地鐵隧道盾構(gòu)法隧道管片預(yù)埋滑槽設(shè)計(jì)

地鐵隧道盾構(gòu)法隧道管片預(yù)埋滑槽設(shè)計(jì)

0地鐵工程中的結(jié)構(gòu)預(yù)留預(yù)埋技術(shù)隨著國(guó)內(nèi)地鐵項(xiàng)目建設(shè)的高潮，對(duì)地鐵建設(shè)、運(yùn)營(yíng)和后續(xù)運(yùn)營(yíng)的要求越來(lái)越高?？s短建設(shè)周期、降低建設(shè)成本、方便后續(xù)維護(hù)等要求已成為地鐵項(xiàng)目建設(shè)的重要理念。目前,在歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家(如德國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、瑞士、比利時(shí))及我國(guó)港臺(tái)地區(qū)的地鐵工程項(xiàng)目中已廣泛采用土建結(jié)構(gòu)預(yù)留預(yù)埋技術(shù),其優(yōu)點(diǎn)在于:減少在機(jī)電安裝階段對(duì)土建結(jié)構(gòu)的破壞,提高土建結(jié)構(gòu)的耐久性,加快機(jī)電安裝的工效,縮短機(jī)電安裝的工期,且有利于運(yùn)營(yíng)期的維修保養(yǎng)作業(yè)［1－2］。國(guó)內(nèi)地鐵工程尚未大規(guī)模開展結(jié)構(gòu)預(yù)留預(yù)埋技術(shù)的研究和實(shí)施,目前僅在一些高鐵項(xiàng)目礦山法隧道(如京滬高鐵、武廣高鐵、哈大高鐵等)二次襯砌結(jié)構(gòu)頂拱部、地鐵車站屏蔽門及軌道安裝(如深圳地鐵3號(hào)線)的局部小范圍采用了預(yù)留預(yù)埋技術(shù)。深圳地鐵9號(hào)線為國(guó)內(nèi)首條在全線盾構(gòu)法區(qū)間采用全環(huán)預(yù)埋滑槽技術(shù)的地鐵線工程。本文就本工程盾構(gòu)法管片擬采用的預(yù)埋滑槽設(shè)計(jì)進(jìn)行相關(guān)的研究及探討,以驗(yàn)證擬采用的預(yù)埋滑槽能否滿足受力及耐久性的設(shè)計(jì)要求,同時(shí)對(duì)管片預(yù)埋滑槽實(shí)施作業(yè)提出相關(guān)建議,以期在相同類型工程中加以推廣應(yīng)用。1管片預(yù)埋滑槽深圳地鐵9號(hào)線工程盾構(gòu)法隧道全長(zhǎng)約30km(雙線)。盾構(gòu)隧道襯砌外徑為6000mm,內(nèi)徑為5400mm,襯砌環(huán)寬度為1500mm,厚度為300mm。襯砌環(huán)由1塊封頂塊、2塊鄰接塊和3塊標(biāo)準(zhǔn)塊組成。管片內(nèi)預(yù)埋滑槽鋼材要求采用熱軋形式,材質(zhì)要求采用Q235和Q275鋼,槽道截面為帶齒C形截面,槽后帶錨固端。滑槽預(yù)埋(以標(biāo)準(zhǔn)塊為例)位置臨近管片吊裝孔一側(cè),距離吊裝孔中心距為115mm,兩端距管片縱縫端為80mm,槽口與管片內(nèi)弧面齊平;槽道厚度不小于20mm,寬度不小于28mm,齒高不小于1.5mm,槽道后錨固長(zhǎng)度不小于120mm。預(yù)埋滑槽設(shè)計(jì)了配套連接T型螺栓,該螺栓應(yīng)具備連接齒牙構(gòu)造,齒牙間距為3mm,以確保機(jī)械咬合性能可以在縱向傳遞荷載,防止力點(diǎn)滑移［3－4］。管片預(yù)埋滑槽現(xiàn)場(chǎng)照片如圖1所示。預(yù)埋滑槽大樣及產(chǎn)品如圖2所示。2對(duì)管架預(yù)埋滑槽的壓力計(jì)算2.1保水材料的確定本地鐵線工程盾構(gòu)區(qū)間絕大多數(shù)在黏性土層或風(fēng)化殘積層中穿越,埋深為2~3倍洞徑,地下水位的變化受地形地貌和地下水補(bǔ)給來(lái)源等因素控制,勘察期間揭露地下水穩(wěn)定水位埋深為2.80~6.30m。