管片預(yù)埋滑槽在深圳地鐵9號(hào)線的應(yīng)用

曾　斌

(深圳市地鐵三號(hào)線運(yùn)營分公司　廣東深圳　518172)

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管片預(yù)埋滑槽在深圳地鐵9號(hào)線的應(yīng)用

曾斌

(深圳市地鐵三號(hào)線運(yùn)營分公司廣東深圳518172)

管片預(yù)埋滑槽作為一項(xiàng)新型技術(shù)，在深圳市地鐵9號(hào)線全線引入和應(yīng)用，替代傳統(tǒng)預(yù)埋工藝，為盾構(gòu)區(qū)間隧道內(nèi)設(shè)備及管線提供安裝基礎(chǔ)。介紹管片預(yù)埋滑槽技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和特性，利用Abaqus 6.10程序仿真驗(yàn)證盾構(gòu)管片滿足載荷要求。在動(dòng)態(tài)與靜態(tài)兩種工況下，對剛性懸掛接觸網(wǎng)、疏散平臺(tái)及管道等載荷進(jìn)行受力分析，得出預(yù)埋滑槽滿足其受力要求；計(jì)算預(yù)埋滑槽和T型螺栓的承載力，證實(shí)預(yù)埋滑槽滿足安裝受力要求。

預(yù)埋滑槽；盾構(gòu)；承載力；深圳地鐵9號(hào)線

1　預(yù)埋滑槽的應(yīng)用

深圳市地鐵9號(hào)線(簡稱“深9線”)是深圳市在建的城市軌道交通三期工程之一，穿越深圳市羅湖、福田、南山3個(gè)中心區(qū)域，全線設(shè)有22座地下車站，線路長約25.38 km，計(jì)劃在2016年底開通試運(yùn)營。深9線西延線已完成工可研，該段均在南山區(qū)，設(shè)有10座車站，線路長約10.8 km。深9線全線引入預(yù)埋滑槽技術(shù)，這在中國城市軌道交通領(lǐng)域內(nèi)是第一次引入、設(shè)計(jì)和應(yīng)用該項(xiàng)新技術(shù)。

預(yù)埋滑槽也稱哈芬卡軌或哈芬槽，其解決方案發(fā)源于德國，距今有100年的歷史。最初廣泛應(yīng)用于歐洲各國，例如德國、比利時(shí)、盧森堡、意大利、瑞 士、荷蘭以及奧地利等國的隧道，由于預(yù)埋滑槽具 有非常高的防腐能力、優(yōu)秀的動(dòng)載荷能力、安裝與維修方便、高質(zhì)量、高可靠性等特點(diǎn)，產(chǎn)品在歐美等發(fā)達(dá)國家的各項(xiàng)隧道工程中得到良好應(yīng)用，只要是鐵路隧道需要安裝接觸網(wǎng)，都會(huì)考慮安裝預(yù)埋滑槽。哈芬熱軋槽鋼產(chǎn)品也被推廣到亞洲各地，如韓國的首爾—釜山鐵路隧道、新加坡的地鐵環(huán)線、中國臺(tái)灣的臺(tái)北—高雄高速鐵路線以及香港的雙行車隧道—高速公路5號(hào)線。目前，哈芬產(chǎn)品在中國大陸也已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到道路隧道的建設(shè)，如石家莊—太原、鄭州—西安、武漢—廣州、合肥—武漢、哈爾濱—大連，特別是被中國第一條真正意義上的高速鐵路——京滬高鐵大規(guī)模全線應(yīng)用[1-2]。

2　管片預(yù)埋滑槽的優(yōu)點(diǎn)和特性

圖1　設(shè)備及管線安裝實(shí)際效果

管片預(yù)埋滑槽可作為安裝區(qū)間隧道內(nèi)的所有設(shè)備及管線的安裝基礎(chǔ)，如圖1所示。其應(yīng)用優(yōu)勢主要有以下幾點(diǎn)：1)避免在盾構(gòu)管片上鉆孔，保存了其結(jié)構(gòu)的完整性，不損壞鋼筋；2)火災(zāi)高溫時(shí)承載變化小，耐火等級高，可用于具有防火要求的構(gòu)件內(nèi)；3)可在混凝土受壓區(qū)和受拉區(qū)使用；4)整體受力，不是單點(diǎn)受力，且受力均勻，可承受動(dòng)態(tài)的疲勞載荷；5)安裝工具和安裝工藝簡單，安裝固定螺栓及螺母統(tǒng)一，易于標(biāo) 準(zhǔn) 流 程化作業(yè)；6)可保證隧道內(nèi)設(shè)備的安裝精度，環(huán)向調(diào)整方便。

