预埋套筒外挂槽道在城市地铁大断面隧道使用技术研究

章邦超

（中铁建华南建设有限公司 广州511458）

1 工程概况

广州市城市轨道交通18 号线和22 号线是广州市“十三五”发展规划的重点工程项目，线路采用最高运营时速高达160 km∕h 的8 节编组市域快线列车，线路为全长95.3 km的地下铁路。其中18号线起于万顷沙终于既有的广州东站，线路依次经过南沙区、番禺区、海珠区及天河区，全长为62.7 km，共设站9座；22号线起于番禺广场终于白鹅潭，线路依次经过番禺区、荔湾区，全长为31.0 km，共设站7座。工程所需盾构管片约86 000环，其中接触网环17 200 环，非接触网环68 800环，全线预埋套筒数量约为563万个。

2 预埋滑槽应用技术背景

2.1 传统锚栓安装现状分析

目前，国内地铁隧道中电缆、管线、设备安装普遍采用传统打孔施工安装螺栓，工作效率低、对管片结构损伤大，导致地铁在运营期间出现严重的渗水漏水现象，且运营期维修保养会干扰地铁运行，阻碍公众出行，进而造成更大的损失［1］，如图1所示。传统锚栓安装主要存在以下3个方面问题：

图1 传统锚栓安装案例Fig.1 Installation Case of Traditional Anchor Bolt

⑴传统锚栓方式对盾构管片结构造成的损伤大，降低了盾构管片的耐久性和安全性；

⑵安装数量大，工作效率低，每环约28 孔（3 孔植筋），因为工期进度需要，往往有多个专业单位在同一个工作面交叉施工，施工作业干扰大，作业期间安全隐患多；

⑶钻孔过程中产生大量的噪声粉尘，危害作业人员健康，作业环境差。

2.2 预埋滑槽技术应用现状

预埋滑槽技术在国外最早于1931年开始应用，至今已经有90 年的应用历史，起初被称为预埋滑槽［2］。进入21 世纪后，工程建设行业飞速发展，目前预埋滑槽技术在建筑幕墙、电力隧道、市政隧道、城市轨道交通（地铁）隧道、高速铁路隧道及火车站、桥梁、电梯、核电厂站等多个行业领域应用广泛［3］。德国和法国先后于20世纪60年代和70年代开始将预埋滑槽技术应用于地铁隧道内，并沿用至今。预埋滑槽技术在国内的应用最早开始于21 世纪初，21 世纪是中国高铁的腾飞时代，这项技术引入国内后首先开始应用于高铁建设，包括2009 年建成通车的石家庄至太原高铁线，郑州至西安高铁线，武汉至广州高铁线等均成功应用，而高铁上主要采用德国生产的哈芬槽［4-5］。现在，此项技术已在全球多个国家和地区的地铁隧道施工中广泛应用，包括非洲的埃及，东南亚的马来西亚、新加坡，东亚的日本、韩国，以及中国香港等［6］。在内地，深圳地铁6 号线已成功实施应用，下一阶段南宁、成都、上海、天津等城市也将开展应用。

2.3 预埋滑槽技术的优点

本项目全部为地下铁路，采用断面直径8.8 m 的大盾构，线路全长95.3 km，所需盾构管片为86 000环，预埋套筒数量约为563万个。按照工程建设管理目标要求，从工程规模、施工生产条件、工程建设工期等内外因素综合考虑，采用盾构管片内预埋套筒外挂槽道技术，可有效解决传统锚栓安装存在的主要问题［7］（见图2）。以预埋套筒外挂滑槽技术来替代传统的化学锚栓配合金属支架方式，一方面为后期的管线安装、设备安装提供便利，同时后期的设备和管线布设方式也可以更加灵活方便；另一方面采用预埋套筒外挂滑槽技术可以为现场作业人员提供一个友好的安装施工环境，无噪音粉尘，干扰小，安装速度快，效率高，可以大幅度缩短安装工期，并且大量减少地铁运营期间的维修维护工作量，降低运维成本，提高经营经济效益［8-9］。与传统化学锚栓安装方法相比，预埋滑槽技术具有以下应用优点：

