預埋滑槽技術在城市軌道交通工程中的應用

鄧劍榮 丁先立

(廣州地鐵設計研究院有限公司,510010,廣州∥第一作者,高級工程師)

?

預埋滑槽技術在城市軌道交通工程中的應用

鄧劍榮 丁先立

(廣州地鐵設計研究院有限公司,510010,廣州∥第一作者,高級工程師)

預埋滑槽技術是在鋼筋混凝土結構上預埋鋼質滑槽,用以安裝固定機電設備系統的技術。以深圳地鐵9號線盾構隧道區間工程為例,介紹了預埋滑槽技術方案,通過模型計算對比分析了管片開槽和不開槽情況下管片的受力情況,并探討了預埋滑槽技術應用中的關鍵性問題。城市軌道交通系統中機電設備系統復雜,需要安裝固定在鋼筋混凝土結構上的設備和管線數量特別多,傳統的打膨脹螺栓或鉆孔植筋技術對鋼筋混凝土結構本身破壞性大,影響結構的安全性和耐久性,因此,在城市軌道交通系統中推廣應用預埋滑槽技術有特別重要的意義。

城市軌道交通; 預埋滑槽技術; 機電設備

Author′s address Guangzhou Meto Design & Research Insotitute Co.,Ltd.,510010,Guangzhou,China

預留預埋技術應用于城市軌道交通工程建設將成為一種趨勢。預留預埋技術從根本上變革了在混凝土結構上鉆孔植筋和打膨脹螺栓的技術,不僅大大提高了混凝土結構的安全性和耐久性,而且大大降低了施工噪聲、減少了施工粉塵、提高了機電設備安裝效率、縮短了建設周期、降低了建設成本。目前,預留預埋技術在日本、德國、英國等國的城市軌道交通中已有采用,效果很明顯。在國內城市軌道交通工程中,該技術尚未大規模應用。僅在深圳地鐵9號線盾構區間采用了預埋滑槽技術。本文重點總結預埋滑槽技術在深圳地鐵9號線中應用的經驗和教訓,并對一些爭議性的問題進行探討。

1 工程概況

深圳地鐵9號線工程盾構法隧道全長35 315 m。盾構區間所采用的管片內徑為5.4 m,外徑為6.0 m,管片厚度為0.3 m;每環管片均采用楔形量為38 mm、寬為1.5 m的通用鋼筋混凝土管片;每環管片由1塊封頂塊、2塊鄰接塊、3塊標準塊組成。管片材質為:C50混凝土,HRB335、HRB400鋼筋,5.8級普通螺栓。

地鐵盾構區間內管線眾多,有接觸網、35 kV供電電纜、區間低壓配電電纜、弱電電纜、疏散平臺、消防水管、排水管,以及各種相關設備,這些管線和設備都需要安裝固定在管片上,如圖1所示。

在盾構管片上安裝固定管線和設備的傳統施工方法是在管片上鉆孔植筋和打膨脹螺栓。采用這兩種施工方法,需要大量的現場作業人員;需要在管片上鉆孔,對管片混凝土和鋼筋有一定的損害,影響管片的結構安全性和耐久性;施工環境惡劣,噪聲和粉塵影響施工人員身心健康。本文介紹一種全預埋方案——預埋滑槽技術。

2 預埋滑槽設計

2.1 預埋滑槽定型設計

根據對需要安裝在管片上的所有管線和設備荷

圖1 安裝固定在盾構管片上的管線和設備

載情況的分析,管片上安裝固定點的最大單點承載力要求為:沿管片徑向承載力設計值為10 kN,沿管片切向和縱向承載力設計值為8 kN。根據管片上安裝固定點的受力需求分析,以及管線和設備安裝特點,選擇預埋滑槽設計方案。設計方案要能滿足各種管線和設備的安裝要求,安裝位置具有靈活可調節性,方便施工。因此,預埋滑槽設計方案需滿足以下條件:預埋滑槽為一次熱軋成型的截面帶齒C形槽道,搭配T型螺栓,T型螺栓可沿槽道方向自由調整位置;預埋滑槽材質可采用國內常用的一些鋼材,如Q235、Q354鋼等;槽道高不小于20 mm,寬不小于28 mm,壁厚不小于2.5 mm,齒高不小于1.5 mm且間距為3 mm,鉚釘間距不大于200 mm,錨固長度不小于60 mm;滑槽布置需離開管片中間手控一定距離,并避開管片標識。滑槽大樣及在管片中的預埋位置如圖2、圖3所示。