管片預(yù)埋滑槽在設(shè)計(jì)時(shí)，專門對其抗疲勞特性、抗拉力特性、抗腐蝕特性、抗沖擊特性及耐火特性提出了具體要求。

3　管片預(yù)埋滑槽對盾構(gòu)管片的影響

應(yīng)用于深9線的預(yù)埋式槽道間距1.5 m，在澆筑盾構(gòu)管片成品前，已提前預(yù)埋，如圖2所示。

圖2　盾構(gòu)管片中的預(yù)埋滑槽

湖南某大學(xué)利用Abaqus 6.10有限元計(jì)算程序，采用非線性計(jì)算方法，對深9線梅景站—下梅林盾構(gòu)區(qū)間管片進(jìn)行仿真模擬分析[3-5]。計(jì)算內(nèi)容主要包括以下幾項(xiàng)：受荷載狀態(tài)下隧道管片變形計(jì)算；隧道管片開槽處混凝土應(yīng)力計(jì)算以及裂縫寬度復(fù)核；隧道管片未開槽處混凝土應(yīng)力計(jì)算；隧道管片鋼筋應(yīng)力計(jì)算。

根據(jù)對有限元仿真模擬，在驗(yàn)算荷載作用下，通過對深9線梅景站—下梅林區(qū)間隧道開槽管片進(jìn)行計(jì)算復(fù)核，在管片上如設(shè)計(jì)資料形式進(jìn)行開槽，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(yàn)算荷載要求。

4　預(yù)埋滑槽的承載力分析

4.1剛性懸掛接觸網(wǎng)受力分析

在安裝接觸網(wǎng)及運(yùn)行時(shí)，預(yù)埋滑槽處所受到的靜態(tài)力和動(dòng)態(tài)力兩種力，主要為接觸網(wǎng)壓力、受電弓與接觸網(wǎng)的滑動(dòng)摩擦力和振動(dòng)荷載。

在接觸網(wǎng)靜態(tài)工作狀態(tài)下，滑槽壁受到2種壓力，即沿管片徑向的壓力和沿滑槽面切線方向的壓力。按照接觸網(wǎng)安裝設(shè)計(jì)核算，接觸網(wǎng)自重單點(diǎn)約為5 kN，小于設(shè)計(jì)荷載11.2 kN，滿足接觸網(wǎng)安裝受力要求。

在接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)工作狀態(tài)下，受電弓與接觸網(wǎng)工作時(shí)，接觸網(wǎng)會(huì)發(fā)生彈性振動(dòng)產(chǎn)生振動(dòng)荷載，滑槽壁會(huì)受到多個(gè)存在于各個(gè)方向上的壓力。依據(jù)深圳地鐵二期工程經(jīng)驗(yàn)，列車對受電弓的振動(dòng)荷載約為(120±20)N，振動(dòng)合力為(5 120±20)N，小于設(shè)計(jì)荷載11.2 kN，滿足接觸網(wǎng)安裝受力要求。

滑槽壁還會(huì)受到受電弓與接觸網(wǎng)滑動(dòng)時(shí)的滑動(dòng)摩擦力作用，方向?yàn)槠叫杏诰€路方向。按設(shè)計(jì)給出的弓網(wǎng)振動(dòng)荷載，即使全部作用在平行于線路方向(即滑動(dòng)摩擦力最大)，由于fmax=140 N，小于設(shè)計(jì)荷載11.2 kN，故預(yù)埋滑槽在接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)狀態(tài)下亦滿足受力要求。

4.2疏散平臺(tái)、管道等荷載受力分析

按深9線槽道間距1.5 m計(jì)算，槽道任何方向的額定拉力為11.2 kN，即預(yù)埋滑槽最大荷載至少為11.2/1.5=7.47 kN/m，額定承受質(zhì)量約為762 kg/m。

對深圳地鐵進(jìn)行水平環(huán)堆載試驗(yàn)，區(qū)間疏散平臺(tái)堆積重物至350 kg/m2，管道增重至200 kg/m，35 kV鎧裝電纜為22.55 kg/m，均小于預(yù)埋滑槽762 kg/m的承載能力。因此從設(shè)計(jì)角度而言，預(yù)埋滑槽滿足區(qū)間疏散平臺(tái)、各類管道及電纜敷設(shè)的受力要求。