图2 深圳地铁9号线预埋滑槽试验段Fig.2 Test Section of Embedded Chute of Shenzhen Metro Line 9

⑴可以节约大量的资源能源、减少工程建设污染、提高作业人员生产效率，为工程安全生产、质量水平提供有效保障。符合2016 年9 月国务院下发的《关于大力发展装配式建筑的指导意见》政策要求，有利于企业树立环境友好型、可持续发展的企业形象；

⑵可以有效减少和避免管片结构破坏，充分保证管片结构的完整性和耐久性［10］，充分发挥工程材料资源的应用价值；

⑶安装作业环境大大改善，提高安装效率；

⑷可大大改善后期设备安装的施工环境；

⑸便于在运营期更换及增加各种设备，经济效益显著。

3 预埋滑槽技术方案

3.1 预留滑槽的定义

预埋槽道是预埋在管片混凝土中的一种简单结构，由一条C型槽和2个以上的锚杆组成，锚杆分布在C 型槽背面，如图3所示，可预先安置于混凝土管片内部，也可以通过在盾构管片预埋套筒再外挂预埋滑槽的方式安装，然后可使用与之配套的T 形螺栓安装机电设备。预埋槽道是一项不破坏建筑结构的新的施工技术，其独特的槽式结构使其成为便于安装和易于调节的理想预埋件。

图3 预留滑槽示意图Fig.3 Schematic Diagram of Reserved Chute

3.2 预留滑槽采用的螺栓配件

预埋滑槽所使用的防坠落T 型螺栓是预埋滑槽技术需要解决的关键技术问题，如图4 所示。进口和国产品牌滑槽及T 型螺栓的样品如图5 所示，根据试验分析，2种产品均能满足本项目实际需求。

图4 防坠落T型螺栓Fig.4 Anti-falling T-bolt

图5 进口和国产品牌滑槽及T型螺栓Fig.5 Imported and Domestic Brand Chutes and T-bolts

3.3 本项目拟采用预埋件方案

本项目盾构区间洞径为8.8 m，预埋滑槽沿盾构管片全环布置，每环长度24.19 m，每环管片安装外挂滑槽，间距1.6 m，实际需要安装滑槽长度12 905 mm，约占总长度的53.3%。本项目盾构隧道综合管线如图6所示，采用全环布置能够方便各专业线网的安装。

图6 盾构隧道综合管线Fig.6 Comprehensive Pipeline of Shield Tunnel （mm）

3.4 预埋件受力性能分析

从图7 中可明显看出，预埋方案受力明显优于后锚固方式，可避免多米诺骨牌效应，预埋对混凝土结构有着较好的保护作用。因此，预埋是对混凝土最完美的锚固方式。

图7 敲击式、重型、化学锚栓、预埋件受力分析Fig.7 Mechanical Analysis of Percussion，Heavy，Chemical Anchor Bolts and Embedded Parts

3.5 预埋滑槽对管片影响受力分析

预埋滑槽对管片受力数值分析如图8 所示，数据表明：

图8 预埋滑槽对管片影响受力分析Fig.8 Force Analysis of Influence of Embedded Chute on Segment

⑴隧道管片在荷载的作用下，仅发生约0.03%的细小变形，管片开槽后，变形量会有一定量的增大，但是变形不超过整体的0.05%的要求；

⑵开槽位置的混凝土应力增加值不超过8%，应力变化小，且远低于混凝土的轴心抗压强度；

⑶开槽前后对比主拉应力最大值，变化量不超过10%，且混凝土的主拉应力远远低于混凝土的开裂容许应力；

⑷ 开裂前后对比钢筋应力值，变化量未超过2%，且钢筋的拉应力值安全，远低于屈服应力；

⑸管片裂缝宽度满足《预制混凝土衬砌管片：GB 20082—2017》要求；

⑹滑槽的变形和受力情况均满足《城市轨道交通预埋槽道及套管技术规范：T∕CAMET 02003—2017》要求。

3.6 预埋槽道耐久性分析

预埋滑槽的防腐涂装工艺对其耐久性影响较大，深圳地铁9 号线试验段左线采用进口滑槽，右线采用国产滑槽，其中国产滑槽采用的是柔性陶瓷附着层，该材料的防腐性能非常强，但是附着力不够，在实验段由于时间紧迫，未按设计要求做附着力实验就用于现场施工，滑槽在运输过程及安装过程中相互碰撞，将附着层破坏，故在管片场即发现滑槽生锈情况。

