盾构管片预埋槽道技术已被广泛应用于铁路盾构隧道和地铁盾构隧道中^[1], 传统的地铁盾构隧道轨道铺设方式是通过在盾构管片上打孔, 安装膨胀螺栓提供支点, 这种方式不仅会损害盾构管片结构, 有时会打伤管片中的钢筋^[2], 同时传统的打孔方法是在C50高强度混凝土管片上打孔, 施工噪声大、速度慢、成本高。目前, 国内开始大面积普及盾构管片预埋槽道技术, 该技术的使用不仅使地铁盾构隧道内的机电安装节能、环保和快捷^[3], 同时通过采用盾构管片预埋槽道T形螺栓为盾构隧道内轨道铺设提供支点, 不仅安全高效、操作便捷, 同时无须在管片上开孔安装膨胀螺栓, 节省工程成本。

目前国内地铁盾构管片设计^[4]的宽度主要有1.2, 1.5, 2.0m 3种, 盾构管片预埋槽道对应的型号主要有20mm×30mm, 26mm×30mm, 23mm×38mm3种。盾构管片预埋槽道如图1所示, 盾构管片预埋槽道一次热轧成型, 槽道的防腐体系由表及里由三级构成:一级是表面绝缘封闭层;二级是多元合金共渗层;三级是槽道主体合金钢防腐^[5]。盾构管片预埋槽道轴向力、剪切力的工作荷载≥1.0×10⁴N, 设计荷载≥14 000N, 槽道在拉力、轴力加载到3.0×10⁴N时不发生屈服变形^[6]。预埋槽道槽口设计有2种形式:燕尾槽, α值为75°;平口槽, α值为90°。混凝土无预埋时, 预埋槽道可满足疲劳试验100万次, 在预埋混凝土时, 疲劳试验可达300万次, 且满足疲劳频率1~3Hz, 正弦波波形, 荷载基准及幅值为 (1.0±3.0) ×10⁴N。

1节钢弹簧浮置板轨排长25m, 重约1.85×10⁴kg。在盾构隧道中采用2台门式起重机吊运, 提升的回动载系数取1.5。

门式起重机走行轨采用24kg/m的轨道, 单根长12.5m, 重300kg, 按照1.2m 1个支座, 共安装10个支座, 则单个支座上分配的走行轨荷载为3.0×10⁵N, 1台门式起重机荷载为5.0×10⁴N, 4个走行轮。则此时的走行轨单个支点的承载力为:1.85×1.5×10⁵+2×5.0×10⁴/8+3 000=5.02×10⁴N。

此时走行轨单轮轴的受力为5.02×10⁴N。每个支座由2个T形螺栓与盾构管片预埋槽道固定, 如图1所示。则此时每个T形螺栓的承载力:F₁=2.51×10⁴N。

在地铁盾构隧道道床施工时, 单台门式起重机1次吊运混凝土3m³, C50混凝土的密度取2 500kg/m³, 最大重7.5×10³kg, 提升的回动载系数取1.5。此时单台门式起重机走行轨单支点承载力为: (7.5×1.5×10⁴+5.0×10⁴) /4+3 000=4.36×10⁴N。

此时门式起重机走行轨单轮轴的受力约4.36×10⁴N。每个支座由2个T形螺栓与盾构管片预埋槽道固定。则此时每个T形螺栓的承载力:F₂=4.36×10⁴/2=2.18×10⁴N。

通过以上计算可知F₁>F₂, 则门式起重机走行轨最不利工况是钢弹簧浮置板吊运阶段。

预埋槽道的设计拉拔力≥1.4×10⁴N, 剪力≥1.0×10⁴N, 设计要求槽道在3.0×10⁴N的拉力下不变形^[7]。对于蘑菇形锚杆, 通过拉拔试验, 槽道拉拔力达4.0×10⁴N时, 槽道开始变形, 但此时槽道还能较好地嵌固在C50混凝土管片中而不被拔出。

通过对槽道进行内齿剪力试验, 当拉力达3.8×10⁴N时, 预埋槽道的内齿才开始变形。因此, 按照设计要求的槽道不变形数据, 取盾构管片预埋槽道的拉拔力F_y和剪力F_t均为3.0×10⁴N计算。门式起重机走行轨支点处T形螺栓的受力如图2所示。按照走行轨支点最不利工况计算最大工作荷载F₁₁和F₁₂的值。

取F=F₁=2.51×10⁴N, 当β=45°, F₁₁=F₁cosβ=1.77×10⁴N;F₁₂=F₁sinβ=1.77×10⁴N。 (F₁₁为F在β面的水平分力, F₁₂为垂直分力) 。则k₁=F_y/F₁₁=1.69, k₂=F_t/F₁₂=1.69。

