地鐵管片灌漿孔塑料套管應用及抗拔試驗方法探究摘要：本文介紹地鐵管片灌漿孔塑料套管的產品特點并結合廣州地區的施工實際應用情況，對所出現問題進行探析，提出一些預防措施及新的抗拔試驗方法。關鍵詞：地鐵管片塑料套管抗拔試驗 目前，為解決日益嚴重的交通擁擠問題，國內的幾個主要大城市如北京、上海、廣州等都先后大規模地興建地下軌道交通工程，以緩解城市交通壓力。在地鐵工程中，由于盾構法施工與礦山法相比，具有速度快、低造價、質量好、安全環保、對地面干擾較小等優點，目前，已經得到廣泛的認可和應用。隨著對國外技術的吸收與消化，地鐵工程國產化程度的不斷提高，管片生產及盾構施工技術也日漸成熟。灌漿孔塑料套管（以下簡稱塑料套管）是安裝管片時必不可少的預埋件，其質量好壞直接關系到管片安裝時的安全性。本文就地鐵管片塑料套管的應用情況及抗拔試驗方法方面提出筆者的一些見解。
1塑料套管產品特點 塑料套管是管片產品中的預埋件，它是以高強度工程塑料為主材，經改性前處理，輔以優質抗老化劑和其它助劑，用精密模具注射成型預埋于盾構隧道混凝土管片中形成吊裝孔。 塑料套管產品的技術要求較高，使用時要求材料的韌性但又保證其結構強度，同時又要滿足注射成型后的收縮變形量滿足多道螺紋累積誤差精度要求，并且與混凝土有好的相容性，以具有足夠大的錨固力。在管片蒸汽養護加熱和降溫過程中不會因其熱膨脹和冷縮導致與混凝土之間的裂縫。 它相對于鋼制灌漿頭，塑料套管有安裝方便可靠、密封良好、成本低、抗腐蝕的優點，另外塑料套管不導電，采用塑料套管不須考慮的防迷流問題，對于管片結構鋼筋起到隔離屏蔽作用，對延長隧道的使用壽命有很大幫助。2塑料套管的應用與發展 塑料套管主要作用是用于吊裝管片和后期灌漿。在管片安裝過程中，把盾構機安裝抓舉頭旋進該組件的內螺紋連接孔實現管片的起吊和安裝。在管片安裝完畢形成隧道后，在需要進行第二次灌漿的時候，可以通過該灌漿孔從隧道內向外灌漿。 1994年廣州興建地鐵一號線，廣州市市政工程水泥制品有限公司負責生產全線的盾構隧道管片。管片規格6000×5400×1200mm×300mm，一環六片，標準片最大重量3.44t。管片設計所使用的塑料套管是通過日本都筑公司介紹，從英國訂購。當時要求該套管抗拔荷載在12t以上或不少于管片自重的2.5倍。該產品在地鐵一號線總體使用情況尚算可以，但成本昂貴。 在建造廣州地鐵二號線時，管片環長增加至1500mm，標準片最大重量4.3t，初時仍使用進口產品。由于使用德國海瑞克盾構機，管片安裝機械手的抓舉油缸作用力較大，塑料套管已在其性能極限邊緣工作，因此，容易發生管片脫出的情況。 此時，國內的一些生產廠家開始開發生產此類產品，其中廣鏗建材有限公司通過采用改性聚酰胺基材料，成功開發出第一代抗拔力達到16t的塑料套管產品，同時也把生產成本降低了一半以上，實現了該產品的國產化，該產品成功應用于廣州地鐵二號線。之后，根據工程實踐及實際需要，不斷調試配方、改進設計，又開發出適用于各種管片、多種規格、不同抗拔要求的產品，最高抗拔荷載可達到37t。它們被廣泛應用于廣州、深圳、北京的地鐵建設中。剛投入使用的廣州交通軌道四號線，及在建的五號線已使用到其第五代產品，效果良好。3對施工中塑料套管的脫出事故的原因分析及預防措施 塑料套管的脫出事故的因素是多方面的。 從塑料套管本身抗拔力的角度來講，是需要有足夠的富余系數。