根據(jù)全線地質(zhì)情況和隧道埋深情況,選擇具有代表性區(qū)間管片進(jìn)行力學(xué)性能分析。典型區(qū)間巖土力學(xué)指標(biāo)如表1所示。2.2管架設(shè)計(jì)材料1)混凝土。采用C50,P12防水混凝土。3)螺栓。采用5.8級(jí)普通螺栓,直徑均為24mm。2.3計(jì)算壓力的成本1)隧道管片開槽處變形計(jì)算。2.4無(wú)單元鋼筋模型模擬計(jì)算采用Abaqus6.10有限元計(jì)算程序,采用非線性計(jì)算方法,對(duì)開槽管片進(jìn)行仿真模擬分析。管片混凝土采用三維六面體實(shí)體單元(SolidelementC3D8R),鋼筋采用桁架單元(TrusselememtT3D2),建模單元大約有2萬(wàn)余單元,通過(guò)在管片外側(cè)全周設(shè)置水平與豎向的僅受壓彈簧來(lái)模擬土體與結(jié)構(gòu)之間的作用［5］。數(shù)值分析中先對(duì)整體結(jié)構(gòu)施加豎向加速度場(chǎng)模擬結(jié)構(gòu)重力,然后根據(jù)設(shè)計(jì)水土荷載進(jìn)行加載。荷載模式如圖3所示。計(jì)算采用分離式建模,縱向鋼筋和箍筋面積和配置位置均按設(shè)計(jì)布置,鋼筋使用嵌入?yún)^(qū)域約束(EmbeddedRegion)于實(shí)體混凝土中［6］。預(yù)埋滑槽管片混凝土及鋼筋三維模型如圖4所示。2.5擴(kuò)底錨栓受力確定本工程采用的滑槽后鉚釘長(zhǎng)度為60mm,ф8mm鋼筋,末端為ф16mm擴(kuò)大段(見圖2),其受拉機(jī)制為混凝土局部受沖切,至受拉極限承載力時(shí)為一錐形沖切破壞體形式,故受力計(jì)算可參考破壞形式相近的GB50367《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》13.3.2節(jié)擴(kuò)底錨栓承載力計(jì)算公式,同時(shí)加以現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證。2.6種工況下隧道管片應(yīng)力情況1)隧道管片在荷載作用下,變形較小(約變形0.03%);管片開槽后,變形量有一定程度的增加,最大為管片變形量的4.4%(即0.03%×4.4%=0.00132%),但管片總變形量仍未超過(guò)0.04%(相關(guān)規(guī)范要求)。隧道管片變形如表2所示。2)通過(guò)對(duì)2種工況下,隧道管片開槽和不開槽的有限元仿真模擬,對(duì)比開槽處位置混凝土Mise應(yīng)力,混凝土應(yīng)力狀態(tài)不高;開槽后,該位置混凝土應(yīng)力略有增加,不超過(guò)8%。隧道管片應(yīng)力如表3所示。3)通過(guò)對(duì)2種工況下,隧道管片開槽和不開槽的有限元仿真模擬,管片裂縫寬度滿足規(guī)范要求。隧道管片裂縫如表4所示。4)預(yù)埋滑槽道后鉚釘長(zhǎng)度計(jì)算。按規(guī)范計(jì)算公式可知,滑槽道后鉚釘長(zhǎng)度為60mm時(shí),混凝土錐形受拉承載力設(shè)計(jì)值,滿足相關(guān)規(guī)范要求。據(jù)上所述,在設(shè)計(jì)荷載作用下,通過(guò)對(duì)深圳地鐵9號(hào)線典型區(qū)間隧道開槽管片計(jì)算復(fù)核,管片進(jìn)行開槽設(shè)計(jì)對(duì)隧道管片整體受力影響較小,承載力、變形、裂縫寬度及后錨固長(zhǎng)度均滿足設(shè)計(jì)要求。3地鐵預(yù)埋滑槽與構(gòu)件的安裝1)預(yù)埋滑槽及其上固定的螺栓應(yīng)能滿足地鐵區(qū)間隧道上需要安裝的各種設(shè)備及其振動(dòng)的承載力要求,每個(gè)連接螺栓位置沿管片徑向拉壓承載力不小于10kN,沿切向承載力不小于8kN。2)預(yù)埋滑槽及連接螺栓必須滿足一定的剛度要求,在設(shè)計(jì)拉、壓承載力作用下,其變形要求不超過(guò)1.0mm,切向荷載作用下變形不超過(guò)1.0mm。