通过计算可知, 此时的安全系数k₁和k₂均>2.0, 由于走行轨的轨距会随着门式起重机跨距的变换而改变, 支座位置也是可变的, 即β为30°~60°。当β=30°时, F₁₁=2.18×10⁴N, F₁₂=1.26×10⁴N, 此时的安全系数:k₁=F_t/F₁₁=1.38, k₂=F_t/F₁₂=2.38;当β=60°时, F₁₁=1.26×10⁴N, F₁₂=2.18×10⁴N, 此时的安全系数:k₁=F_t/F₁₁=2.38, k₂=F_t/F₁₂=1.38。

当门式起重机走行轨的支座安装隧道下半部分为30°~60°的任何位置时, 安全系数均>1.38, 可见改进工艺后的走行轨支架在3个T形螺栓的紧固下, 其抗拔和防滑能力足够, 因此理论计算采用盾构管片预埋槽道T形螺栓的支点安全。

对改进的支座进行力学试验, 试验取F=F₁=2.51×10⁴N。在荷载7.6×10⁴N下, 槽道并没有任何变化, 试验安全系数7.6×10⁴/5.02×10⁴=1.51。兰州地铁1号线一期工程的盾构隧道铺轨试验安装应用成功, 进一步说明, 采用盾构管片预埋槽道为地铁铺轨走行轨提供支点安全可行。

因盾构管片预埋槽道的T形螺栓 (M12) 可拆卸重复使用, 几乎零成本。门式起重机走行轨1个支点需要4个M10膨胀螺栓, 经计算在C50混凝土管片上打设4个M10膨胀螺栓孔的人工费、水电费和钻头费等合计约16元。对走行轨支座进行改造, 每个支座成本减少约10元, 若考虑走行轨支杆架高水平固定支点, 改进支座节省费用8元。兰州地铁1号线一期工程盾构隧道双线长约3.2×10⁴m。每1.2m节约成本约60元, 3.2×10⁴m走行轨单轨节约成本共计约162万元, 经济节约效果明显。

目前我国有40多座城市正在建设地铁工程, 每座城市平均每3年铺设1条地铁线路, 粗略计算经济价值在1 000万元以上。21世纪是我国地下空间大发展时期, 也是轨道交通工程发展的高峰期^[8], 铁路盾构隧道工程广泛采用预埋槽道技术的经济效益显著^[9]。

1) 通过对预埋槽道辅助功能开发应用, 替代传统的地铁盾构隧道铺轨门式起重机走行轨的支点形式, 不仅节能环保, 还节省工程成本, 加快进度, 并很好地避免损坏盾构管片结构, 同时也防止膨胀螺栓传输的隧道杂散电流对管片钢筋电化腐蚀^[10]。该方法也提升盾构管片预埋槽道的性价比。

2) 兰州地铁1号线采用的30mm×20mm盾构管片预埋槽道的拉拔力设计值为1.4×10⁴N, 通过计算无法为走行轨提供安全承载力。通过试验研究, 带有蘑菇头锚杆的合金钢预埋槽道的实际拉拔力>3.0×10⁴N, 完全满足走行轨的承载力要求。因此, 不同锚杆形式的预埋槽道预埋在不同型号的混凝土中, 产生的拉拔力不同, 应通过拉拔试验确定。

3) 盾构管片预埋槽道槽体与锚杆采用双面焊接, 试验证明双面焊接在4.0×10⁴N拉拔力下不破坏, 但不同形式的锚杆连接方式的抗拔力不同, 需要通过试验测定。预埋槽道的内齿采用热轧一次成型的合金钢, 燕尾形内齿设计抗剪力为8k N, 现场试验测定抗剪力为3.8×10⁴N情况下, 内齿才开始变形, 这与预埋槽道的抗拔试验情况基本吻合, 但是不同工程采用的盾构管片预埋槽道不同, 则采用的预埋槽道型号、工艺和材质都不同, 因此, 其抗剪极限值要通过试验确定。

4) 管片宽度不同, 则支点受力情况也不同, 此处采用环宽1.2m的管片, 对于环宽1.5m的管片, 应重新进行试验确定其可行性。该工艺的改进仅在盾构管片使用了预埋槽道的前提下, 对于安装预埋槽道的地铁和铁路暗挖隧道也可使用该工艺。对于没有安装预埋槽道的隧道工程, 仍需打孔安装膨胀螺栓为走行轨提供支点, 进行对盾构管片预埋槽道的力学性能试验。