深圳地铁9号线盾构法隧道管片预埋滑槽设计研究及探讨

杜 峰

(中国市政工程西北设计研究院有限公司，甘肃兰州 730000)

0 引言

随着国内地铁项目大规模建设高潮的来临，对地铁施工工期及后期的运营养护的要求越来越高，缩短建设周期、降低建设成本、便于后期维护等要求已逐渐成为地铁项目建造的重要理念。目前，在欧洲等发达国家(如德国、英国、法国、瑞士、比利时)及我国港台地区的地铁工程项目中已广泛采用土建结构预留预埋技术，其优点在于:减少在机电安装阶段对土建结构的破坏，提高土建结构的耐久性，加快机电安装的工效，缩短机电安装的工期，且有利于运营期的维修保养作业［1－2］。

国内地铁工程尚未大规模开展结构预留预埋技术的研究和实施，目前仅在一些高铁项目矿山法隧道(如京沪高铁、武广高铁、哈大高铁等)二次衬砌结构顶拱部、地铁车站屏蔽门及轨道安装(如深圳地铁3号线)的局部小范围采用了预留预埋技术。深圳地铁9号线为国内首条在全线盾构法区间采用全环预埋滑槽技术的地铁线工程。本文就本工程盾构法管片拟采用的预埋滑槽设计进行相关的研究及探讨，以验证拟采用的预埋滑槽能否满足受力及耐久性的设计要求，同时对管片预埋滑槽实施作业提出相关建议，以期在相同类型工程中加以推广应用。

1 工程概况

深圳地铁9号线工程盾构法隧道全长约30 km(双线)。盾构隧道衬砌外径为6 000 mm，内径为5 400 mm，衬砌环宽度为1 500 mm，厚度为300 mm。衬砌环由1块封顶块、2块邻接块和3块标准块组成。

管片内预埋滑槽钢材要求采用热轧形式，材质要求采用Q235和Q275钢，槽道截面为带齿C形截面，槽后带锚固端。滑槽预埋(以标准块为例)位置临近管片吊装孔一侧，距离吊装孔中心距为115 mm，两端距管片纵缝端为80 mm，槽口与管片内弧面齐平;槽道厚度不小于20 mm，宽度不小于28 mm，齿高不小于1.5 mm，槽道后锚固长度不小于120 mm。预埋滑槽设计了配套连接T型螺栓，该螺栓应具备连接齿牙构造，齿牙间距为3 mm，以确保机械咬合性能可以在纵向传递荷载，防止力点滑移［3－4］。管片预埋滑槽现场照片如图1所示。预埋滑槽大样及产品如图2所示。

图1 管片预埋滑槽现场照片Fig.1 Channel embedded in segment

2 管片预埋滑槽受力计算分析

2.1 工程地质与水文地质条件

本地铁线工程盾构区间绝大多数在黏性土层或风化残积层中穿越，埋深为2～3倍洞径，地下水位的变化受地形地貌和地下水补给来源等因素控制，勘察期间揭露地下水稳定水位埋深为2.80～6.30 m。

根据全线地质情况和隧道埋深情况，选择具有代表性区间管片进行力学性能分析。典型区间岩土力学指标如表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)钢筋。采用HPB300，HRB335钢筋。

3)螺栓。采用5.8级普通螺栓，直径均为24 mm。

图2 预埋滑槽大样及产品示意图Fig.2 Details and sample of embedded channel

2.3 受力计算内容

1)隧道管片开槽处变形计算。

2)混凝土应力计算。

3)隧道管片开槽处裂缝宽度计算。

4)预埋滑槽道后铆钉长度计算。

2.4 分析建模

计算采用Abaqus 6.10有限元计算程序，采用非线性计算方法，对开槽管片进行仿真模拟分析。管片混凝土采用三维六面体实体单元(Solid element C3D8R)，钢筋采用桁架单元(Truss elememt T3D2)，建模单元大约有2万余单元，通过在管片外侧全周设置水平与竖向的仅受压弹簧来模拟土体与结构之间的作用［5］。

数值分析中先对整体结构施加竖向加速度场模拟结构重力，然后根据设计水土荷载进行加载。荷载模式如图3所示。计算采用分离式建模，纵向钢筋和箍筋面积和配置位置均按设计布置，钢筋使用嵌入区域约束(Embedded Region)于实体混凝土中［6］。预埋滑槽管片混凝土及钢筋三维模型如图4所示。

图3 计算荷载模式Fig.3 Load calculation model

2.5 后铆钉长度计算

本工程采用的滑槽后铆钉长度为60 mm，φ8 mm钢筋，末端为φ16 mm扩大段(见图2)，其受拉机制为混凝土局部受冲切，至受拉极限承载力时为一锥形冲切破坏体形式，故受力计算可参考破坏形式相近的GB 50367《混凝土结构加固设计规范》13.3.2节扩底锚栓承载力计算公式，同时加以现场试验验证。

2.6 计算结果及分析

1)隧道管片在荷载作用下，变形较小(约变形0.03%);管片开槽后，变形量有一定程度的增加，最大为管片变形量的4.4%(即0.03% ×4.4%=0.001 32%)，但管片总变形量仍未超过0.04%(相关规范要求)。隧道管片变形如表2所示。