圖2 預埋滑槽及配套螺栓示意圖

圖3 預埋滑槽在管片上的預埋示意圖

預埋滑槽設計方案還需滿足以下要求:①預埋滑槽需滿足50年耐久性設計要求;②預埋滑槽需滿足耐火設計要求,在單面、三面、四面火燒情況下,90 min不失效;③預埋滑槽的防腐和防火涂層需滿足GB/T 1732—1993《漆膜耐沖擊測定法》規范的相關規定;④預埋滑槽與管片鋼筋之間凈距不得小于40 mm的鋼筋保護層厚度要求,且鉚釘不得與鋼筋接觸。

2.2 滑槽受力分析

根據管片荷載情況及預埋滑槽設計方案,對預埋滑槽受力情況進行分析。計算模型的滑槽長1 m,槽道采用二維矩形plane單元,桿件采用truss單元,計算結果如圖4、圖5所示。從計算結果可知,滑槽(應力最大值為171 N/mm2)在單個螺栓位置承載力滿足設計要求,滑槽處在彈性受力階段。

圖4 滑槽應力圖

2.3 滑槽對盾構管片受力影響分析

深圳地鐵9號線盾構區間埋深一般在16 m左右,地層主要為風化殘積層。以9號線梅景站至下梅林站區間的一個典型斷面為例,進行管片預埋滑槽和不預埋滑槽對比分析。地面超載值取20 kPa,上覆土厚根據TB 10003—2005《鐵路隧道設計規范》計算,采用水土分算模型,側面和底部機床系數根據詳細勘察報告取值。計算模型如圖6所示。

圖5 滑槽變形位移圖

圖6 管片計算荷載模型

計算荷載取值如下:上部荷載(土壓+水壓)q1=366.259 kPa,q2=308.659 kPa;下部荷載(只考慮水壓)q3=131.76 kPa,q4=161.76 kPa;側向壓力(土壓+水壓)q5=178.313 kPa;q6=258.737 kPa。

管片計算模型取值,厚為300 mm,內徑為5.4 m,外徑為6.0 m,寬為1.5 m。先按常規情況進行分析,然后再在管片中部偏右開槽(槽寬為30 mm,高為25 mm),模擬預埋滑槽對管片受力的影響。分析時,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);計算軟件采用Abaqus 6.10有限元程序;采用分離式建模;縱向鋼筋、箍筋面積和配置位置均按設計布置;混凝土本構模型采用混凝土塑性損傷模型;約束條件為以環豎向軸線為對稱軸,與對稱軸相交的上截面水平向約束,下截面水平向約束,下截面中軸線豎向約束。開槽管片的計算模型及應力云圖如圖7、圖8所示。

圖7 開槽管片的計算模型

圖8 開槽管片的應力云圖

開槽管片的最大壓應力約為3 N/mm2,最大拉應力約為1.4 N/mm2。對管片開槽和不開槽兩種情況對比分析,主要分析結果如下:

(1) 隧道管片在荷載作用下,管片不開槽情況下,約變形0.03%,變形極小;管片開槽后,變形有一定程度的增加,但仍未超過整體的0.05%。

(2) 混凝土應力狀態不高,管片開槽后,開槽處混凝土應力略有增加,但不超過8%。

(3) 開槽處混凝土主拉應力明顯低于混凝土開裂容許應力。開槽前后,最大主拉應力變化不超過10%。

(4) 隧道管片鋼筋的拉應力明顯低于屈服應力,開裂前后鋼筋應力變化不超過2%。

(5) 管片開槽,對隧道管片整體受力影響較小,承載力、變形、裂縫寬度滿足驗算荷載要求。

3 預埋滑槽驗證

預埋滑槽的驗證分為實驗室驗證和現場驗證兩種。實驗室驗證主要是對滑槽防腐涂層的耐久性、防火涂層的耐火性、滑槽及配套螺栓的承載力、疲勞承載力、涂層抗沖擊性能等進行驗證。國家MC(計量)認證的質量檢測報告,設計要求生產的滑槽,其各項承載能力均可達到30 kN,其耐久性能、耐火性能、疲勞承載力等都能滿足設計要求。

