南京地鐵盾構隧道槽道技術設計研究

彭紅霞，趙華新，許偉宏，李佳星

（1. 南京地鐵集團有限公司，南京 210018；2. 北京城建設計發展集團股份有限公司，北京 100037；3. 中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430000）

1 研究背景

隨著軌道交通的快速發展，地鐵區間隧道施工大多數采用施工速度快、對周邊環境影響較小的盾構法施工，而盾構法區間隧道設備安裝施工則以傳統的鉆孔+化學錨栓或膨脹螺栓固定系統支架及設備為主。根據目前國內運營城市地鐵區間隧道的統計得知，傳統的鉆孔+化學錨栓或膨脹螺栓形式存在施工安裝工期長、施工作業環境差、隧道健康狀況不良、后期運營維護工作繁重等問題。為減小鉆孔對盾構區間隧道的結構損傷，保證隧道結構本身的完整性和耐久性，將國內高鐵屏蔽門及接觸網預留預埋技術[1]引進到地鐵盾構隧道，即盾構隧道槽道技術。該技術將設備支架用T型螺栓固定在槽道上，替代了在管片上直接打孔的安裝工藝。近幾年，盾構法隧道槽道大部分采用預埋槽道的工藝[1-8]，但是也逐漸暴露了一些問題，比如槽道需要全環預埋，費用高，耐久性不易保證[9]，后期更換困難等。為推進盾構隧道槽道技術的發展，福州地鐵2號線3條區間采用了掛耳(單螺帽)+外置式槽道的設置方式[10]，安裝時需擰開管片連接螺栓，對管片結構安全易產生影響。在此基礎上，提出專用固定件(雙螺帽)+外置槽道和預埋套筒+外置槽道兩種設置方案。筆者結合南京地鐵“十三五”線路建設和管片生產進度情況，分別對專用固定件+外置槽道和預埋套筒+外置槽道兩種方案進行比選研究，分析兩種方案在設計過程中遇到的問題，提出解決方案和適用條件，為槽道技術在地鐵盾構隧道中的應用提供參考。

2 專用固定件+外置槽道系統

2.1 方案簡介

外置槽道通過專用固定件(掛耳)與盾構管片縱向連接螺栓固定，U型槽道與掛耳固定，無需在管片生產期間進行槽道預埋，可使用與之配套的T形螺栓來安裝區間隧道內的設備。土建施工與設備安裝分屬兩個不同的施工階段，掛耳(單螺帽)+外置槽道會增加施工協調難度，且槽道安裝和后期更換均需擰開管片連接螺栓，對管片結構安全易產生影響。為減少協調難度，降低槽道安裝和后期更換安全風險，采用加長螺桿+雙螺帽的形式(管片縱向連接螺栓螺桿加長約55 mm，加長部分主要位于手孔范圍內，對隧道限界影響較小)，設備安裝時只需將掛耳固定在增長部分的螺栓上，不與管片固定螺母產生關聯(見圖1)。

圖1 專用固定件+外置槽道系統Figure 1 Detailed drawing of special fixed parts and non-embedded channels

2.2 方案設計

2.2.1 槽道布置

1) 布置原則：槽道盡量在管片接縫處斷開，每根槽道至少由兩根縱向螺栓固定，滿足區間系統設備的安裝需求。

2) 布置范圍：強、弱電支架，疏散平臺、信號機、消防水管、排水管等系統設備，采用外置槽道。為避免卡滯現象，接觸網不設置(見圖2)。

圖2 專用固定件+外置槽道布置Figure 2 Layout of special fixed parts and non-embedded channels

2.2.2 設計參數

外置槽道的設計規格為53 mm×34 mm、材質為Q355B低碳合金鋼，掛耳采用的材質性能不低于ZG310—570的相關要求，連接銷栓采用M12，螺栓強度等級不低于8.8級。

2.3 方案計算

2.3.1 荷載計算

對區間各專業荷載進行對比，其中區間隧道疏散平臺的荷載最大，其余的荷載較小。因此，僅針對疏散平臺支架進行驗算，疏散平臺與槽道間按鉸接考慮(見圖 3)。

圖3 疏散平臺(端部節點)Figure 3 Sketch map of evacuation platform

疏散平臺荷載：平臺寬度1.2 m，橫向長度0.7～1.2 m，橫向計算長度L取1.2 m，恒載1.8 kPa，人群活荷載4 kPa，隧道風壓0.6 kPa。

疏散平臺(每環)均布荷載：q=(1.3×1.8+1.5×4+1.5×0.6)×1.2=11.088 kN/m。以圖4中的A點取矩，計算B點處垂直AB方向的拉力F，即疏散平臺端部設備支架的拉力。經計算，F=9.504 kN。疏散平臺端部由2根T型螺栓連接，所受拉力分別為N1=F×140/240=5.544 kN，N2=F-N1=3.96 kN，即設備支架T型螺栓對外置槽道的拉力分別為5.544、3.96 kN，間距240 mm。取T型螺栓對槽道的最大拉力設計值N=6 kN。

