預(yù)留預(yù)埋技術(shù)在城軌工程中的探索與應(yīng)用

■ 劉永祥

目前我國城市軌道交通工程機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)的安裝固定，需在鋼筋混凝土中鉆打膨脹螺栓或鉆孔植筋，此類固定方式不僅對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，也對結(jié)構(gòu)安全性和耐久性產(chǎn)生巨大影響。工程實(shí)施期間安裝效率低下，現(xiàn)場噪聲大、粉塵大，現(xiàn)場管理與安裝安全均存在隱患，預(yù)留預(yù)埋技術(shù)可有效解決機(jī)電安裝固定與混凝土結(jié)構(gòu)耐久性之間的矛盾。

1 技術(shù)分類及性能研究

1.1 技術(shù)分類

預(yù)留預(yù)埋技術(shù)大致可分為2類：預(yù)埋尼龍?zhí)坠埽ㄒ妶D1）和預(yù)埋滑槽（見圖2）[1]。預(yù)埋尼龍?zhí)坠苁菍⒛猃埜叻肿硬牧现瞥傻奶坠軡仓诙軜?gòu)管片或現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)，定位工藝要求高、工效較低（每環(huán)管片中尼龍?zhí)坠馨?°圓心角徑向均勻布置）。預(yù)埋滑槽是在混凝土結(jié)構(gòu)中預(yù)埋壓軋成型的C型槽鋼，其特點(diǎn)是預(yù)埋及定位快捷方便、準(zhǔn)確、結(jié)構(gòu)受力好、可調(diào)節(jié)性好、管片預(yù)制方便。

1.2 性能研究

尼龍?zhí)坠軆r(jià)格低，但定位不便；滑槽雖解決了尼龍?zhí)坠芏ㄎ徊环奖愕膯栴}，但其造價(jià)較高。對預(yù)埋尼龍?zhí)坠芘c預(yù)埋滑槽2種方案從施工精度、工期影響等性能方面進(jìn)行比較分析（見表1）。分析可知，若城市軌道交通工程全面采用預(yù)埋尼龍?zhí)坠芗夹g(shù)，其預(yù)埋工作量大，對工程實(shí)施工藝要求較高，對工期影響巨大，可適用于局部滑槽應(yīng)用困難的地段，如接觸軌的安裝提供固定點(diǎn)等（見圖3）；大范圍解決預(yù)留預(yù)埋技術(shù)，則應(yīng)以預(yù)埋滑槽最為適宜。

圖1 預(yù)埋尼龍?zhí)坠?

圖2 預(yù)埋滑槽

表1 預(yù)埋尼龍?zhí)坠芎皖A(yù)埋滑槽技術(shù)比較

圖3 尼龍?zhí)坠苡糜诮佑|軌安裝

2 預(yù)埋滑槽技術(shù)

2.1 明挖車站各區(qū)滑槽布置

車站站廳層公共區(qū)管線集中在側(cè)墻附近，呈縱向布置，據(jù)此可在側(cè)墻附近管線廊道上預(yù)埋橫向間距分別為400、1 000 mm的3條滑槽，槽長200 mm，縱向間距1．5 m（見圖4）。

站臺層公共區(qū)管線主要布置在屏蔽門與樓扶梯之間，結(jié)合綜合式吊架在屏蔽門邊和扶梯孔邊布置2排滑槽，縱向間距1．5 m，滑槽長200 mm（見圖5）。

站廳和站臺公共區(qū)的一般位置主要為吊頂，可設(shè)置棋盤式布置預(yù)埋滑槽，與車站橫軸線平行陣列布置，滑槽間距1 000 mm×1 000 mm，槽長150 mm。

車站軌行區(qū)可沿隧道方向每6 000 mm布置1個(gè)斷面，每斷面處布設(shè)2組滑槽，2組滑槽左右布置于隧道中心線兩側(cè)接觸網(wǎng)固定點(diǎn)，每組2根，沿隧道縱向布置，間距150 mm，每根滑槽長500 mm。

除頂部固定接觸網(wǎng)的預(yù)埋滑槽外，其余部位每延米預(yù)埋1排滑槽，每排滑槽分9段（包括站臺板下部位），每段長300 mm。

設(shè)備區(qū)通道通常采用綜合式支吊架，在走道兩邊沿縱向每邊各預(yù)埋1排滑槽，滑槽縱向間距1 500 mm，長200 mm，布置方式同站臺層屏蔽門與扶梯孔邊的滑槽預(yù)埋方式。設(shè)備管理用房一般都布置有風(fēng)管、消防管、電纜等管線，各設(shè)備用房也有部分管線，管線布置缺少規(guī)律，按棋盤式布置滑槽，間距1 000 mm×1 000 mm，滑槽長150 mm，平行車站橫軸方向布置。