起吊過程中，管片吊裝孔需要安全地完成管片起吊和定位調整，抗拔件在動態下須具備足夠的抗拔力，在實際操作中，即使在靜態垂直起吊狀態下，抓舉機械手的抓舉油缸向上拉管片和兩個反向支持向下壓緊管片形成的平衡受力體系中，在110×70的抓舉油缸12Kpa的正常油壓下，塑料灌漿頭受的拉力已達到11.4t。加上管片安裝時的動載及其它因素，實際所受的抗拔力要求應比外國專家提出的不少于管片自重的2.5倍要高得多。 根據廣州地鐵二、三號線的工程實踐，使用抗拔力16t的三頭三角螺紋或單頭牙圓弧螺紋產品基本上能滿足要求，但偶有脫出現象，而采用單頭牙圓螺紋25t產品，就沒有出現螺旋套拔壞的現象。有些設計單位提出抗拔力的設計標準為不得少于管片自重的4倍再加上20%的安全系數是比較合理的。 對于生產塑料套管要考慮選用機械性能好，表面硬度高，韌性好的改性聚酰胺基材料，而螺紋布置或有效長度的設計對抗拔力的影響也是很大的，如單頭牙圓螺紋外表面為淺圓弧螺紋狀對比三角螺紋更有利于澆筑時混凝土骨料在該位置的均勻分布，也避免了在該處振搗時難以氣泡排出。而有效長度較長則有利于管片起吊過程中更好把住管片的重心位置。 在生產管片環節，要注意預埋塑料套管定位的準確和穩固，以防振搗混凝土時塑料套管移位或浮出，避免出現安裝過程中抓舉頭不能完全旋入，或由于不垂直在起吊中出現應力過分集中，造成管片產品的報廢。另外，很多管片模具是自帶附著式高頻振動器，采用風動振動方式振搗混凝土，其能量傳動方向與通常的振搗棒相反，是由模具傳向混凝土，鋼摸及預埋件處混凝土受到較強振力，容易起漿，過振是對抗拔力極為不利，由于骨料沉降，預埋螺旋套的末端外圍往往容易多漿少石，強度偏低，浮漿多時應進行清理，補充混凝土。采用連續級配骨料也可以保證預埋螺旋套外螺紋根部的混凝土強度。管片養護時避免雜物進入里面，保證其內部清潔。 在施工環節，要注意加強對灌漿頭的清潔，在保證抓舉頭撐臂與管片內弧面有足夠的摩擦力滿足抓舉頭起吊安裝的前提下盡可能地降低抓舉油缸的油壓，同時應考慮加裝抓舉頭防滑止退裝置保證抓舉過程中不發生返松。在施工螺旋套的脫出事故中較多的是由于抓舉頭沒旋到位或返松，出現部分螺牙“掃牙”現象，而整個拔出的情況相對較少。4塑料套管抗拔試驗方法及改進 塑料套管抗拔試驗是對預埋在管片中央的灌漿孔套管進行破壞性試驗，檢測其在外力作用下承受的最大抗拔力，為管片的生產和安全安裝提供依據。 最初的抗拔試驗方法是通過采用大型反力架和油壓千斤頂組成的施力系統進行。試驗裝置如圖3，該抗拔試驗步驟為： ⑴將拉力螺桿旋入管片灌漿孔螺栓中，再將管片置于拉力架里，并使螺桿與拉力架用螺絲連接后，整體放置在支承架上，支承架承托著管片兩側； ⑵在拉力架下方安放兩個測位移百分表； ⑶當千斤頂軸心升起時，拉力架帶動螺桿向下拉，灌漿螺栓受力，百分表的讀數顯示螺桿的位移量； ⑷當壓力不能再上升，百分表讀數突然增大時，說明灌漿螺栓管承受的拉力已超出極限且被破壞，以此值為灌漿塑料套管的破壞力。 這種試驗較為實際地模擬了管片吊裝時的使用受力狀態。不足的是只能對最小的封頂片（K片）進行，而且對人員、起吊設備、場地的要求較高。 后來，為試驗方便和降低試驗成本，一種可在室內進行的試驗方法被提出來了。該試驗的方法叫試件模擬法，是采用壓力試驗機加壓體系進行。試驗裝置如圖4。 試件的制作方法是將灌漿塑料套管與塑料筒連接好，模擬管片的鋼筋布置，與之一起固定在300×300×300mm模具內，保證鋼筋保護層50mm，按照管片配合比澆筑混凝土并振搗成型，并養護28天?？拱卧囼灢襟E為： ⑴將加長的拉力螺桿旋入管片灌漿孔螺栓中，并穿過試件，再將立方體試驗件螺口朝下置于壓力試驗機上下壓板之間，對正。 ⑵在千斤頂（下壓板）軸心面上安放兩個百分表，測定位移變量； ⑶固定上壓板不動，千斤頂（下壓板）軸心升起，螺桿向下壓，螺牙受力，百分表的讀數顯示螺桿的位移量； ⑷當壓力不能再上升，百分表讀數突然增大時，說明灌漿螺栓管承受的拉力已超出極限且被破壞，以此值為塑料套管的破壞力。 這種試驗方法便于塑料套管生產廠家對產品的試驗研發，可大量節約試驗成本，對試驗設備要求也不算高。但是，這種試驗件與實際管片產品在體積上，混凝土及鋼筋的約束等方面都有一定差異，得出的結果理論上會相對偏小。 在管片的實際使用中，有時盾構施工單位對有些成型的管片產品塑料套管安裝質量（如移位）或塑料套管處混凝土質量有疑問時，對其抗拔力如何檢驗呢？用大型反力架法，易受場地、機械設備條件限制，對大塊標準塊管片又難以試驗；而試驗模擬法，又不能代表待測管片的實際情況。對于這類有疑問產品不經檢驗使用的話，萬一吊裝時脫落，將造成人員的傷亡、設備的損壞，不可忽視。而直接報廢又沒有經檢驗不合格的依據，對國家財產也是一種損失。這都是令盾構施工單位或管片預制單位頭痛的問題。 針對這情況，筆者提出一種簡易反力架形式的抗拔試驗方法，通過實踐，能很好地解決以上的問題。具體試驗裝置如圖5所示。 試驗采用可拆裝的小型反力架和油壓千斤頂組成的施力系統進行。檢驗其抗拔力能否達到設計要求便可，不需要做破壞試驗。試驗方法與大型反力架法相似，在此不累贅。它有很多優點： ⑴拆裝方便，對場地、設備要求不高、單人可操作。 ⑵適用于各規格的管片產品塑料套管抗拔試驗。 ⑶因采用實體試驗，試驗結果能直接反映實際情況。5結束語 廣州地鐵建設正飛速發展。通過廣州地鐵多條線的工程實踐證明，盾構法施工的優越性越來越明顯，應用得越來越廣，而地鐵管片及其配套組件的應用也緊跟其上，生產技術及試驗方法也在實踐中不斷完善。 提高塑料套管的抗拔性能，加強對管片的生產控制及安裝現場控制，對避免管片安裝脫落，提高管片安裝的安全性是很有幫助的。 簡易反力架抗拔試驗方法的提出，彌補了原有試驗方法的不足，為盾構施工及管片生產單位提供了一種實用的測試現場管片吊裝孔抗拔性能的新方法。
1塑料套管產品特點 塑料套管是管片產品中的預埋件，它是以高強度工程塑料為主材，經改性前處理，輔以優質抗老化劑和其它助劑，用精密模具注射成型預埋于盾構隧道混凝土管片中形成吊裝孔。 塑料套管產品的技術要求較高，使用時要求材料的韌性但又保證其結構強度，同時又要滿足注射成型后的收縮變形量滿足多道螺紋累積誤差精度要求，并且與混凝土有好的相容性，以具有足夠大的錨固力。在管片蒸汽養護加熱和降溫過程中不會因其熱膨脹和冷縮導致與混凝土之間的裂縫。 它相對于鋼制灌漿頭，塑料套管有安裝方便可靠、密封良好、成本低、抗腐蝕的優點，另外塑料套管不導電，采用塑料套管不須考慮的防迷流問題，對于管片結構鋼筋起到隔離屏蔽作用，對延長隧道的使用壽命有很大幫助。2塑料套管的應用與發展 塑料套管主要作用是用于吊裝管片和后期灌漿。在管片安裝過程中，把盾構機安裝抓舉頭旋進該組件的內螺紋連接孔實現管片的起吊和安裝。在管片安裝完畢形成隧道后，在需要進行第二次灌漿的時候，可以通過該灌漿孔從隧道內向外灌漿。 1994年廣州興建地鐵一號線，廣州市市政工程水泥制品有限公司負責生產全線的盾構隧道管片。管片規格6000×5400×1200mm×300mm，一環六片，標準片最大重量3.44t。管片設計所使用的塑料套管是通過日本都筑公司介紹，從英國訂購。