图4 预埋滑槽管片混凝土及钢筋三维模型Fig.4 3D model of concrete and steel bars of segment with embedded channel

表2 隧道管片变形Table 2 Deformation of tunnel segment mm

2)通过对2种工况下，隧道管片开槽和不开槽的有限元仿真模拟，对比开槽处位置混凝土Mise应力，混凝土应力状态不高;开槽后，该位置混凝土应力略有增加，不超过8%。隧道管片应力如表3所示。

表3 隧道管片应力Table 3 Stress of tunnel segment MPa

3)通过对2种工况下，隧道管片开槽和不开槽的有限元仿真模拟，管片裂缝宽度满足规范要求。隧道管片裂缝如表4所示。

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

4)预埋滑槽道后铆钉长度计算。按规范计算公式可知，滑槽道后铆钉长度为60 mm时，混凝土锥形受拉承载力设计值11.3 kN，满足相关规范要求。

据上所述，在设计荷载作用下，通过对深圳地铁9号线典型区间隧道开槽管片计算复核，管片进行开槽设计对隧道管片整体受力影响较小，承载力、变形、裂缝宽度及后锚固长度均满足设计要求。

3 管片预埋滑槽设计标准

1)预埋滑槽及其上固定的螺栓应能满足地铁区间隧道上需要安装的各种设备及其振动的承载力要求，每个连接螺栓位置沿管片径向拉压承载力不小于10 kN，沿切向承载力不小于8 kN。

2)预埋滑槽及连接螺栓必须满足一定的刚度要求，在设计拉、压承载力作用下，其变形要求不超过1.0 mm，切向荷载作用下变形不超过1.0 mm。

3)预埋滑槽要求满足地铁50年以上正常运营的耐久性要求，要求其表面处理层厚度不小于50 μm，按GB/T 10125—1997中性盐雾加速腐蚀性试验在时间1 200 h内表面无红绣出现;涂层需按 GB/T 1732—1993要求进行冲击试验，重锤由50 cm高度落下，涂层应完好。

4)预埋滑槽须有具备资质的质检部门出具耐火时效测试报告，以确保实际应用状况下承载受力的抗火要求。其性能应满足在单面火烧、三面火烧以及四面火烧的工况下，均能达到90 min承载力不失效［7］。预埋滑槽与构件采用专用配套 T型螺栓连接，T型螺栓需具备专业认证的报告，其性能应达到对应90 min耐火时间下，单点承载拉力为1.8 kN。

5)预埋滑槽与配套连接 T型螺栓应具备连接齿牙构造，齿牙间距为3 mm，以确保机械的咬合性能;在纵向传递荷载，防止力点滑移。所用螺栓的防腐措施为:电镀锌的最小特殊涂层厚度为12 μm，同时满足耐久性的要求。

4 管片预埋滑槽试验验证

根据“深圳地铁9号线盾构管片预埋滑槽设计原则”相关要求，对预埋滑槽产品进行了相关承载力抗疲劳测试、承载力耐火时效测试、抗拉承载力、纵向抗剪承载力、横向抗剪承载力和柔性陶瓷防腐盐雾试验等测试［8］，试验显示完全满足设计要求。测试结果和试验装置如表5、图5和图6所示。

表5 滑槽相关试验统计表Table 5 Results of tests on embedded channel

图5 承载力拉拔试验Fig.5 Pull-out test on load-bearing capacity of embedded channel

图6 承载力剪切试验Fig.6 Shear test on load-bearing capacity of embedded channel

5 实施注意事项

1)管片开槽后，开槽位置分布钢筋的保护层厚度略有减少，对结构的耐久性有一定的影响，应视情况对该分布钢筋处采用局部断开上抬或采用钢筋表面涂环氧树脂涂层等加强耐久性措施［9］。

2)预埋滑槽与混凝土管片之间应通过可靠的铆钉连接，铆钉间距及铆钉长度应满足承载力的要求。

3)预埋滑槽在管片中的位置应避开管片中心的吊装孔位置，同时考虑离开管片内弧表面纵向及环向螺栓手孔一定的距离，以避免对管片刚度削弱的叠加影响。

4)预埋滑槽实施时，其在管片模板上的定位要牢固，保证槽口紧贴模板，槽内部应采用可靠措施密封，避免混凝土浇筑时灌入滑槽内，槽口与混凝土内面应光滑平整连接，尽量减少定位偏差及混凝土表面的凹凸误差，确保预埋作业的实施质量［10］。

6 结论与建议

1)相关计算分析及试验结果表明，地铁盾构法隧道内设计预埋滑槽的方案安全可靠，切实可行，建议在相同类型工程中加以推广应用，以达到方便施工、易于维护和节能环保的绿色建造目的。

2)由于预埋滑槽技术在国内地铁中的应用尚属首次，无相关经验参考，滑槽及铆钉间距、铆钉长度的计算方法目前国内规范尚未明确，本次设计偏于安全，主要考虑参照GB 50017—2003《钢结构设计规范》和GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》对槽壁进行受力分析及确定铆钉的长度，相关设计参数通过试验验证和分析并经评审认可后，可适当进行优化调整，使设计方案更趋合理。

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