圖4 疏散平臺荷載計算Figure 4 Calculation diagram of evacuation platform load

2.3.2 計算原則

1) 在綜合荷載作用下，槽道及T型螺栓強度應滿足Q355B鋼材的屈服強度、螺栓抗拉抗剪的要求。

2) 在最大工作荷載作用下，槽道撓度和強度需滿足規范要求。撓度控制：參考《管道支吊架》GB/T 17116.1—1997中的5.10.3條，撓度變形應符合1/500 L，且不應大于2.3 mm。強度控制：參考《電氣化鐵路接觸網隧道內預埋槽道》(TB/T 3329—2013)中5.5.3.5條的要求，在1.5倍工作荷載(槽道法向承受最大拉力)作用下，不產生塑性變形，即滑槽應力小于Q355B鋼材的屈服強度355 MPa；在3倍工作荷載作用下，不應產生功能性失效破壞。

2.3.3 計算結果

經模擬計算，在極限荷載作用下槽道最大變形為0.5 mm，槽道最大應力為106.9 MPa(見圖5)，掛耳最大應力為138 MPa(見圖6)，槽道及專用固定件受力均滿足規范要求。

圖5 極限載荷下的槽道最大變形和最大應力(0.5 mm，106.9 MPa)Figure 5 Maximum deformation and stress of channel under ultimate load (0.5 mm, 106.9 MPa)

圖6 極限載荷下的掛耳最大變形和最大應力(0.15 mm，138 MPa)Figure 6 Maximum deformation and stress of hanging ear under ultimate load (0.5 mm, 106.9 MPa)

2.4 應用情況

專用固定件(掛耳)+外置槽道可用于已開工建設、管片已經生產但還未開始拼裝的線路。南京地鐵7號線南起西善橋，北止仙新路，線路長約35.49 km，設站27座，其中13座換乘站，為全地下線。除先期開工的區間已完成管片拼裝外，其余區間均采用專用固定件(掛耳)+外置槽道系統。

2.5 注意事項

1) 在管片拼裝過程中，工人需區分縱向和環向螺桿，并保證縱向螺桿方向一致，以便于專用固定件的安裝；設備安裝時只需將專用固定件固定在增長部分的螺栓上，不用與管片固定螺母產生關聯。

2) 管片拼裝錯臺，無法通過調整管片縱向連接螺栓，使槽道與管片內壁實現密貼，加大了占據預留變形空間。需通過調整調節螺栓，減少槽道與管片內壁間的縫隙。

3 預埋套筒+外置槽道系統

3.1 方案簡介

在管片生產期間，將螺栓套筒預埋在管片中，通過連接銷栓將外置槽道進行固定，將T型螺栓的T字頭放入槽道內與設備支架進行連接(見圖7)。外置槽道可以根據支架的布置進行優化(見圖8)。

圖7 預埋套筒+外置槽道的大樣Figure 7 Detailed drawing of the embedded sleeve and non-embedded channels

圖8 預埋套筒+外置槽道的安裝Figure 8 Installation diagram of the embedded sleeve and non-embedded channels

3.2 方案設計

3.2.1 套筒布置

縱向：每環管片設一道。環向：對于不同的管片組合形式，均能保證前后環對應的點位上都能有套筒在同一縱向上，經套筒個數和槽道長度組合研究，最后確定套筒全環預埋。其中，外徑6.2 m盾構，全環預埋32個套筒，套筒間角度為11.25°，間距為540 mm (見圖9)。

圖9 6.2 m盾構的32個套筒剖面Figure 9 Profile of 32 sleeves of 6.2m shield

3.2.2 槽道布置

槽道盡量在管片接縫處斷開，每段槽道與 2～4個預埋套筒連接(見圖10)。將強弱電支架、疏散平臺、信號機、消防水管、排水管等系統設備設置于外置槽道，為避免卡滯現象，接觸網不設置。

