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盾构隧道衬砌管片—预埋承插式连接件

基本信息
描述

盾构隧道衬砌管片预埋承插式连接件

镇江安华电气集团有限公司

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随着城市轨道交通(地铁)的飞跃发展,轨道交通已经成为城市交通的重要组成部分,成为广大民众出行的首选,为促进市场繁荣和社会与经济的快速发展具有重大意义。隧道工程是地铁交通的重要载体,其中盾构隧道管片的连接方式是隧道建设过程中的重中之重。目前采用的螺栓连接方式存在管片的环缝和纵缝之间连接点多,受力方向倾斜,受力面积小,操作空间狭窄,全部人工操作。不但劳动强度大,工作效率低,而且容易损坏管片,存在安全隐患,造成渗漏点多,质量难以保证,后期病害多发,维修成本高等问题。早在十年前,欧美等发达国家在隧道工程建设中已经成功应用承插式连接结构方式,从而提高了施工效率和隧道质量,实现了隧道盾构施工作业自动化。

针对上述问题,基于提高盾构隧道整体质量和快速施工为目标,镇江安华电气集团有限公司受上海轨道交通十八号线发展有限公司委托,并与同济大学、上海市隧道工程轨道交通设计研究院等单位合作,在充分吸收国外同类技术基础上,共同研究、创新开发了YM系列隧道衬砌管片预埋承插式连接件系列产品。该系列连接件由纵缝连接件和环缝连接件构成承插式组合件,其中纵缝连接件由凸型和凹型两个接头组成;环缝连接件由预埋螺母、连接螺杆和衬圈组成,按照设计要求分别精准定位预埋在隧道管片的纵缝和环缝端面。在拼装时,先把环缝连接件的连接螺杆一端旋入待拼装管片上的预埋螺母内,再将纵缝连接件的凸型接头的T形凸台插进凹型接头的槽口端,将环缝连接件连接螺杆另一端对准已拼装的预埋螺母并向前推进至规定位置(如图1管片拼装过程示意图),完成拼装紧固。本新型管片拼装的纵缝采用插入式,环缝采用滑插式连接,不需要螺栓连接。管片端部采用复合型止水材料,具有整体性更好、刚性更强、耐久性更优、防水性更高等特点。

 1、对齐管片拼接面             2、轴向插入               3、完成拼装紧固

一YAQZ25型纵缝连接件

    YAQZ25型纵缝连接件由球墨铸铁本体和螺纹钢筋组成,分别由凹型和凸型接头相互连接构成,采用滑插式连接固定结构(如图2)。

2  YAQZ25型纵缝连接件

1、连接件主体材料为球墨铸铁,符合GB/T1348-2009《球墨铸铁件》,牌号为QT500-7的标准,其材料技术性能指标符合表1要求。

1  连接件主体材料球墨铸铁QT500-7技术性能指标

抗拉强度(Rm/MPa)

屈服强度Rp0.2/MPa)

伸长率(A/%)

球化率(%)

布氏硬度

HBW)

主要基体组织

≥500

≥320

≥ 7

≥85

170~230

铁素体+珠光体

2、采用螺纹连接本体的锚筋材料为螺纹钢筋,符合GB/T1499.2-2018《钢筋混凝土用钢第2部分:热轧带筋钢筋》,牌号HRB400标准的要求。

3AQZ25型纵缝连接件整体拉伸承载力:400kN

4、连接件表面进行渗锌耐腐蚀处理:满足GB/T10125-2012人造气氛腐蚀试验盐雾试验》标准中性盐雾加速腐蚀性试验(NSS1200h,不出现红锈

5YAQZ25型纵缝连接件精准定位预埋在隧道管片的纵缝端面,其管片外形如图3所示。

                图3  纵缝连接件的凸型和凹型接头分别浇在管片的两个纵缝端面照

二、YMRJ20型环缝间快速连接组件

YMRJ20型环缝连接件由连接螺杆、衬圈和两个预埋螺母组成,采用锯齿形螺纹插入式连接自锁结构,主要由改性增韧聚酰胺材料制成,其组件如图4所示。

                         图4 YMRJ20型环缝连接件组件和在衬砌管片中的剖面图

1、结构

两个预埋螺母分别精准定位浇注镶嵌在衬砌管片环缝两侧的端面特定位置,端口分别留有能够容纳衬圈的喇叭口,连接螺杆两头有对称的从小到大三档不同直径与预埋螺母内螺纹配合的锯齿形螺纹,衬圈套入连接螺杆中部,最终嵌定在衬砌管片纵向两侧端面预埋螺母端的喇叭口内,如图5和图6所示。

5  预埋螺母预埋在管片环缝间端面照片

6  连接螺杆剖面

1)连接螺杆。连接螺杆是重要组成,是承载隧道管片与管片之间连接和定位的关键部件,还要承载管片之间的拉伸强度和剪切强度。因此在连接螺杆内部增加了钢筋嵌轴,以提高其力学性能(如图6),两头分别设有三个不同直径的锯齿形螺纹与预埋螺母配合。

