盾构管片预埋槽道受力性能分析

薛 佳

(中国铁路设计集团有限公司,天津 300308)

引言

地铁作为近年来解决城市交通压力的新渠道得到了快速的发展，而在盾构区间内安装设备与管线主要有后置化学锚栓与预埋槽道两种方式，此两种安装方式各有优缺点。(1)后置化学锚栓：国内外成熟的产品多、有配套的标准与规范，且施工精度可控；但其需在混凝土管片上钻孔、对管片和钢筋有损害，施工环境噪声大、粉尘多，安装效率低。(2)预埋槽道：目前缺少相应的国家或行业标准，且槽道需预先埋设于管片模板上，施工精度要求高，其一次性土建投资大，约为后置化学锚栓的1.4倍[1]；但可避免在管片上钻孔，能够保存其结构的完整性，施工时噪声低、粉尘少、安装效率高[2-3]。目前，预埋槽道作为一项新的设备与管线安装技术，已在深圳[4]、兰州[5]等城市推广应用。

在国内，邓剑荣等[6]、杜峰[7]结合深圳地铁9号线盾构管片预埋槽道的使用情况，主要通过理论计算及数值模拟对预埋槽道的力学应用做了研究。秦梦宇等[8]对混凝土中槽式预埋件垂直槽向的抗剪性能进行了试验研究。但是，对于接触网、疏散平台等具体安装方式及槽道螺栓的受力性能并未详细提及，以及未涉及大直径管片(直径6 m及以上)内高净空下接触网如何安装。因此，作为一项新的管线与设备安装技术，如何选择合理的安装方式及其受力性能如何，为本文的研究重点。

1 设计参数

1.1 管片

本文中提及的混凝土管片为C50预制管片，常规管片环宽1.2 m、内径5.5 m、外径6.2 m，大直径、高净空管片环宽1.5 m、内径6.0 m、外径6.7 m，内环面均全环预埋单槽道。

1.2 区间综合管线

地铁盾构区间内管线与设备众多，主要有强电系统、弱电系统、给排水系统及疏散平台。其中强电系统包括：接触网、供电环网、动力照明等。弱电系统包括：通信、信号及综合监控等。给排水系统包括：消防水管及废水管；此外还有壁挂设备等。这些管线与设备都需要安装固定在管片上，而预埋槽道可作为设备与管线安装的基础及衔接的桥梁。盾构区间中综合管线典型布置如图1所示。

图1 盾构区间综合管线典型布置

管线与设备在预埋槽道上安装时，其支架布设间距需与槽道间距的模数相匹配，以确保槽道间无需再钻孔增设支架。以内径5.5 m的盾构管片、槽道间距1.2 m为例，接触网、35 kV铠装环网电缆、弱电电缆等可按1.2 m间距布设支架。给排水管可按2.4 m间距布设支架。

管线与设备在预埋槽道上完成安装后，需保证安装支架处螺栓的受力小于其可承受的工作荷载。

1.3 预埋槽道

目前市场上的预埋槽道主要分为带齿及不带齿两种，由于在地铁区间内，管线沿隧道内壁环向布置，槽道需要承受环向剪切力，为确保管线安装牢固、防止力点滑移[9-10]，盾构管片采用带齿预埋槽道。

槽道的标准高度为20 mm，宽度为30 mm，齿牙深度宜为1.5 mm，间距宜为3 mm。预埋槽道大样见图2。

图2 预埋槽道大样(单位：mm)

1.3.1 槽道材质

预埋槽道须采用一次热轧成型的全齿半闭口型钢槽道，槽道与锚杆材质统一，采用低合金钢或06Cr17Ni12Mo2Ti，严禁采用沸腾钢，其综合力学性能指标不低于GB/T1591—2008《低合金高强度结构钢》[11]中Q345B或S275JR的标准，钢材C含量不大于0.17%，并具有足够的延展性，其断裂最小延伸率不小于14%。地铁作为百年工程，预埋槽道的各项性能如防腐、防火、抗疲劳、承载力等需满足100年的使用年限要求。

1.3.2 配套螺栓的机械性能

与槽道配套连接的T形螺栓具备齿牙构造、有自锁防松功能。采用强度等级不小于8.8级的M12螺栓及8级螺母。

1.3.3 槽道螺栓工作荷载要求

参考深圳、青岛[12]等地方和团体标准，并经过专家论证，提出预埋槽道T形螺栓安装固定点的最大单点荷载为8 kN，即任何方向(轴向力、沿槽道方向剪切力、沿线路方向剪切力)的工作荷载(静态荷载)均不得低于8 kN，也就意味着区间内各管线及设备需采用合理的安装方式，以保证其安装完成后单个螺栓任何方向的受力不能大于8 kN，螺栓的设计荷载为工作荷载的1.4倍。