圖10 套筒及槽道布置Figure 10 The layout of sleeve and channel

3.2.3 設計參數

經比選，擬采用外置槽道型號為53 mm×34 mm，材質為Q355B低碳合金鋼；套筒型號為M20，材質為不銹鋼，統一數字代號為 S31603，材料應符合GB/T1591—2018、GB/T20878—2007等國家標準的要求；T型螺栓采用M20，強度等級不低于8.8級。

3.3 方案計算

3.3.1 荷載計算

經過對區間各專業荷載進行對比，可見區間隧道疏散平臺荷載最大，本文第2.3.1節已經計算出疏散平臺設備支架的T型螺栓對外置槽道的拉力為5.544、3.96 kN。為計算方便，取T型螺栓對外置槽道的最大拉力設計值為6 kN。

3.3.2 計算結果

根據本文第2.3.2節所述的計算原則，計算結果如圖11所示。經模擬計算，按預埋套筒間距540 mm，在極限荷載作用下，槽道最大變形為0.24 mm，最大應力為280 MPa，受力滿足規范要求。

圖11 極限荷載下槽道的最大變形及最大應力Figure 11 Maximum deformation and maximum stress of channel under ultimate load

3.4 精度控制

預埋套筒按設計要求在管片模具上定位，并用鋼絲固定在鋼筋骨架上(見圖12)。

圖12 預埋套筒的施工現場Figure 12 Field construction drawing of the embedded sleeve

外置槽道通過緊固螺栓固定在預埋套筒上，槽道螺栓孔呈橢圓形，開孔尺寸比螺栓直徑每側大1 mm，以保證套筒在1 mm的偏差下也能順利安裝。

3.5 應用情況

預埋套筒+外置槽道可用于已開工或準備開工建設，但管片還未投入生產的線路。南京地鐵“十三五”期間共有12條線路在建，除5、7號線和1、2、3號延長線外，其余線路均采用預埋套筒+外置槽道系統。

4 存在的問題及解決方案

1) 根據對比研究，接觸網范圍無論采用專用固定件+外置槽道還是預埋套筒+外掛槽道方案，均需用多種受力構件進行轉換，浪費工程較多。若轉換構件發生偏移、卡滯時，動態荷載FY存在剪豁外置槽道槽口或頂彎變形的隱患。經綜合對比，隧道頂接觸網處不采用槽道方案，仍沿用傳統鉆孔+錨栓技術，以保證運營過程中的使用安全。

2)《地鐵設計規范》要求，環網電纜的支架間距為0.8 m，通信、信號電纜的支架間距為1 m?？蓪⒉鄣篱g距設為1.2 m，采用橋架、套管、層架尺寸，縱向加寬至0.4 m，使支架邊緣間距達到0.8 m。

3) 區間隧道內設消防管網及壓力排水管網，材質為球墨鑄鐵管。管道單根長度為6 m，可采用三角支架固定，固定支架的間距可根據槽道間距來確定(見圖13)。

4) 疏散平臺支架由原來的懸臂方案，調整為帶斜撐的方案。為了保證疏散平臺支架端部與槽道之間連接的穩定性，在連接鋼板與槽道接觸面以外，增加連接鋼板厚度，確保連接鋼板與隧道壁之間緊貼固定，或在相鄰支架之間設置縱向連接件，以保證整體穩定。

5 結論與展望

盡管盾構槽道技術存在初裝費用高以及其他一些不足，但較傳統鉆孔技術相比，槽道技術極大地提高了盾構管片的耐久性，在施工工藝、施工環境、隧道損傷、設備安裝效率、外觀效果、運營維護等方面均有較大優勢，具有技術先進性，完全滿足未來盾構隧道施工的要求，值得推廣。綜合比較，相對于預埋槽道費用較高、耐久性不易保證、后期更換困難等問題，專用固定件(掛耳)+外置槽道和預埋套筒+外置槽道相對可降低費用，后期更換較為便捷，所以可根據線路施工和管片生產情況酌情進行選擇。

國內地鐵正在進行大規模建設，但槽道技術正式投入運營使用的經驗相對較少，各地槽道技術的要求、檢測、驗收尚無統一標準，差異性較大。因此，需出臺相關統一標準/規范，力求促進裝配式建筑的快速發展，徹底改變建筑安裝行業傳統粗放的現場施工工藝，使工程施工向著精細化、標準化的方向發展。工廠化生產和預制，將徹底改變傳統采用的現場大量人工施工作業的方法，用科技進步來解放生產力，把工人從隧道現場危險繁重和環境惡劣的工作中解放出來，真正實現綠色、安全、快速、無損傷的施工安裝，為建設高質量的百年地鐵工程做出更大貢獻。