2)预埋螺母(如图7)。预埋螺母分别精准预埋定位在两个相互配合连接的隧道管片纵缝端部,内部有三个不同直径的锯齿形螺纹与连接螺杆两头的锯齿形螺纹配合,通过连接螺杆实施管片之间连接定位的关键零件。

3)衬圈是套在连接螺杆外部中间衬垫两个隧道管片之间的辅助零件,预防管片之间可能出现的剪切作用力,起到减震、缓冲和保护作用。

2、原理:

衬砌管片进行拼装时,将连接螺杆一端旋入待拼装衬砌管片的预埋螺母中,衬圈件套入连接螺杆中部(至衬砌管片环缝端面喇叭口,如图5),连接螺杆的另一端对准已拼装的衬砌管片中的预埋螺母,向预埋螺母内插入推压至目标位置,实现连接和自锁紧固。由于连接螺杆和预埋螺母是锯齿形螺纹配合,锯齿形螺纹牙齿的前         

7  预埋螺母

进方向为斜角,后退方向垂直角,加上锯齿形螺纹牙齿具有一定强度和硬度以及柔韧性和弹性,在一定推力作用下斜面螺纹牙齿受挤压收缩,使螺栓充分压入预埋螺母里,当相互配合的螺纹牙齿最终到达所需位置时释放推进压力,此时锯齿形螺纹牙顶压力释放后回弹复位,螺纹牙齿后退方向的垂直面阻止后退自动连接锁定。

3、技术指标:

  1. 抗拉承载力:90KN
  2. 剪切承载力:180KN
  3. 老化性能:符合GB/T5312-2014规定的实际使用要求;
  4. 阻燃性能:应符合GB/T2408-2008 V-2等级要求。                                                      8  预埋承插式连接件管片现场                                     9  预埋承插式连接件管片在现场做抗渗漏水压试验情况

    10  预埋承插式连接件管片在同济大学做力学性能的试验现场

    三、采用本新型隧道管片预埋承插式连接件拼装与原专用螺栓连接拼装工艺对比分析

    上海申通地铁集团勇于开拓创新,首例在上海18号线沈梅路站至工作井区间入场线采用新型快速连接件管片错位拼装。本区间长1082.9m,隧道埋深5.1m13.3m,最小曲线半径约600m,最大纵坡29.907‰。区间设1座联络通道兼泵站,冷冻法加固,矿山法施工。

    区间主要穿越地层为灰色淤泥质粘土、灰色粘土;上部覆土为灰色淤泥质粉质粘土、灰色淤泥质粘土;下卧灰色粘土。

    本项目施工完成后经过检测,结果如下:

(一)新型快速连接件管片隧道实施效果

1全部隧道管片905环,在1MPa作用下检漏,无渗漏现象,全部合格。

2管片宽度180点:平均偏差0.14mm,最大正偏差0.25mm,允许偏差±0.3mm

3厚度:平均偏差0.54mm,最大偏差0.78mm,允许偏差为±1mm

4环向连接件120点:平均偏差0.16mm,最大正偏差0.4mm,允许偏差±0.5mm

5、对比传统管片宽度平均偏差降低了13%,厚度平均偏差降低了2%。

6、成型隧道环面平整度控制良好,错台大部分控制在0.5mm以内,少部分超过0.5mm,但未超过1mm,即环面平整度合格率达100%。

7、环间错台控制良好,错台量小,绝大部分错台控制在0.5mm以内,部分超过0.5mm,均不超过1mm。根据统计数据显示,共47环管片环间错台超过0.5mm,即环间错台合格率达100%。

8施工拼装精度高,速度快,效率高,操作简便,有待于实现拼装自动化作业。

(二)新型快速连接件管片与普通螺栓连接管片施工质量指标对比详见表3

3:新型快速连接件管片与普通螺栓连接管片施工质量指标对比表

项目

新型管片

普通管片

收敛变形

大部分<12mm,最大12.9mm

大部分>20mm,最大26.1mm

环、纵缝张开

大部分<0.5mm,最大0.75mm

最大2mm

环间错台

大部分<1mm,最大2mm

最大4mm

上浮量

最大21mm

大部分>60mm,最大77mm

高程偏差

大部分<50mm,最大63mm

大部分<60mm,最大81mm

水平偏差

大部分<50mm,最大71mm

大部分<60mm,最大61mm

管片损坏和隧道渗漏水

管片损坏率<1%,无渗漏水现象

管片损坏率>1%,有渗漏水现象

 

(二)新型快速连接件管片与普通螺栓连接管片施工成本对比分析

为了便于对比分析,以下按照隧道外径6600mm,单程长度1千米计算。

1、新型快速连接件的成本组成:

  1. 新型连接件综合成本组成:
  2. ①纵缝连接件12/环,计833环,合计9996/千米,按照每套300元估算,合计金额299.88万元/千米;

    ②环缝连接套16/环,计833环,合计13328/千米,按照每件130元估算,合计金额173.26万元/千米;

