地铁管片灌浆孔塑料套管应用及抗拔试验方法探究摘要：本文介绍地铁管片灌浆孔塑料套管的产品特点并结合广州地区的施工实际应用情况，对所出现问题进行探析，提出一些预防措施及新的抗拔试验方法。关键词：地铁管片塑料套管抗拔试验 目前，为解决日益严重的交通拥挤问题，国内的几个主要大城市如北京、上海、广州等都先后大规模地兴建地下轨道交通工程，以缓解城市交通压力。在地铁工程中，由于盾构法施工与矿山法相比，具有速度快、低造价、质量好、安全环保、对地面干扰较小等优点，目前，已经得到广泛的认可和应用。随着对国外技术的吸收与消化，地铁工程国产化程度的不断提高，管片生产及盾构施工技术也日渐成熟。灌浆孔塑料套管（以下简称塑料套管）是安装管片时必不可少的预埋件，其质量好坏直接关系到管片安装时的安全性。本文就地铁管片塑料套管的应用情况及抗拔试验方法方面提出笔者的一些见解。
1塑料套管产品特点 塑料套管是管片产品中的预埋件，它是以高强度工程塑料为主材，经改性前处理，辅以优质抗老化剂和其它助剂，用精密模具注射成型预埋于盾构隧道混凝土管片中形成吊装孔。 塑料套管产品的技术要求较高，使用时要求材料的韧性但又保证其结构强度，同时又要满足注射成型后的收缩变形量满足多道螺纹累积误差精度要求，并且与混凝土有好的相容性，以具有足够大的锚固力。在管片蒸汽养护加热和降温过程中不会因其热膨胀和冷缩导致与混凝土之间的裂缝。 它相对于钢制灌浆头，塑料套管有安装方便可靠、密封良好、成本低、抗腐蚀的优点，另外塑料套管不导电，采用塑料套管不须考虑的防迷流问题，对于管片结构钢筋起到隔离屏蔽作用，对延长隧道的使用寿命有很大帮助。2塑料套管的应用与发展 塑料套管主要作用是用于吊装管片和后期灌浆。在管片安装过程中，把盾构机安装抓举头旋进该组件的内螺纹连接孔实现管片的起吊和安装。在管片安装完毕形成隧道后，在需要进行第二次灌浆的时候，可以通过该灌浆孔从隧道内向外灌浆。 1994年广州兴建地铁一号线，广州市市政工程水泥制品有限公司负责生产全线的盾构隧道管片。管片规格6000×5400×1200mm×300mm，一环六片，标准片最大重量3.44t。管片设计所使用的塑料套管是通过日本都筑公司介绍，从英国订购。当时要求该套管抗拔荷载在12t以上或不少于管片自重的2.5倍。该产品在地铁一号线总体使用情况尚算可以，但成本昂贵。 在建造广州地铁二号线时，管片环长增加至1500mm，标准片最大重量4.3t，初时仍使用进口产品。由于使用德国海瑞克盾构机，管片安装机械手的抓举油缸作用力较大，塑料套管已在其性能极限边缘工作，因此，容易发生管片脱出的情况。 此时，国内的一些生产厂家开始开发生产此类产品，其中广铿建材有限公司通过采用改性聚酰胺基材料，成功开发出第一代抗拔力达到16t的塑料套管产品，同时也把生产成本降低了一半以上，实现了该产品的国产化，该产品成功应用于广州地铁二号线。之后，根据工程实践及实际需要，不断调试配方、改进设计，又开发出适用于各种管片、多种规格、不同抗拔要求的产品，最高抗拔荷载可达到37t。它们被广泛应用于广州、深圳、北京的地铁建设中。刚投入使用的广州交通轨道四号线，及在建的五号线已使用到其第五代产品，效果良好。3对施工中塑料套管的脱出事故的原因分析及预防措施 塑料套管的脱出事故的因素是多方面的。 从塑料套管本身抗拔力的角度来讲，是需要有足够的富余系数。起吊过程中，管片吊装孔需要安全地完成管片起吊和定位调整，抗拔件在动态下须具备足够的抗拔力，在实际操作中，即使在静态垂直起吊状态下，抓举机械手的抓举油缸向上拉管片和两个反向支持向下压紧管片形成的平衡受力体系中，在110×70的抓举油缸12Kpa的正常油压下，塑料灌浆头受的拉力已达到11.4t。加上管片安装时的动载及其它因素，实际所受的抗拔力要求应比外国专家提出的不少于管片自重的2.5倍要高得多。 根据广州地铁二、三号线的工程实践，使用抗拔力16t的三头三角螺纹或单头牙圆弧螺纹产品基本上能满足要求，但偶有脱出现象，而采用单头牙圆螺纹25t产品，就没有出现螺旋套拔坏的现象。有些设计单位提出抗拔力的设计标准为不得少于管片自重的4倍再加上20%的安全系数是比较合理的。 对于生产塑料套管要考虑选用机械性能好，表面硬度高，韧性好的改性聚酰胺基材料，而螺纹布置或有效长度的设计对抗拔力的影响也是很大的，如单头牙圆螺纹外表面为浅圆弧螺纹状对比三角螺纹更有利于浇筑时混凝土骨料在该位置的均匀分布，也避免了在该处振捣时难以气泡排出。