2.2 區(qū)間預(yù)埋滑槽

根據(jù)城市軌道交通項(xiàng)目區(qū)間設(shè)備的布置規(guī)律，明挖區(qū)間上的滑槽可分6段布置；礦山法區(qū)間上的滑槽可分6段布置，模板臺車上滑槽的固定方式通常是將滑槽固定在可裝卸式的模板塊上。盾構(gòu)區(qū)間通用環(huán)可采用全環(huán)布置（見圖6），滑槽布置于吊裝孔一側(cè)。高架區(qū)間強(qiáng)弱電支架預(yù)埋滑槽通常布置于U梁兩邊側(cè)翼緣板，環(huán)向布置，可每側(cè)通用1根，也可每側(cè)上下相距0．5 m各預(yù)埋1根，每根槽長約0．5 m。

圖4 站廳層公共區(qū)側(cè)墻

圖5 站臺層公共區(qū)布置圖

圖6 預(yù)埋滑槽管片展開圖

3 有限元分析

為確?；墼诟鞣N荷載作用下的安全與穩(wěn)定，在初步確定滑槽型號后，對滑槽本身和安裝后混凝土結(jié)構(gòu)的受力性能進(jìn)行有限元分析。

3.1 滑槽受力

根據(jù)管片周邊所有設(shè)備和管線最大荷載情況分析，在預(yù)埋滑槽上單個(gè)螺栓固定點(diǎn)沿管片徑向承載力設(shè)計(jì)值為10 kN，沿管片切向和縱向承載力設(shè)計(jì)值為8 kN，滑槽后錨栓間距不得大于200 mm。據(jù)此對預(yù)埋在混凝土結(jié)構(gòu)中的滑槽受力情況進(jìn)行分析，取1 m長的滑槽進(jìn)行計(jì)算分析（見圖7）。研究表明，滑槽在單個(gè)螺栓位置承載力滿足設(shè)計(jì)要求，滑槽處在彈性受力階段。

3.2 對盾構(gòu)管片受力影響

以一個(gè)典型區(qū)間斷面進(jìn)行管片預(yù)埋滑槽和不預(yù)埋滑槽對比分析，地面超載取20 kPa，上覆土厚根據(jù)TB 10003—2005《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算。開槽計(jì)算模型見圖8。通過對比分析，隧道管片在荷載作用下的變形約0．03%，未超過整體變形的0．05%；開槽后開槽位置混凝土應(yīng)力略增加，不超過8%；開槽后，開槽位置的最大主拉應(yīng)力明顯低于該處原混凝土開裂容許應(yīng)力，最大主拉應(yīng)力變化不超過10%；鋼筋拉應(yīng)力明顯低于屈服應(yīng)力，前后鋼筋應(yīng)力變化不超過2%，在設(shè)置滑槽后裂縫寬度滿足規(guī)范要求（見圖9）。

圖7 滑槽有限元分析

圖9 管片應(yīng)力云圖

4 滑槽選型及相關(guān)技術(shù)要求

4.1 滑槽選型

根據(jù)管片上擬安裝的所有設(shè)備和管線荷載分析后，選擇既能滿足管線和設(shè)備安裝技術(shù)需求，且安裝方式靈活、可調(diào)節(jié)、施工方便的槽型。該滑槽槽型主要結(jié)構(gòu)尺寸包括：一次熱軋成型的截面帶齒C型槽道，搭配T型螺栓使用。T型螺栓可沿槽道方向自由調(diào)整位置（見圖10）。滑槽材質(zhì)可采用力學(xué)性能優(yōu)于Q235、Q354等鋼材的材料。槽道高不小于20．0 mm，寬不小于28．0 mm，壁厚不小于2．5 mm，齒高不小于1．5 mm，且間距為3 mm，鉚釘間距不大于200 mm，錨固長度不小于60 mm。

4.2 技術(shù)參數(shù)