2 管线与设备安装方式及受力性能研究

本文重点研究接触网、疏散平台等管线与设备的安装方式及受力性能。

2.1 接触网在槽道中的安装方式

(1)接触网在常规盾构管片中的安装方式

针对常规管片(内径5.5 m、环宽1.2 m、B型车限界)，接触网安装后其上方净空约为0.33 m，安装时采用8个T形螺栓与槽道顶部连接，如图3所示，跨距与预埋槽道跨距相同，即1.2 m。

图3 接触网在常规管片槽道中的安装方式

接触网运行时，管片预埋槽道所受到的力主要为接触网压力、受电弓与接触网的滑动摩擦力和震动荷载。通过计算，接触网T形螺栓受力汇总见表1。

表1 接触网螺栓受力汇总 kN

(2)接触网在高净空盾构管片中的安装方式

目前城市轨道交通普速地铁(80 km/h)中使用的盾构管片多为小直径管片(环宽1.2 m、净空5.5 m左右)，但是随着城际轨道交通(120 km/h)的兴起以及跨海区间的修建，大直径管片(环宽1.5 m、净空6.0 m及以上)将越来越多的得到应用。与常规净空下接触网安装方式相比，高净空接触网安装的研究与应用少之又少，田广辉[13]、王博[14]、李智明[15]等虽然对使用预埋槽道时接触网的悬挂固定方式进行过研究比选，但并未提及高净空下接触网如何进行有效固定。

针对大直径管片，若单环管片预埋2根槽道，将有效解决高净空下接触网的受力及稳定问题，但预埋双槽道将大大增加投资、造成浪费，因此本文不予考虑；经研究，大直径管片通过增设吊柱与斜撑可解决高净空下接触网的安装问题，吊柱采用单排4个T形螺栓，且利用相邻槽道吊柱顺线路方向设斜撑，改善受力、减少接触网的摇摆，见图4。

图4 接触网在高净空管片槽道中的安装方式

高净空管片中接触网荷载通过吊柱及斜撑传递至T形螺栓，斜撑底座受的剪力及拉力分别用Sc与Vc表示，高净空下接触网T形螺栓受力分析如下。

沿槽道方向的剪切力为

Ft=Fx/4

(1)

沿线路方向的剪切力为

Fp=Sc/2=0.5×((Fy×Hf)/Hy)

(2)

螺栓所受轴向力为

Fn=Fz/4+Vc/2=

Fz/4+((Sc×Hy)/Hx)×0.5

(3)

将图4中数值代入式(1)～式 (3)后可得高净空下接触网T形螺栓受力，见表2。

表2 高净空下接触网螺栓受力汇总 kN

在实际运营过程中，接触网与受电弓反复摩擦，连接接触网的预埋槽道与T形螺栓也承受重复荷载作用，根据TBT 2073—2010《电气化铁路接触网零部件技术条件》[16]的要求，需考虑3倍安全系数，即槽道螺栓单点实际可承受的荷载需达到24 kN。

2.2 疏散平台在槽道中的安装方式

盾构区间疏散平台设置于行车方向左侧，采用5个T形螺栓固定于槽道上，同时设置斜撑，保证整体支架的可靠性。安装方式及荷载见图5。

图5 疏散平台在槽道中的安装方式

疏散平台所承受的恒载为自重gk，活载为人群活载q1k、F1k及活塞风荷载qwk，其中，q1k、F1k、qwk不同时考虑。计算时疏散平台宽度b按1.0 m考虑。经分析，活载F1k对螺栓产生的弯矩不利、活载q1k对螺栓产生的剪力不利。

最不利荷载组合下弯矩设计值为

M=1.2Mgk+1.4MF1k=

1.2×0.5×gk×b2+1.4×F1k×b

(4)

最不利荷载组合下剪力设计值为

V=1.2Vgk+1.4Vq1k=

1.2×gk×b×cos20°+1.4×q1k×b×cos20°

(5)

每个螺栓所受的沿槽道方向的剪切力为

(6)

从图5可知，螺栓A所受拉力最大，其值为

(7)

同理可求螺栓B～螺栓E的拉力值。经汇总，疏散平台T形螺栓受力见表3。

表3 疏散平台螺栓受力汇总 kN

2.3 35 kV环网电缆在槽道中的安装方式

盾构区间环网电缆敷位于疏散平台下方，电缆支架采用2个T形螺栓固定于槽道上，见图6。

图6 环网电缆在槽道中的安装方式

环网电缆荷载主要为支架及其附件自重。通过计算，环网电缆T形螺栓受力汇总见表4。

表4 环网电缆螺栓受力汇总 kN

根据GB50157—2013《地铁设计规范》[17]15.4.3条文要求，35 kV电缆与控制电缆混敷时的支架水平最大跨距为0.8 m，而预埋槽道跨距为1.2 m甚至1.5 m，但考虑35 kV环网电缆设有金属铠装、可承受其自重，故环网电缆安装时不采取额外的措施。