  3. 配套费用:金额30万元/千米;
  4. 以上合计:503.14万元/千米。

    2、普通螺栓连接件的综合成本组成:

  5. 一次性建成费用包括如下:
  6. ①接螺栓、螺母:金额93.3万元/千米;为重点内容

    ②连接件防腐涂层:金额26.7万元/千米;

    ③螺栓和拧紧螺母及复紧费用:金额16.5万元/千米;

    ④管片手孔加固钢筋:金额24.6万元/千米;

    ⑤管片手孔填充:23万元/千米;

    ⑥贯通隧道后螺栓除锈和通车后锈蚀螺栓后处理:15万元/千米;

    ⑦隧道堵漏和碎裂管片修补:18.5万元/千米;

    以上合计:217.6万元/千米。

  7. 传统采用普通螺栓连接件的隧道病害防治和费用情况:

依据目前地下区间盾构隧道结构病害检查标准,表观病害主要包括渗水和结构损伤两大类。其中:渗漏水病害按照渗漏等级和表现形式分为湿迹、渗水、滴水以及漏砂四种;结构损伤按照病害表现形式分为裂缝、破损两种。

根据2017年度某城市隧道巡检现存病害总数为1.7万多环,其中渗漏水病害6200多环,结构损伤近1800环,其他病害9000多环。检查结果显示,全网隧道渗漏水为隧道病害主要类型,占全部病害之比达36%,结构损伤类病害占比为11%,其他类病害占53%。其中渗漏水病害中,渗水和湿迹分别占渗漏水病害总数的64%和17%。结构损伤类病害中,裂缝和破损均占结构损伤病害总数的53%和47%。

从以上实例可见,传统采用普通螺栓连接件的病害情况较为严重,盾构隧道每年在防治病害方面所投入的人力、物力和财力成本巨大,预计平均每年每千米成本约25万元左右。而新型连接件应无这种费用,即使有也不会超过3万元。

城市轨道交通是繁荣经济、造福人类的百年大计,地铁隧道的质量和安全是关系到国际民生的大事,而地铁隧道设计为100年。

从以上投资成本来看,虽然一次性投资比传统的大好多,但如果把后期的维护成本计算进来,隧道寿命以100年计算,其综合投入:新型快速连接件803.14万元,传统螺栓连接方法2717.6万元,新型快速连接件总投入仅为传统螺栓连接的30%,详见表4

4:新型快速连接件管片隧道与普通螺栓连接管片隧道总投入对比表

新型连接件

普通螺栓连接

一次性投资

(万元)

病害防治成本

(万元)

合计

(万元)

一次性建成费用

(万元)

病害防治成本

合计

(万元)

50

100

连接件

配套费

50

100

503.14

30

150

 

653.14

217.6

1250

 

1467.6

 

300

803.14

 

2500

2717.6

 

四、采用新型盾构隧道衬砌管片预埋承插式连接件优势

18号线新型快速连接件管片的实际施工效果来看,各类施工质量评定指标均大大优于传统的普通螺栓连接的管片,其后期的病害及病害治理费用必将大大低于普通螺栓连接的管片,对于提高地下隧道整体质量和长期运行安全具有重要的意义,具有以下优势。

    1、改变国内传统管片螺栓连接方式,优化了管片结构,管片端部采用复合型止水材料后,具有整体性更好、刚性更强、耐久性更优、防水性更高等特点。

    2、无螺栓拧紧作业,大大减轻了劳动强度(可减少劳动力约2/3,拼装速度加快约1倍),拼装精度高,便于实现盾构隧道管片拼装的自动化,达到快速、高效、安全可靠、省力、环保的目的。

    3、可减少盾构隧道后期变形,提高盾构隧道整体质量,降低后期运营维护成本,提高经济效益。

4、施工更加便捷,因管片自身结构得到优化,使拼装质量提高,省去了手孔和嵌缝施工工序。避免管片整体结构产生损坏,有利于提升管片和隧道整体的施工质量和使用寿命。

 

五、目前推广应用情况

1、鉴于上海轨道交通18号线(盾构隧道外径为6600mm,衬砌环分块61)采用本新型预埋承插式连接件的管片的试验段试用运行情况良好,目前上海轨道交通13号线二期、18号线二期、21号线和23号线工程已经开始推广应用。图11为上海13号线西延伸工程承插式管片试拼装现场的照片。

2、南京江心洲穿越夹江隧道工程(盾构隧道外径为8800mm,衬砌环分块71)正在应用本技术产品。图12为南京江心洲穿越夹江隧道工程管片照片,图13为其中第二环拼装后检测数据。

3、济南轨道交通集团正在规划过程中,由我公司为主编的T/SDRTS-002-2022《盾构法隧道管片承插式连接件》团体标准已经山东轨道交通学会批准发布。图14为山东轨道交通学会《关于批准发布《盾构法隧道管片承插式连接件》团体标准的公告。

11上海13号线西延工程承插式管片试拼装照片       12 南京江心洲穿越夹江隧道工程管片照片