由于預(yù)埋滑槽在我國城市軌道交通工程中首次應(yīng)用，尚無具體技術(shù)要求，需通過預(yù)埋滑槽試驗(yàn)確定槽道有關(guān)技術(shù)參數(shù)。預(yù)埋滑槽試驗(yàn)分為實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)2種?，F(xiàn)場試驗(yàn)包括拉拔試驗(yàn)、剪切試驗(yàn)、水平環(huán)堆載試驗(yàn)等主要內(nèi)容；實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)包括中性鹽霧腐蝕及涂層沖擊試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)、耐火性能試驗(yàn)等主要內(nèi)容。除以上試驗(yàn)內(nèi)容外，還研究了接觸網(wǎng)受振動荷載作用下連接螺栓防松脫技術(shù)。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，滑槽按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行生產(chǎn)，其各項(xiàng)承載能力均可達(dá)到30 kN，耐久性、耐火性、疲勞承載力等都能滿足設(shè)計(jì)要求。

4.3 檢測要求

預(yù)埋滑槽槽道的表面防腐性能應(yīng)滿足城市軌道交通工程正常運(yùn)營的耐久性要求及相關(guān)要求。對防腐層的附著能力進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，重錘由50 cm高度落下，防腐層完好無損；耐火試驗(yàn)后均能達(dá)到90 min單點(diǎn)拉拔和抗剪承載力1．8 kN條件下承載力不失效；200萬次的動荷載疲勞試驗(yàn)滿足強(qiáng)度要求；當(dāng)拉拔力、沿槽軸向剪切力和垂直槽軸向剪切力為預(yù)埋滑槽槽道工作荷載3倍時(shí)，槽道周邊混凝土不產(chǎn)生開裂破壞，槽道本體不產(chǎn)生明顯塑性變形和功能性失效破壞；預(yù)埋施工完成每滿總供貨量的1/5或每滿1萬m時(shí)，現(xiàn)場隨機(jī)抽檢進(jìn)行拉拔和抗剪等現(xiàn)場力學(xué)性能檢測。

圖10 滑槽及配套螺栓示意圖

4.4 構(gòu)造要求

預(yù)埋滑槽槽道與配套連接的T型螺栓應(yīng)具備連接齒牙構(gòu)造，齒牙深度宜為1．5 mm，間距宜為3 mm，以確保槽道與螺栓間的機(jī)械咬合性能，防止力點(diǎn)滑移。螺柱所有安裝完成后應(yīng)露出至少20 mm；螺柱底部應(yīng)具有安全檢查鋼印標(biāo)志，安裝到位后該標(biāo)志應(yīng)垂直于槽道軸向，以便于檢查T型螺栓頭在槽道內(nèi)的偏轉(zhuǎn)狀態(tài)?；炷林械牟鄣涝谧畲笤试S荷載（3倍工作荷載下的拉拔力和剪切力）作用下，在螺栓固定點(diǎn)處的槽道作用力方向上，槽道位移不大于0．5 mm。預(yù)埋滑槽槽道與配套連接的T型螺栓為全帶齒型，具有自鎖防松功能。

5 結(jié)論與建議

預(yù)埋技術(shù)不僅克服了傳統(tǒng)打孔造成的混凝土結(jié)構(gòu)受損、現(xiàn)場工效低下、安裝質(zhì)量較難保證、安裝部件移位困難、工作條件惡劣等問題，而且也是城市軌道交通行業(yè)工業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化、裝備化的重要體現(xiàn)。該技術(shù)在深圳市地鐵6號線和9號線工程的成功應(yīng)用，證明預(yù)埋技術(shù)在城市軌道交通行業(yè)中是可以推廣的，但應(yīng)在以下方面進(jìn)行深入探索：

（1）盾構(gòu)區(qū)間隧道因受通用環(huán)安裝位置不確定的影響，采用全環(huán)預(yù)埋滑槽方案，但并不經(jīng)濟(jì)；取消道床下部及其他非管線區(qū)域的滑槽預(yù)埋以節(jié)省工程投資，是預(yù)埋技術(shù)的研究方向。

（2）將預(yù)埋技術(shù)與車站裝修工程結(jié)合起來，解決車站裝修龍骨固定時(shí)對混凝土結(jié)構(gòu)的破壞，徹底解決站內(nèi)安裝與裝修對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的影響。

（3）滑槽造價(jià)較高，因此解決非大荷載、非管線集中區(qū)域的預(yù)埋技術(shù)不能完全依靠預(yù)埋滑槽技術(shù)，而應(yīng)采用造價(jià)較低的尼龍?zhí)坠芗夹g(shù)，但其定位工藝尚需深入研究。

[1] TB/T 3329—2013 電氣化鐵路接觸網(wǎng)隧道內(nèi)預(yù)埋槽道[S]．