2.4 其他设备管线的安装方式

除上述接触网、疏散平台、35 kV环网电缆等设备与管线外，区间内其他的设备与管线还包括：弱电电缆、通信信号壁挂设备、消防水管等，其安装方式如下所述。

(1)弱电电缆。区间内采用5层托架对弱电电缆进行固定，托架间距与槽道间距相同，托架通过3个T形螺栓与槽道进行固定。

(2)通信信号壁挂设备。壁挂设备包括无线光纤直放站远端机、RRU、AP箱、信号机等。在管片预埋槽道的固定方式为：相邻槽道间安装2根横梁，设备固定在横梁上，即单根槽道需通过2个T形螺栓分别固定2根横梁。

(3)消防水管。消防水管通过圆钢管卡固定在与钢板连接的角钢之上，而钢板需要通过3个T形螺栓与预埋槽道固定。

各管线安装后，预埋槽道中T形螺栓受力汇总如表5所示，表中仅列出受力最大的螺栓。

通过比较可发现，区间各设备与管线完成安装后，标准净空下接触网安装后盾构管片预埋槽道T形螺栓受力最大，轴向力为7.667 kN。

表5 弱电电缆等螺栓受力汇总 kN

表1、表4、表5中螺栓受力源于《厦门市轨道交通工程盾构区间预埋槽道专题研究报告》[18]，本文所描述的管线及设备的安装方式及其受力计算、T形螺栓工作荷载等已通过专家评审，目前已在厦门市轨道交通3、4号线工程推广应用。

3 现场试验

国内不少学者[19-20]对地面建筑工程中预埋式槽型锚轨的抗拔及抗剪性能做过试验研究，但较少涉及城市轨道交通中盾构管片预埋槽道的受力性能研究。试验在三环拼装完成的内径5.5 m管片上进行，为准确模拟槽道的受力状态，现场试验方法及步骤参照《电气化铁路接触网隧道内预埋槽道》[21]的相关要求。拉拔、沿槽轴向剪切和垂直槽轴向剪切时，其工作荷载8 kN，加载至24 kN(3倍工作荷载)的静态荷载下，观察槽道本体是否发生屈服变形和功能性失效破坏及槽道周边混凝土是否开裂破坏(注：本文中首次试验时使用的槽道材质为Q235型钢)。

3.1 拉拔试验

加载点位于槽道螺栓处，拉拔荷载施加至11.2 kN(1.4倍工作荷载)时，槽道平均位移为0.62 mm，混凝土表面开裂时平均拉拔荷载为23.13 kN，对应的槽道平均位移为1.84 mm。

加载点位于槽道两螺栓之间，拉拔荷载施加至11.2 kN时，槽道平均位移为0.61 mm，混凝土表面出现开裂时平均拉拔荷载为21.33 kN，对应的槽道平均位移为1.88 mm，如图7所示。

图7 拉拔力与槽道位移关系曲线

根据试验情况分析，在拉拔状态下加载至22 kN时，管片表面混凝土发生开裂，未能满足3倍工作荷载时槽道周边混凝土不产生开裂破坏的要求。经分析该情况产生的原因是槽道发生过大变形，引起管片表层混凝土应变过大以致开裂，因此增大槽道强度，可改善管片表层混凝土开裂问题。当槽道钢材材质由Q235调整为Q345B时，经后续试验验证，槽道拉拔荷载加载至24 kN(3倍工作荷载)时管片混凝土未发生开裂。当拉拔荷载加至57 kN时，螺栓发生断裂，此时槽道发生轻微变形、混凝土管片出现微裂缝。

3.2 剪切试验

剪切荷载施加至11.2 kN(1.4倍工作荷载)时，槽道平均位移为0.66 mm；剪切荷载施加至24 kN时，槽道平均位移为1.69 mm，槽道及混凝土完好、未产生开裂现象，荷载与槽道位移关系如图8所示。

图8 剪切力与槽道位移关系曲线

4 结论与建议

(1)本文首先参考有关的团体及地方标准，提出槽道螺栓的工作荷载为：各方向均不得大于8 kN。其次通过合理的安装方式，明确了盾构区间内管线及设备(包含：接触网、疏散平台、环网电缆、弱电电缆、通信信号壁挂设备、通信漏缆、消防水管等)在预埋槽道上安装后其对应的螺栓受力，其中接触网荷载最大(为7.667 kN)、满足提出的螺栓工作荷载限值要求，同时通过增设吊柱及斜撑，在大直径管片(直径6 m及以上)内安装接触网时，可有效解决车辆运行时接触网的稳定及槽道内螺栓的受力问题。

(2)因接触网承受反复动荷载，要求螺栓需要能够承受3倍工作荷载，通过现场1∶1试验，表明槽道采用Q345B型钢、各方向工作荷载施加至24 kN(即3倍工作荷载)时，槽道周边混凝土未产生开裂破坏，槽道本体未产生明显的屈服变形和功能性失效破坏。

本文所述T形螺栓工作荷载及设备与管线的安装方式等已通过专家评审并已应用于实际工程中，可作为今后类似工程使用的依据。