3)預(yù)埋滑槽要求滿足地鐵50年以上正常運(yùn)營(yíng)的耐久性要求,要求其表面處理層厚度不小于50μm,按GB/T10125—1997中性鹽霧加速腐蝕性試驗(yàn)在時(shí)間1200h內(nèi)表面無(wú)紅繡出現(xiàn);涂層需按GB/T1732—1993要求進(jìn)行沖擊試驗(yàn),重錘由50cm高度落下,涂層應(yīng)完好。4)預(yù)埋滑槽須有具備資質(zhì)的質(zhì)檢部門出具耐火時(shí)效測(cè)試報(bào)告,以確保實(shí)際應(yīng)用狀況下承載受力的抗火要求。其性能應(yīng)滿足在單面火燒、三面火燒以及四面火燒的工況下,均能達(dá)到90min承載力不失效［7］。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)證的報(bào)告,其性能應(yīng)達(dá)到對(duì)應(yīng)90min耐火時(shí)間下,單點(diǎn)承載拉力為1.8kN。5)預(yù)埋滑槽與配套連接T型螺栓應(yīng)具備連接齒牙構(gòu)造,齒牙間距為3mm,以確保機(jī)械的咬合性能;在縱向傳遞荷載,防止力點(diǎn)滑移。所用螺栓的防腐措施為:電鍍鋅的最小特殊涂層厚度為12μm,同時(shí)滿足耐久性的要求。4相關(guān)性能測(cè)試根據(jù)“深圳地鐵9號(hào)線盾構(gòu)管片預(yù)埋滑槽設(shè)計(jì)原則”相關(guān)要求,對(duì)預(yù)埋滑槽產(chǎn)品進(jìn)行了相關(guān)承載力抗疲勞測(cè)試、承載力耐火時(shí)效測(cè)試、抗拉承載力、縱向抗剪承載力、橫向抗剪承載力和柔性陶瓷防腐鹽霧試驗(yàn)等測(cè)試［8］,試驗(yàn)顯示完全滿足設(shè)計(jì)要求。測(cè)試結(jié)果和試驗(yàn)裝置如表5、圖5和圖6所示。5預(yù)埋滑槽與混凝土管片的連接1)管片開槽后,開槽位置分布鋼筋的保護(hù)層厚度略有減少,對(duì)結(jié)構(gòu)的耐久性有一定的影響,應(yīng)視情況對(duì)該分布鋼筋處采用局部斷開上抬或采用鋼筋表面涂環(huán)氧樹脂涂層等加強(qiáng)耐久性措施［9］。2)預(yù)埋滑槽與混凝土管片之間應(yīng)通過(guò)可靠的鉚釘連接,鉚釘間距及鉚釘長(zhǎng)度應(yīng)滿足承載力的要求。3)預(yù)埋滑槽在管片中的位置應(yīng)避開管片中心的吊裝孔位置,同時(shí)考慮離開管片內(nèi)弧表面縱向及環(huán)向螺栓手孔一定的距離,以避免對(duì)管片剛度削弱的疊加影響。4)預(yù)埋滑槽實(shí)施時(shí),其在管片模板上的定位要牢固,保證槽口緊貼模板,槽內(nèi)部應(yīng)采用可靠措施密封,避免混凝土澆筑時(shí)灌入滑槽內(nèi),槽口與混凝土內(nèi)面應(yīng)光滑平整連接,盡量減少定位偏差及混凝土表面的凹凸誤差,確保預(yù)埋作業(yè)的實(shí)施質(zhì)量［10］。6地鐵及地鐵預(yù)埋滑槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案1)相關(guān)計(jì)算分析及試驗(yàn)結(jié)果表明,地鐵盾構(gòu)法隧道內(nèi)設(shè)計(jì)預(yù)埋滑槽的方案安全可靠,切實(shí)可行,建議在相同類型工程中加以推廣應(yīng)用,以達(dá)到方便施工、易于維護(hù)和節(jié)能環(huán)保的綠色建造目的。2)由于預(yù)埋滑槽技術(shù)在國(guó)內(nèi)地鐵中的應(yīng)用尚屬首次,無(wú)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)參考,滑槽及鉚釘間距、鉚釘長(zhǎng)度的計(jì)算方法目前國(guó)內(nèi)規(guī)范尚未明確,本次設(shè)計(jì)偏于安全,主要考慮