不同预埋槽道涂层的耐久性能指标如表1 所示，目前防腐涂层基本上是热镀锌和合金共渗2 种防腐材料，因为合金共渗的材料类型众多，并且没有完全统一的标准可供参考，也没有行业内比较认可的统一做法，厂家的产品质量难以控制，另外，合金共渗的产品缺乏足够的工程案例验证，基于此，不推荐采用合金共渗涂层，建议采用热镀锌工艺。

表1 不同预埋槽道涂层的耐久性对比Tab.1 Durability Comparison of Different Embedded Channel Coatings

通过深入总结深圳地铁9 号线试验段经验，本项目槽道的涂层都要求符合设计要求，按照国家相关实验要求进行附着力实验、盐雾实验，满足《人造气氛腐蚀试验 盐雾试验：GB∕T 10125—2012》有关要求方可实施。不宜采用柔性陶瓷材料涂层或合金共渗材料涂层，优先选用热镀锌材料。

4 预埋滑槽方案经济性分析

4.1 管片预埋滑槽方案

本项目按照滑槽间距1.6 m 进行设计，相当于每环管片设置一道预埋滑槽，如图9 所示。本项目预埋套筒外挂槽道方案造价影响分析结果如表2 所示，变更后的技术方案造价与原始初步设计概算相比，合计增加工程造价14 719.51万元，相当于每单延线单价增加了91.86 万元∕km。因此，本项目所采用的预埋套筒外挂滑槽方案增加了工程造价。18 号线HP4-HP5 盾构区间预埋滑槽实际安装后的效果如图10所示。

图9 管片预埋滑槽示意图Fig.9 Schematic Diagram of Segment Embedded Chute

表2 预埋套筒外挂槽道方案造价影响分析Tab.2 Cost Impact Analysis of Embedded Sleeve External Channel Scheme

图10 18号线HP4-HP5盾构区间实际采用的滑槽及安装效果Fig.10 Chutes and Installation Effects Actually Used in the HP4-HP5 Shield Section of Line 18

4.2 工效对比分析

针对外挂槽道和传统化学锚栓施工工序对比，假定2 种施工工艺均成立同样的施工小组，人数共计8 人，其中2 人防护，2 人高空作业、4 人推作业梯车及辅助施工。外挂槽道和传统化学锚固方式工效对比如表3所示，数据显示，与传统化学锚栓施工相比，采用外挂槽道施工综合工效能提高20%，能够有效降低施工成本。

表3 外挂槽道和传统化学锚固方式工效对比Tab.3 Comparison of Ergonomics between External Channel and Traditional Chemical Anchoring Method

5 存在问题及建议

现阶段该技术在国内外应用尚不够普遍，主要存在的问题有如下几点，建议在以后的研究工作中寻求解决方法：

⑴城市轨道交通工程无预埋滑槽相关规范标准。本项目现阶段主要以《电气化铁路接触网隧道内预埋槽道：TB∕T 3329—2013》和在上海、深圳地铁施工的技术要求为参考依据。

⑵滑槽设计使用年限缺乏统一标准。目前深圳地铁9 号线预埋滑槽标准定为50 年，盐雾试验要求1 200 h，上海仅给出盐雾试验要求2 400 h，缺少明确的使用年限。国内外相似的滑槽实际应用案例的使用年限最长的为60 年，暂无可供借鉴的具有100 年使用年限的实践工程案例。已经下发的相关规范中钢材的防腐设计使用年限一般为50 年。实际工程经验表明可以通过加强后续维护工作，提高其设计年限。因此对于滑槽设计年限缺乏统一设计标准。

6 结论

本文针对广州地铁18 号线和22 号线工程特点，开展了预埋套筒外挂滑槽的相关研究工作，结合国内外研究应用实践，经过理论计算和试验验证，该项技术符合轨道交通机电设备安装施工要求，可实现便于安装、维护简单、环保节能、环境友好的绿色工程建造目标。目前该技术成功应用于该工程全线95.3 km 的盾构区间，虽然总体造价增加了14 719.51 万元，但由于该技术方案对结构零损伤且质量可靠，能直接降低后期运营维护成本，以及有利于降低建设项目全生命周期成本，具有较好的推广应用前景。采用预埋套筒外挂滑槽方案安全可靠、整体效益突出，尤其适用于大直径盾构。