地铁盾构隧道管片预埋槽道力学性能研究

前言

       传统隧道内安装机电设备及管线等采用打孔、化学锚栓及支吊架组合的方式，存在施工效率低、施工环境差、对管片结构损伤大等缺点。隧道内预埋槽道技术早期应用于欧洲铁路，现在德国、法国等国家的高速铁路已有成熟的运营经验。随着国内高速铁路的快速发展，预埋槽道技术引入中国，并推广至各高速铁路建设项目。与原有的后置锚栓方案相比，预埋槽道技术具有绿色环保、高效可靠、对隧道无损、安装成本低等优点。国内对隧道内预埋槽道技术也进行了相关研究。刘长利[2]等分析了槽道式基础的结构特征及技术优势，通过调研并参考国外成功经验，提出了四种固定方案及施工允许偏差。刘卡丁[3]对地铁隧道设备安装进行了调研，说明人工钻孔带来的危害，提出全面推广预埋件技术。李智明[4]系统地介绍了预埋槽道技术，阐述了其客观优势，并分析了预埋槽道的抗拉和抗剪受力机理，为预埋槽道方案在高铁隧道中的应用提供了参考。马晓波[5]从材质、加工工艺、防腐要求等方面介绍了兰州地铁应用预埋滑槽的分析和探索。杜峰[6]介绍了深圳地铁9号线应用预埋滑槽的设计及试验情况。上述研究都提出可在城市轨道交通盾构隧道管片上应用预埋滑槽技术。 本文通过对预装在盾构隧道管片上的预埋槽道进行抗拉拔、抗剪、抗弯能力评估，检测预埋槽道质量，为预埋槽道在城市轨道管线及设备安装中的应用提供参考。

 1 概况 

 1.1 试验内容 

       试验用管片性能指标为：抗压强度设计等级C55，抗渗等级P10。 管片内预埋滑槽钢材加工要求采用热轧形式，材质要求采用Q345B钢，槽道截面为带齿C形截面，槽宽29mm，槽高20mm，热锚固锚腿长60m）。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115mm，两端距管片纵缝端为80mm，槽口与管片内弧面留有3mm高差，并与钢筋笼有效隔离，避免杂散电流对预埋槽道的腐蚀。 试验试件采用直线环标准块管片，上海地铁管片为通缝拼装管片，外径6.2m、内径5.5m、环宽1.2m、厚度0.35m。管片及预埋槽道固定安装示意图 试验内容为对预装在盾构隧道管片上的预埋槽道进行抗拉拔、抗剪、抗弯能力评估，其中抗剪及抗弯试验包括沿槽道及垂直于槽道两个方向。

 1.2 试验工况 

       预埋槽道抗拉拔试验主要是检测标准块上预装预埋槽道的抗拉拔能力，试件加载至破坏。 预埋槽道抗剪试验主要是检测标准块上预装预埋槽道的抗剪能力，包括沿槽道及垂直于槽道两个方向，试件加载至破坏。 预埋槽道抗弯试验主要是检测标准块上预装预埋槽道的抗弯能力，包括沿槽道及垂直于槽道两个方向。沿槽道方向抗弯试验模拟在走道板人行荷载下槽道的承载能力，通过在悬臂梁自由端及固定端加砝码的方式进行加载；垂直于槽道方向抗弯试验模拟在接触网悬挂系统荷载下槽道的承载能力，通过在支架上加砝码的方式进行加载，对悬挂系统采用一根锚栓的情况进行试验，试件加载至破坏。

1.3 试验场地及加载系统

       预埋槽道抗拔、抗剪试验采用穿心式张拉千斤顶进行加载，预埋槽道抗弯试验采用悬臂梁加砝码的方式进行加载（如图1）。

1.4 荷载设计

荷载设计主要是确定各试验工况的加卸载荷载大小等级。设计时参考GB50152《混凝土结构试验方法标准》的规定进行静载试验，按设计最大试验荷载进行加载不分级。 当构件达到破坏状态时立即终止试验。破坏状态标准为受压区混凝土压碎、螺栓应力达到屈服强度或者受拉区混凝土裂缝宽度超过2mm。预埋槽道性能试验按荷载设计逐级施加荷载，当加载至设计荷载时，观察槽道及管片情况，之后加载至破坏为止。

2 试验过程及破坏形态

2.1 预埋槽道抗拉拔试验 

      按荷载设计逐级施加荷载，当加载至设计荷载时，预埋槽道无明显现象；加载到34.5kN时滑槽周边混凝土破坏，滑槽变形，无法继续加载。图2为达到破坏状态时预埋槽道破坏情况。

2.2 预埋槽道抗剪试验

       按荷载设计逐级施加荷载，当加载至设计荷载时，预埋槽道无明显现象；沿槽道方向加载到27kN时，锚固件滑移，滑槽变形，无法继续加载；垂直于槽道方向加载至30kN时锚固件出现约2mm的滑移，加载至40kN时，锚固件滑移，滑槽变形，无法继续加载。下图为达到破坏状态时预埋槽道破坏情况。

 a）沿槽道方向

b）垂直于槽道方向

2.3 预埋槽道抗弯试验

       试验加载过程中，试件在达到设计荷载2.88kN时均无明显现象；试验最大加载至7.78kN，约为设计荷载的2.7倍，最大荷载下悬臂梁出现一定的倾斜，螺栓锚固的钢板与管片间存在缝隙，槽道周边混凝土剥离，螺栓及槽道内仍无明显变化。下图为预埋槽道抗弯加载情况。

预埋槽道抗弯加载情况

3 结果分析

       根据试验结果，预埋槽道抗拔、抗剪、抗弯试验在设计荷载下均未发生滑槽周边混凝土破坏情况或滑槽变形，且破坏极限荷载均达到设计值的2～3倍，具有一定的安全储备。预埋槽道测试结果评定见表2。 结论 通过对预装在盾构隧道管片上的预埋槽道进行抗拉拔、抗剪、抗弯能力试验，来检测预埋槽道质量。检测结果表明，隧道管片内预埋槽道在抗拉拔、抗剪、抗弯性能上均能达到设计要求，并具有2~3倍的安全系数，前文中明确型号规格的预埋槽道可以满足上海地铁隧道机电系统安装要求。预埋槽道以其良好的技术优势，可很好地取代后置锚栓技术应用于盾构隧道管片内，值得进行推广使用。下图为上海已应用预埋槽道的隧道及机电系统安装情况。

已应用预埋槽的隧道及系统安装照片

应用预埋槽安装技术，明显改善了机电系统安装时的施工环境，提高了机电系统安装施工效率，基本对隧道结构零损伤，延长了结构使用寿命。但由于预埋槽道在国内应用时间较短，在证明预埋槽道力学性能满足设计及安装要求的前提下，需要进一步深入研究预埋槽道在混凝土管片中的防腐蚀措施及耐疲劳性能。