一种降低道床与管片之间脱空的新型管片螺栓技术

张杰，张家乐，刘金龙，祝磊

（1.中煤第三建设(集团)有限责任公司，安徽 合肥 230031;2.合肥学院 城市建设与交通学院，安徽 合肥 230601）

1 引言

盾构法施工已在地铁隧道中得到了广泛应用，盾构隧道由盾构管片拼装而成。一环地铁隧道由六块管片组装而成，包括三块标准块、两块邻接块与一块封顶块，通常管片之间环向用12个M27螺栓连接，纵向用16 个M27 螺栓连接。地铁道床铺设于盾构管片底部上方，是轨道框架的基础，把行车荷载传递给管片及周边岩土体。

现行的道床钢筋混凝土与管片之间并无本质上的连接，而盾构管片在纵向与环向极易产生管片间的错动变形，进而导致道床与管片之间相互脱空。工程地质、水文地质、管片拼装质量、隧道不均匀变形、列车振动、新老混凝土粘结度较差等原因均可导致道床与管片之间产生脱空。

如上海地铁1 号线黄陂南路站-新闸路站区间内，隧道与道床间接触的部位发生开裂，裂缝宽度在0.5～0.8mm 左右[1]；北京地铁机场线T2 至三元桥上行线路K4+860 附近20 环管片范围内发现不均匀沉降现象，管片最大错台量达20mm，道床与结构最大脱空超过12mm[2]；成都1 号线三期、3 号线二/三期、4号线二期、7号线、10号线一期共发现约3000 处剥离[3]，道床与管片剥离的现象在成都地铁盾构区间中较为常见。董飞等[4]对北京地铁隧道的病害状态进行了总结，其中道床与管片之间的剥离导致道床产生横向贯通裂缝最大达6mm。

目前，关于盾构管片与道床之间的脱空研究主要集中在脱空现象的探测[5-8]及脱空危害的治理[9-12]方面，而对设计中如何加强管片与道床之间的相互连接研究较少。

为此，本文提供一种盾构管片新型螺栓，使道床钢筋笼与管片之间牢固连接，达到减少与预防脱空现象产生的目的。

2 新型管片螺栓

盾构管片传统螺栓组装前后的构造如图1 与图2 所示，其由螺杆、头部、螺纹、螺母、垫片组装而成。传统道床钢筋笼如图3与图4所示，钢筋笼置于管片内侧底部，一般仅把接触面上的管片表面凿毛处理，故钢筋笼与管片之间无本质上的连接，且由于两者的混凝土等级差别较大（盾构管片混凝土等级为C50、道床混凝土等级一般为C35），导致两者之间的界面粘结强度较低。

图1 传统管片螺栓组装前示意图

图2 传统管片螺栓组装后示意图

图3 道床钢筋笼置于隧道管片示意图

图4 道床钢筋笼示意图

为此，提出了一种盾构管片新型螺栓，组装前后的构造如图5 与图6 所示。新型螺栓为在传统螺栓的头部增设一定长度的带螺纹的螺杆，该构型是为了便于在螺栓头部位置绑定拉筋。拉筋一端与道床钢筋笼绑扎相连、另一端与管片新型螺栓牢固相连，如图7 与图8 所示。所述的拉筋能有效将荷载基于新型螺栓传递给管片，从而抑制了相互脱空的形成与发展。

图5 新型管片螺栓组装前示意图

图7 新型管片螺栓与拉筋连接示意图

图8 拉筋与道床钢筋笼连接示意图

连接时，拉筋一端有效缠绕在新型螺栓的头部带螺纹的螺杆上，并通过垫片与螺母旋紧与固定，如图7 所示。拉筋的另一端与道床钢筋笼绑扎相连属于常规做法，新型螺栓应具有足够的强度，在拉筋的荷载作用下不发生屈服与破坏。

道床钢筋笼设置拉筋位置处的管片螺栓采用新型螺栓，其余不设置拉筋位置处的管片螺栓仍采用传统螺栓。

故使用新型管片螺栓的道床钢筋笼，包括道床钢筋笼与拉筋。道床钢筋笼置于管片内侧底部，由底部纵筋、顶部纵筋、横向架立筋与箍筋组成；拉筋一端与道床钢筋笼绑扎相连、另一端与管片新型螺栓牢固相连；拉筋能有效将荷载传递给新型螺栓承担，如图9所示。

图9 增设拉筋的道床钢筋笼连接示意图

3 制作与施工要点

抵抗道床与管片脱空的道床钢筋笼的施工要点如下：在盾构管片组装时，对于道床底部范围内的管片连接采用新型螺栓，其余位置的管片螺栓仍采用传统螺栓；进入道床施工阶段时，将拉筋一端加工成略大于螺杆直径孔洞的弯曲段，将弯曲段套入新型螺栓头部附近的带螺纹的螺杆上，基于垫片与螺母旋紧，使拉筋与新型螺栓牢固相连；后续按常规方法在道床范围内绑扎道床钢筋笼，并把拉筋的另一端与道床钢筋笼绑扎相连；后续在道床内设置扣件、轨道，浇筑混凝土，最终形成供地铁车辆使用的道床结构。

新型管片螺栓的优点：道床钢筋笼通过拉筋与管片螺栓牢固相连，拉筋能把一定荷载传递给管片新型螺栓，从而管片与道床钢筋笼形成有效约束、固定关系，有效减少与预防了道床与管片之间脱空的产生；新型螺栓仅在传统螺栓头部增设一定长度的带螺纹螺杆，该新型螺栓构造简单、加工方便，与传统螺栓相比新型螺栓的连接管片施工并无区别，且仅在道床钢筋笼设置拉筋位置处的管片螺栓采用新型螺栓，其余不设置拉筋位置处的管片连接仍采用传统螺栓；道床钢筋笼与传统方法相比，仅增加拉筋，对施工工期与工程造价无明显影响，但大大提高了道床混凝土结构与管片之间的整体性，提高了列车运行安全性，降低了后期道床维修与保养难度，具有经济性与实用性。

4 结论

文章提出了一种新型管片螺栓，为在传统螺栓的头部增设一定长度的带螺纹的螺杆。该构型是为了便于在螺栓头部位置绑定拉筋。拉筋一端与道床钢筋笼绑扎相连、另一端与管片新型螺栓牢固相连，能有效将荷载基于新型螺栓传递给管片，从而抑制了相互脱空的形成与发展。

新型螺栓构造简单、加工方便，与传统螺栓相比新型螺栓的连接管片施工并无区别，且仅在道床钢筋笼设置拉筋位置处的管片螺栓采用新型螺栓，其余不设置拉筋位置处的管片连接仍采用传统螺栓。

道床钢筋笼与传统方法相比，仅增加拉筋对施工工期与工程造价无明显影响，但大大提高了道床混凝土结构与管片之间的整体性，为从源头杜绝与减少道床与管片之间的相互脱空提供了新思路。