5　固定配套螺栓要求

固定螺栓為T型螺栓，采用Q235A鋼材。

1) 固定螺栓的抗疲勞性與剛性。每個(gè)連接螺栓的位置沿管片徑向拉壓承載力不小于10 kN，沿管片切向承載力不小于8 kN。預(yù)埋滑槽及連接螺栓必須滿足一定的剛性要求，在拉、壓承載力作用下，其變形要求不超過1.0 mm，在切向荷載作用下變形也不超過1.0 mm。

2) 固定螺栓的耐火性能。預(yù)埋滑槽與構(gòu)件采用專用配套T型螺栓連接，T型螺栓需具備專業(yè)認(rèn)證報(bào)告，在90 min耐候時(shí)間下，單點(diǎn)承載拉力1.8 kN。

圖3　齒牙構(gòu)造防滑措施

3) 固定螺栓的防滑性能。一是預(yù)埋滑槽與配套連接T型螺栓具有齒牙構(gòu)造，確保機(jī)械咬合性能，縱向傳遞荷載，防止力點(diǎn)滑移，見圖3。二是墊片采用雙碟鎖緊墊片，其獨(dú)特墊圈的內(nèi)側(cè)斜齒面傾斜角度α大于螺栓螺紋傾斜角度β。裝配時(shí)內(nèi)側(cè)斜齒面是相對的，墊圈外側(cè)放射狀的凸紋面的摩擦系數(shù)要比內(nèi)側(cè)斜齒面的摩擦系數(shù)大，且與兩端接觸面成咬合狀態(tài)。當(dāng)連接件受到振動(dòng)，并使螺栓發(fā)生松動(dòng)趨勢時(shí)，僅僅允許兩片墊圈內(nèi)側(cè)斜齒間相對錯(cuò)動(dòng)，產(chǎn)生抬升張力。獨(dú)特的齒牙系統(tǒng)利用張力在緊固的連接處產(chǎn)生一個(gè)很高的抵抗力來經(jīng)受振動(dòng)力，從而達(dá)到100%的防松效果。

4) 固定螺栓承受荷載分析。剛性懸掛接觸網(wǎng)無論是在靜態(tài)工作狀態(tài)還是動(dòng)態(tài)工作狀態(tài)下，其壓力合力、振動(dòng)合力、水平摩擦力均小于8 kN。單根固定螺栓承受荷載為8/1.5=5.33 kN/m，額定承受質(zhì)量約為543 kg/m。根據(jù)本文4.2節(jié)的水平環(huán)堆載試驗(yàn)驗(yàn)證，固定螺栓完全滿足承受荷載要求。

6　運(yùn)營中可能面臨的問題

1) 當(dāng)在預(yù)埋滑槽內(nèi)安裝了設(shè)備或管線后，其中的填充物會(huì)被大面積去掉，遇有交叉施工或長時(shí)間運(yùn)營后，易出現(xiàn)預(yù)埋滑槽被灰塵、水泥漿及其他雜物污染或固化，損壞連接齒牙構(gòu)造，削弱其防滑能力，甚至可能失去安裝功效。

2) 預(yù)埋滑槽局部由于設(shè)備、管線及其他原因，需要經(jīng)常拆換固定T型螺栓，導(dǎo)致連接齒牙損壞，削弱安裝穩(wěn)定性，甚至可能失去安裝功效，出現(xiàn)杠桿效應(yīng)，引發(fā)相鄰預(yù)埋滑槽損壞的多骨米諾連鎖反應(yīng)。

3) 盾構(gòu)管片混凝土塊脫落，影響預(yù)埋滑槽的固定[6]。

4) 預(yù)埋滑槽的錨筋與盾構(gòu)管片的鋼筋可能存在違反設(shè)計(jì)不得連接的要求，長期運(yùn)營則不可避免地受到來自雜散電流的電腐蝕作用[7]。

5) 隧道結(jié)構(gòu)及設(shè)備管線自身的熱脹冷縮，對預(yù)埋滑槽及配套連接螺栓的承受荷載能力的影響，導(dǎo)致預(yù)埋滑槽受損，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致其安裝功能失效。

6) 緊急疏散時(shí)，逃生人員的擁擠跑動(dòng)對預(yù)埋滑槽造成的沖擊力遠(yuǎn)大于本身重力，對預(yù)埋滑槽的承載力是否滿足設(shè)計(jì)受力要求存在不可預(yù)知的風(fēng)險(xiǎn)。