當時要求該套管抗拔荷載在12t以上或不少于管片自重的2.5倍。該產品在地鐵一號線總體使用情況尚算可以，但成本昂貴。 在建造廣州地鐵二號線時，管片環長增加至1500mm，標準片最大重量4.3t，初時仍使用進口產品。由于使用德國海瑞克盾構機，管片安裝機械手的抓舉油缸作用力較大，塑料套管已在其性能極限邊緣工作，因此，容易發生管片脫出的情況。 此時，國內的一些生產廠家開始開發生產此類產品，其中廣鏗建材有限公司通過采用改性聚酰胺基材料，成功開發出第一代抗拔力達到16t的塑料套管產品，同時也把生產成本降低了一半以上，實現了該產品的國產化，該產品成功應用于廣州地鐵二號線。之后，根據工程實踐及實際需要，不斷調試配方、改進設計，又開發出適用于各種管片、多種規格、不同抗拔要求的產品，最高抗拔荷載可達到37t。它們被廣泛應用于廣州、深圳、北京的地鐵建設中。剛投入使用的廣州交通軌道四號線，及在建的五號線已使用到其第五代產品，效果良好。3對施工中塑料套管的脫出事故的原因分析及預防措施 塑料套管的脫出事故的因素是多方面的。 從塑料套管本身抗拔力的角度來講，是需要有足夠的富余系數。起吊過程中，管片吊裝孔需要安全地完成管片起吊和定位調整，抗拔件在動態下須具備足夠的抗拔力，在實際操作中，即使在靜態垂直起吊狀態下，抓舉機械手的抓舉油缸向上拉管片和兩個反向支持向下壓緊管片形成的平衡受力體系中，在110×70的抓舉油缸12Kpa的正常油壓下，塑料灌漿頭受的拉力已達到11.4t。加上管片安裝時的動載及其它因素，實際所受的抗拔力要求應比外國專家提出的不少于管片自重的2.5倍要高得多。 根據廣州地鐵二、三號線的工程實踐，使用抗拔力16t的三頭三角螺紋或單頭牙圓弧螺紋產品基本上能滿足要求，但偶有脫出現象，而采用單頭牙圓螺紋25t產品，就沒有出現螺旋套拔壞的現象。有些設計單位提出抗拔力的設計標準為不得少于管片自重的4倍再加上20%的安全系數是比較合理的。 對于生產塑料套管要考慮選用機械性能好，表面硬度高，韌性好的改性聚酰胺基材料，而螺紋布置或有效長度的設計對抗拔力的影響也是很大的，如單頭牙圓螺紋外表面為淺圓弧螺紋狀對比三角螺紋更有利于澆筑時混凝土骨料在該位置的均勻分布，也避免了在該處振搗時難以氣泡排出。而有效長度較長則有利于管片起吊過程中更好把住管片的重心位置。 在生產管片環節，要注意預埋塑料套管定位的準確和穩固，以防振搗混凝土時塑料套管移位或浮出，避免出現安裝過程中抓舉頭不能完全旋入，或由于不垂直在起吊中出現應力過分集中，造成管片產品的報廢。另外，很多管片模具是自帶附著式高頻振動器，采用風動振動方式振搗混凝土，其能量傳動方向與通常的振搗棒相反，是由模具傳向混凝土，鋼摸及預埋件處混凝土受到較強振力，容易起漿，過振是對抗拔力極為不利，由于骨料沉降，預埋螺旋套的末端外圍往往容易多漿少石，強度偏低，浮漿多時應進行清理，補充混凝土。采用連續級配骨料也可以保證預埋螺旋套外螺紋根部的混凝土強度。管片養護時避免雜物進入里面，保證其內部清潔。 在施工環節，要注意加強對灌漿頭的清潔，在保證抓舉頭撐臂與管片內弧面有足夠的摩擦力滿足抓舉頭起吊安裝的前提下盡可能地降低抓舉油缸的油壓，同時應考慮加裝抓舉頭防滑止退裝置保證抓舉過程中不發生返松。在施工螺旋套的脫出事故中較多的是由于抓舉頭沒旋到位或返松，出現部分螺牙“掃牙”現象，而整個拔出的情況相對較少。4塑料套管抗拔試驗方法及改進 塑料套管抗拔試驗是對預埋在管片中央的灌漿孔套管進行破壞性試驗，檢測其在外力作用下承受的最大抗拔力，為管片的生產和安全安裝提供依據。 