承載力不小于8 kN。

2)預(yù)埋滑槽及連接螺栓必須滿足一定的剛度要求，在設(shè)計拉、壓承載力作用下，其變形要求不超過1.0 mm，切向荷載作用下變形不超過1.0 mm。

3)預(yù)埋滑槽要求滿足地鐵50年以上正常運營的耐久性要求，要求其表面處理層厚度不小于50 μm，按GB/T 10125—1997中性鹽霧加速腐蝕性試驗在時間1 200 h內(nèi)表面無紅繡出現(xiàn);涂層需按 GB/T 1732—1993要求進行沖擊試驗，重錘由50 cm高度落下，涂層應(yīng)完好。

4)預(yù)埋滑槽須有具備資質(zhì)的質(zhì)檢部門出具耐火時效測試報告，以確保實際應(yīng)用狀況下承載受力的抗火要求。其性能應(yīng)滿足在單面火燒、三面火燒以及四面火燒的工況下，均能達到90 min承載力不失效［7］。預(yù)埋滑槽與構(gòu)件采用專用配套 T型螺栓連接，T型螺栓需具備專業(yè)認(rèn)證的報告，其性能應(yīng)達到對應(yīng)90 min耐火時間下，單點承載拉力為1.8 kN。

5)預(yù)埋滑槽與配套連接 T型螺栓應(yīng)具備連接齒牙構(gòu)造，齒牙間距為3 mm，以確保機械的咬合性能;在縱向傳遞荷載，防止力點滑移。所用螺栓的防腐措施為:電鍍鋅的最小特殊涂層厚度為12 μm，同時滿足耐久性的要求。

4 管片預(yù)埋滑槽試驗驗證

根據(jù)“深圳地鐵9號線盾構(gòu)管片預(yù)埋滑槽設(shè)計原則”相關(guān)要求，對預(yù)埋滑槽產(chǎn)品進行了相關(guān)承載力抗疲勞測試、承載力耐火時效測試、抗拉承載力、縱向抗剪承載力、橫向抗剪承載力和柔性陶瓷防腐鹽霧試驗等測試［8］，試驗顯示完全滿足設(shè)計要求。測試結(jié)果和試驗裝置如表5、圖5和圖6所示。

表5 滑槽相關(guān)試驗統(tǒng)計表Table 5 Results of tests on embedded channel

圖5 承載力拉拔試驗Fig.5 Pull-out test on load-bearing capacity of embedded channel

圖6 承載力剪切試驗Fig.6 Shear test on load-bearing capacity of embedded channel

5 實施注意事項

1)管片開槽后，開槽位置分布鋼筋的保護層厚度略有減少，對結(jié)構(gòu)的耐久性有一定的影響，應(yīng)視情況對該分布鋼筋處采用局部斷開上抬或采用鋼筋表面涂環(huán)氧樹脂涂層等加強耐久性措施［9］。

2)預(yù)埋滑槽與混凝土管片之間應(yīng)通過可靠的鉚釘連接，鉚釘間距及鉚釘長度應(yīng)滿足承載力的要求。

3)預(yù)埋滑槽在管片中的位置應(yīng)避開管片中心的吊裝孔位置，同時考慮離開管片內(nèi)弧表面縱向及環(huán)向螺栓手孔一定的距離，以避免對管片剛度削弱的疊加影響。

4)預(yù)埋滑槽實施時，其在管片模板上的定位要牢固，保證槽口緊貼模板，槽內(nèi)部應(yīng)采用可靠措施密封，避免混凝土澆筑時灌入滑槽內(nèi)，槽口與混凝土內(nèi)面應(yīng)光滑平整連接，盡量減少定位偏差及混凝土表面的凹凸誤差，確保預(yù)埋作業(yè)的實施質(zhì)量［10］。

6 結(jié)論與建議

1)相關(guān)計算分析及試驗結(jié)果表明，地鐵盾構(gòu)法隧道內(nèi)設(shè)計預(yù)埋滑槽的方案安全可靠，切實可行，建議在相同類型工程中加以推廣應(yīng)用，以達到方便施工、易于維護和節(jié)能環(huán)保的綠色建造目的。

2)由于預(yù)埋滑槽技術(shù)在國內(nèi)地鐵中的應(yīng)用尚屬首次，無相關(guān)經(jīng)驗參考，滑槽及鉚釘間距、鉚釘長度的計算方法目前國內(nèi)規(guī)范尚未明確，本次設(shè)計偏于安全，主要考慮參照GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》和GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》對槽壁進行受力分析及確定鉚釘?shù)拈L度，相關(guān)設(shè)計參數(shù)通過試驗驗證和分析并經(jīng)評審認(rèn)可后，可適當(dāng)進行優(yōu)化調(diào)整，使設(shè)計方案更趨合理。

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