7　結(jié)語

鑒于深9線全線采納的預(yù)埋滑槽在國內(nèi)城市軌道交通領(lǐng)域內(nèi)是首次引入和應(yīng)用的新型技術(shù)，在預(yù)埋滑槽的質(zhì)量、施工、驗(yàn)收和運(yùn)營維護(hù)方面沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗(yàn)借鑒和比較，筆者通過對預(yù)埋滑槽及其固 定 螺 栓 的 特性進(jìn)行詳細(xì)剖析后，提出以下建議。

1) 根據(jù)中國廣播網(wǎng)和重慶日報(bào)所報(bào)道的滬昆高鐵預(yù)埋滑槽質(zhì)量問題，需引起高度重視。預(yù)埋滑槽及其固定T型螺栓必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)規(guī)定的要求，提供完整的防腐測試、耐火測試、疲勞測試、拉 力 測 試 等 第三方鑒定報(bào)告。

2) 工程建設(shè)施工過程中，必須對預(yù)埋滑槽道采取有效的保護(hù)措施，不得破壞預(yù)埋滑槽的保護(hù)填充物。建議設(shè)計(jì)單位考慮設(shè)計(jì)拔插方便的槽道保護(hù)套，不僅有利于在工程建設(shè)階段對預(yù)埋滑槽道進(jìn)行有效保護(hù)，也有利于在線路投入運(yùn)營后對預(yù)埋滑槽道進(jìn)行有效保護(hù)。

3) 要求盾構(gòu)管片生產(chǎn)商或監(jiān)理提供完整的預(yù)埋滑槽道隱蔽工程記錄，確保完全滿足設(shè)計(jì)提出的避免迷流電腐蝕的要求。

4) 統(tǒng)一對預(yù)埋滑槽進(jìn)行編號(hào)，并增設(shè)編碼牌。編碼牌的安裝高度既要方便維修人員查看，又不影響司機(jī)行車，編碼牌的材質(zhì)要滿足安裝環(huán)境的防腐和耐用要求。這將有利于日后運(yùn)營管理者對預(yù)埋滑槽及安裝的設(shè)備和管線進(jìn)行維護(hù)和管理。

[1] 馬金芳，于龍.我國地鐵接觸網(wǎng)檢測現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].都市快軌交通，2013，26(2)：26-29.

[2] 于萬聚.高速電氣化鐵路接觸網(wǎng)[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2003.

[3] 曾東洋，何川.地鐵盾構(gòu)隧道管片接頭抗彎剛度的數(shù)值計(jì)算[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2004,39(6)：744-748.

[4] 羅積騰.某幕墻工程施工過程質(zhì)量控制[J].施工技術(shù)，2012(4)：54-55.

[5] 李宇杰，何平，秦東平.地鐵盾構(gòu)隧道管片受力分析[J].土木工程學(xué)報(bào)，2011(52)：131-134.

[6] 陳曉燕.地鐵盾構(gòu)區(qū)間上方深基坑開挖對隧道的影響分析[J].都市快軌交通，2013，26(2)：84-87.

[7] 李威.地鐵雜散電流腐蝕監(jiān)測及防護(hù)技術(shù)[M].北京：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2004.

(編輯：王艷菊)

Application and Analysis of Pre buried Groove in Shenzhen Metro Line 9

Zeng Bin

(Shenzhen Metro No.3 Operating Co., Ltd., Shenzhen Guangdong 518172)

Pre-buried groove is a new technology. It was introduced and applied to Shenzhen Metro Line 9 replacing traditional embedded technology. It served as the installation base for devices and pipelines in the tunnel of metro lines. The characteristics and advantages of the technology were introduced. The pre-buried groove influencing on shield segments was simulated and analyzed by Abaqus 6.10 program. The simulation results proved the bearing capacity of pre-buried groove and fixed bolt under dynamic and static working conditions. The stress analysis of rigid suspension catenary evacuation platform and pipes were carried out, the results showed that pre-buried groove could satisfy the force requirements. The load capacity of pre-buried groove and T bolt bearing capacity were calculated. It is verified that pre-buried groove satisfies the requirement of installation stress.

pre-buried; groove; characteristics; shield; bearing capacity; Shenzhen Metro Line 9

10.3969/j.issn.1672-6073.2015.01.026

2014-09-03

2014-09-19

曾斌，男，碩士，工程師，從事電氣工程及自動(dòng)化研究，404752811@qq.com

U457

A

1672-6073(2015)01-0114-03