預埋槽道在北京地鐵7號線東延工程中的應用分析

孫 希 波

(北京市軌道交通建設管理有限公司，北京 100068)

1 概述

傳統的地鐵盾構區間內部設施安裝過程中，需要在盾構管片上進行打孔、植筋，而后安裝設備支架。此種做法不僅對管片結構帶來一定傷害，而且在隧道內進行人工鉆孔效率低下、施工環境惡劣，影響工人的健康和安全。

國外預埋槽道技術的應用起始于20世紀30年代初，國際比較流行的有德國生產的哈芬槽道，目前已廣泛應用于高鐵隧道、橋梁、市政隧道與電力隧道、預裝式地鐵車站、建筑幕墻等領域，近些年我國高鐵工程也已引進預埋槽道技術并成功應用于京滬、武廣、鄭西等高鐵接觸網工程上[1]。國內地鐵盾構管片預埋槽道于2013年在深圳地鐵9號線開始試驗使用，拉開了地鐵盾構管片預埋槽道應用的序幕[2]；2014年蘭州地鐵1號線一期工程全線采用盾構管片預埋槽道技術，國內眾多城市軌道交通工程躍躍欲試。2015年初在8號線3期六營門站—五福堂站區間48環管片進行了預埋槽道產品的試驗[3]。

2 預埋槽道介紹

預埋槽道是便于安裝且可調節的理想固定件，該預埋件使用T型螺栓或帶齒螺栓及相配的螺母、墊圈，可以用來固定任何結構部件。

它是由一條C形槽鋼和至少兩個布置在槽鋼背面的錨釘組成，具有熱浸鍍鋅和不銹鋼材質，槽鋼內使用泡沫填充物或條形填充材物能夠防止混凝土進入槽鋼內(如圖1所示)。槽道預埋在混凝土中，表面與混凝土平齊。槽道有多種型號，它有一個防松動的設計，將專用T型螺栓配合使用，既緊固方便，還可任意調節，是許多大型工程項目如鐵路隧道、橋梁、機場等的首選緊固件。

3 預埋槽道技術的優勢

1)混凝土預制件全部標準化，便于現場管理；

2)不存在破壞鋼筋，損壞結構的風險；

3)無需鉆孔，后期安裝速度極快，節約工期；

4)整體結構完整；

5)后期營運維護方便、成本低；

6)受力模式相比于錨栓更為可靠；

7)安裝效果不受工人施工技術和態度影響；

8)安裝位置可以調整；可隨意新增設備[5,6]。

4 經濟效益分析

打孔方式以膨脹螺栓為例，膨脹螺栓單價28元～30元，每延米所需數量為25個，則每米造價為700元～750元，打孔2人每天打30個孔，每千米需求孔數為25 000個，每人每天200元，則每米造價為333.4元，人工清孔、試孔及安裝費用每千米約為10萬元，由于打孔造成管片破裂或破裂等費用每千米約為20萬元，總體計算每千米造價為133.34萬元～138.34萬元(不含支架的費用)，但受到安裝質量、環境腐蝕的影響，需要經常維護，為達到100年的工程壽命，傳統方法的總體花費將高達單線每千米400萬元以上。

而使用預埋槽道雖然在前期每千米單線區間隧道的投入約需180萬元～260萬元，但是后期維護費用少。兩者具體的技術經濟分析詳見表1。

表1 預埋槽道與傳統打孔技術經濟分析

5 預埋槽道設計計算

5.1 荷載

城市軌道交通工程是一個多專業的系統工程，區間的管線錯綜錯雜，主要設備有FAS，BAS，動照，供電，通信，信號，疏散平臺，消防水管等，區間主要設備荷載如下所示。

1)FAS，BAS專業。

每層托架：6.831 kg/m，每層管線：6.78 kg/m，按兩層算：(6.831+6.78)×2=27.22 kg/m，每1.2 m重量：27.222×1.2=32.66 kg。

2)動照專業。

a.區間橋架：每0.8 m重量200 kg，一共兩層；

b.區間照明箱、應急照明箱：10 kg一面；

c.射流風機、消防閥雙切箱：50 kg一面。

每1.2 m重量：1.2×(200+10+50)×2=624 kg。

3)供電專業。

每層托架及管線：135 kg/0.8 m，供電的電纜支架要求0.8 m一個，每1.2 m重量：1.2×135/0.8=202.5 kg。

4)通信專業。

通信專業各類荷載最大值40 kg/m。

5)疏散平臺：疏散平臺寬度1 m。a.5 kPa均布人群荷載；b.±3.5 kPa活塞風荷載。

6)排水專業：消防水管道重量41.7 kg/m。

5.2 錨桿驗算

根據槽道廠家提供的技術指標，預埋槽廠家提供預埋槽錨栓各項設計值：1)錨桿錨固力15 kN。錨桿設計值。2)切向承載力為6 kN。計算工況，兩個錨栓間為一個安裝螺栓。

經過對區間各專業荷載進行對比，在區間隧道中疏散平臺荷載最大，其余荷載均較小，因此以下僅針對疏散平臺支架進行驗算，其計算簡圖詳見圖2。

螺栓間距大于錨栓最大間距190 mm，兩個錨栓間為一個螺栓，其最不利情況即荷載全部由一個錨栓承擔。

拉拔力：F1=F2=1.4×5×1×1.2×0.5/0.463=9.07 kN<15 kN，滿足要求。

每個錨栓承受剪力：V=1.4×5×1×1.2/3/cos26=3.1 kN<6 kN，滿足要求。

5.3 數值計算

為了精確計算每個錨栓的受力，采用數值計算軟件midasV7.2

對錨栓進行驗算，荷載采用2種：

1)人群荷載正壓5 kPa；

2)風壓-3.5 kPa[8]。

根據計算結果圖3及圖4，人群荷載作用下為控制工況。

1)錨栓軸力。

8.1/cos26=9.01 kN<15 kN，滿足要求。

2)錨栓剪力。

5.8×cos26-8.1×sin26=1.66 kN<6 kN，滿足要求。

6 結論和建議

1)結構受力方面，根據本文中簡化計算及數值計算，所選用的錨栓型號及數量滿足受力要求，是安全的；

2)經濟效益方面，7號線東延共9個盾構區間，其中7個區間采用了預埋槽道技術，雙線長度21 507 m，根據文中的分析，可以節約資金：21.5×(400-(180+260)/2)=3 870萬元；

3)工期方面，在不考慮各專業交叉的情況下，預埋槽道是人工打孔的3.4倍；

4)預埋槽道技術避免了人工打孔產生大量粉塵及噪聲，是一種綠色環保的生產方式。