最初的抗拔試驗方法是通過采用大型反力架和油壓千斤頂組成的施力系統進行。試驗裝置如圖3，該抗拔試驗步驟為： ⑴將拉力螺桿旋入管片灌漿孔螺栓中，再將管片置于拉力架里，并使螺桿與拉力架用螺絲連接后，整體放置在支承架上，支承架承托著管片兩側； ⑵在拉力架下方安放兩個測位移百分表； ⑶當千斤頂軸心升起時，拉力架帶動螺桿向下拉，灌漿螺栓受力，百分表的讀數顯示螺桿的位移量； ⑷當壓力不能再上升，百分表讀數突然增大時，說明灌漿螺栓管承受的拉力已超出極限且被破壞，以此值為灌漿塑料套管的破壞力。 這種試驗較為實際地模擬了管片吊裝時的使用受力狀態。不足的是只能對最小的封頂片（K片）進行，而且對人員、起吊設備、場地的要求較高。 后來，為試驗方便和降低試驗成本，一種可在室內進行的試驗方法被提出來了。該試驗的方法叫試件模擬法，是采用壓力試驗機加壓體系進行。試驗裝置如圖4。 試件的制作方法是將灌漿塑料套管與塑料筒連接好，模擬管片的鋼筋布置，與之一起固定在300×300×300mm模具內，保證鋼筋保護層50mm，按照管片配合比澆筑混凝土并振搗成型，并養護28天?？拱卧囼灢襟E為： ⑴將加長的拉力螺桿旋入管片灌漿孔螺栓中，并穿過試件，再將立方體試驗件螺口朝下置于壓力試驗機上下壓板之間，對正。 ⑵在千斤頂（下壓板）軸心面上安放兩個百分表，測定位移變量； ⑶固定上壓板不動，千斤頂（下壓板）軸心升起，螺桿向下壓，螺牙受力，百分表的讀數顯示螺桿的位移量； ⑷當壓力不能再上升，百分表讀數突然增大時，說明灌漿螺栓管承受的拉力已超出極限且被破壞，以此值為塑料套管的破壞力。 這種試驗方法便于塑料套管生產廠家對產品的試驗研發，可大量節約試驗成本，對試驗設備要求也不算高。但是，這種試驗件與實際管片產品在體積上，混凝土及鋼筋的約束等方面都有一定差異，得出的結果理論上會相對偏小。 在管片的實際使用中，有時盾構施工單位對有些成型的管片產品塑料套管安裝質量（如移位）或塑料套管處混凝土質量有疑問時，對其抗拔力如何檢驗呢？用大型反力架法，易受場地、機械設備條件限制，對大塊標準塊管片又難以試驗；而試驗模擬法，又不能代表待測管片的實際情況。對于這類有疑問產品不經檢驗使用的話，萬一吊裝時脫落，將造成人員的傷亡、設備的損壞，不可忽視。而直接報廢又沒有經檢驗不合格的依據，對國家財產也是一種損失。這都是令盾構施工單位或管片預制單位頭痛的問題。 針對這情況，筆者提出一種簡易反力架形式的抗拔試驗方法，通過實踐，能很好地解決以上的問題。具體試驗裝置如圖5所示。 試驗采用可拆裝的小型反力架和油壓千斤頂組成的施力系統進行。檢驗其抗拔力能否達到設計要求便可，不需要做破壞試驗。試驗方法與大型反力架法相似，在此不累贅。它有很多優點： ⑴拆裝方便，對場地、設備要求不高、單人可操作。 ⑵適用于各規格的管片產品塑料套管抗拔試驗。 ⑶因采用實體試驗，試驗結果能直接反映實際情況。5結束語 廣州地鐵建設正飛速發展。通過廣州地鐵多條線的工程實踐證明，盾構法施工的優越性越來越明顯，應用得越來越廣，而地鐵管片及其配套組件的應用也緊跟其上，生產技術及試驗方法也在實踐中不斷完善。 提高塑料套管的抗拔性能，加強對管片的生產控制及安裝現場控制，對避免管片安裝脫落，提高管片安裝的安全性是很有幫助的。 簡易反力架抗拔試驗方法的提出，彌補了原有試驗方法的不足，為盾構施工及管片生產單位提供了一種實用的測試現場管片吊裝孔抗拔性能的新方法。