在管片施工現場做了5環1∶1模型拼裝和堆載試驗。現場驗證結果為:在實際荷載作用下,管片、滑槽和連接螺栓變形均滿足設計和規范要求。

圖9為深圳地鐵9號線盾構隧道區間管片、預埋滑槽及安裝好的各種管線和設備。實踐證明,將預埋滑槽技術應用于地鐵盾構隧道工程是合理可行的,應大力推廣。

圖9 預埋滑槽實際應用圖

4 管片預埋滑槽相關問題探討

(1) 預埋滑槽的耐久性問題。如果采用預埋安裝方式,則滑槽具有不可更換性,其耐久性能如果能與混凝土管片一樣,滿足100年耐久性要求則比較合理,但在深圳地鐵9號線盾構區間上應用的滑槽耐久性能要求為50年,主要原因為:①目前,國內外關于鋼材的一次性防腐涂層滿足100年耐久性要求的研究資料極少,100年的耐久性設計沒有充足的理論依據。②國內外類似滑槽的實際應用最長久年限為60年,還沒有100年的工程案例可參考。③雖然鋼材的防腐設計年限為50年,但根據類似工程案例,采用熱鍍鋅等傳統成熟的工藝,其實際使用年限至少可達到60年;如果再經過合理的保養維護,有可能達到100年的使用年限,因此,防腐不一定要一次到位。

(2) 與接觸網連接的滑槽和螺栓的疲勞承載力問題。在運營過程中,接觸網與受電弓反復摩擦,連接接觸網的滑槽和螺栓也承受重復荷載作用。一般受電弓加在接觸網上的最大荷載為140 N,在最不利位置分配到6個連接螺栓上承載力小于25 N/個,而每個螺栓的允許承載力為10 kN,實際應力幅與允許應力幅相比約為0.25%,可忽略不計,因此,滑槽疲勞性能不是控制指標。

(3) 預埋滑槽防腐涂層及防火涂層附著力實驗要求的重要性。本文中,要求滑槽涂層需進行沖擊試驗,以監測涂層的附著力。這項要求非常重要。因為很多鋼材的涂層滿足長久耐腐蝕及耐火性能要求(比如柔性陶瓷涂層),但其附著力較差,在施工過程中容易脫落;一旦防腐涂層脫落,鋼材就完全裸露在腐蝕性環境中,很快會銹蝕,這是非常危險的。所以,在設計中務必要強調鋼材防腐和防火涂層耐沖擊性能試驗要求。

(4) 預埋滑槽技術在城市軌道交通系統其他位置應用的問題。根據預埋滑槽技術的特點可知,該技術適用于城市軌道交通系統的其他位置管線和設備的安裝固定。在設計時,只需預先排布好系統內(比如車站內)的綜合管線和設備,統籌考慮安裝固定方式,再結合安裝要求統一部署預埋件。總的來說,采用預埋滑槽技術,可實現整個城市軌道交通系統“全預埋”的水平,從而極大地提高城市軌道交通工程設計和施工水平。

5 結論及建議

預埋滑槽技術在深圳地鐵9號線工程中的應用取得了初步成效,實踐證明,在地鐵盾構區間采用預埋滑槽技術是可行的、便捷的、綠色的,預埋滑槽技術可以在整個城市軌道交通系統中推廣應用。

預埋滑槽技術雖然取得了工程試驗的成功,但目前國內尚沒有針對城市軌道交通工程中預埋滑槽應用的相關標準,不利于該項技術的應用和推廣,需要積極推動技術標準的建設。預埋滑槽耐久性研究尚不夠成熟,還有待進一步研究。

[1] 何慶鋒.深圳地鐵9號線梅景站—下梅林站區間隧道開槽管片計算復核咨詢報告[R].長沙:湖南大學,2013.

[2] 李春良.不同病害情況下盾構隧道環向剛度的計算方法 [J].隧道建設,2013,33(8):646.

Application of Pre-embedded Chute Technology in Urban Rail Transit

DENG Jianrong, DING Xianli

Pre-embedded chute technology is to embed steel chute on the reinforced concrete structure, so as to install a fixed electrical equipment. Taking the interval shield tunnel project on Shenzhen metro Line 9 as the research target, the embedded chute technology is introduced. Through model comparison, the forces of segment with and without slot are analyzed, the key issues in this technology is studied. Sincethe electro-mechanical equipment system in urban rail transit is very complex, it has to be installed on the reinforced concrete structure with a large number of equipment and pipelines. The traditional ways of planting expansion bolt or drilling onthe reinforced concrete structure are destructive, directly harm the safety and durability of the structure,therefore, the application of embedded chute technologyin urban rail transit has special significance.

urban rail transit; pre-embedded technology of chute; mechanical and electrical equipment

U453

10.16037/j.1007-869x.2016.08.023

2016-01-25)