而有效长度较长则有利于管片起吊过程中更好把住管片的重心位置。 在生产管片环节，要注意预埋塑料套管定位的准确和稳固，以防振捣混凝土时塑料套管移位或浮出，避免出现安装过程中抓举头不能完全旋入，或由于不垂直在起吊中出现应力过分集中，造成管片产品的报废。另外，很多管片模具是自带附着式高频振动器，采用风动振动方式振捣混凝土，其能量传动方向与通常的振捣棒相反，是由模具传向混凝土，钢摸及预埋件处混凝土受到较强振力，容易起浆，过振是对抗拔力极为不利，由于骨料沉降，预埋螺旋套的末端外围往往容易多浆少石，强度偏低，浮浆多时应进行清理，补充混凝土。采用连续级配骨料也可以保证预埋螺旋套外螺纹根部的混凝土强度。管片养护时避免杂物进入里面，保证其内部清洁。 在施工环节，要注意加强对灌浆头的清洁，在保证抓举头撑臂与管片内弧面有足够的摩擦力满足抓举头起吊安装的前提下尽可能地降低抓举油缸的油压，同时应考虑加装抓举头防滑止退装置保证抓举过程中不发生返松。在施工螺旋套的脱出事故中较多的是由于抓举头没旋到位或返松，出现部分螺牙“扫牙”现象，而整个拔出的情况相对较少。4塑料套管抗拔试验方法及改进 塑料套管抗拔试验是对预埋在管片中央的灌浆孔套管进行破坏性试验，检测其在外力作用下承受的最大抗拔力，为管片的生产和安全安装提供依据。 最初的抗拔试验方法是通过采用大型反力架和油压千斤顶组成的施力系统进行。试验装置如图3，该抗拔试验步骤为： ⑴将拉力螺杆旋入管片灌浆孔螺栓中，再将管片置于拉力架里，并使螺杆与拉力架用螺丝连接后，整体放置在支承架上，支承架承托着管片两侧； ⑵在拉力架下方安放两个测位移百分表； ⑶当千斤顶轴心升起时，拉力架带动螺杆向下拉，灌浆螺栓受力，百分表的读数显示螺杆的位移量； ⑷当压力不能再上升，百分表读数突然增大时，说明灌浆螺栓管承受的拉力已超出极限且被破坏，以此值为灌浆塑料套管的破坏力。 这种试验较为实际地模拟了管片吊装时的使用受力状态。不足的是只能对最小的封顶片（K片）进行，而且对人员、起吊设备、场地的要求较高。 后来，为试验方便和降低试验成本，一种可在室内进行的试验方法被提出来了。该试验的方法叫试件模拟法，是采用压力试验机加压体系进行。试验装置如图4。 试件的制作方法是将灌浆塑料套管与塑料筒连接好，模拟管片的钢筋布置，与之一起固定在300×300×300mm模具内，保证钢筋保护层50mm，按照管片配合比浇筑混凝土并振捣成型，并养护28天?？拱问匝椴街栉?⑴将加长的拉力螺杆旋入管片灌浆孔螺栓中，并穿过试件，再将立方体试验件螺口朝下置于压力试验机上下压板之间，对正。 ⑵在千斤顶（下压板）轴心面上安放两个百分表，测定位移变量； ⑶固定上压板不动，千斤顶（下压板）轴心升起，螺杆向下压，螺牙受力，百分表的读数显示螺杆的位移量； ⑷当压力不能再上升，百分表读数突然增大时，说明灌浆螺栓管承受的拉力已超出极限且被破坏，以此值为塑料套管的破坏力。 这种试验方法便于塑料套管生产厂家对产品的试验研发，可大量节约试验成本，对试验设备要求也不算高。但是，这种试验件与实际管片产品在体积上，混凝土及钢筋的约束等方面都有一定差异，得出的结果理论上会相对偏小。 在管片的实际使用中，有时盾构施工单位对有些成型的管片产品塑料套管安装质量（如移位）或塑料套管处混凝土质量有疑问时，对其抗拔力如何检验呢？用大型反力架法，易受场地、机械设备条件限制，对大块标准块管片又难以试验；而试验模拟法，又不能代表待测管片的实际情况。对于这类有疑问产品不经检验使用的话，万一吊装时脱落，将造成人员的伤亡、设备的损坏，不可忽视。而直接报废又没有经检验不合格的依据，对国家财产也是一种损失。这都是令盾构施工单位或管片预制单位头痛的问题。 针对这情况，笔者提出一种简易反力架形式的抗拔试验方法，通过实践，能很好地解决以上的问题。具体试验装置如图5所示。 试验采用可拆装的小型反力架和油压千斤顶组成的施力系统进行。检验其抗拔力能否达到设计要求便可，不需要做破坏试验。试验方法与大型反力架法相似，在此不累赘。它有很多优点： ⑴拆装方便，对场地、设备要求不高、单人可操作。 ⑵适用于各规格的管片产品塑料套管抗拔试验。 ⑶因采用实体试验，试验结果能直接反映实际情况。5结束语 广州地铁建设正飞速发展。通过广州地铁多条线的工程实践证明，盾构法施工的优越性越来越明显，应用得越来越广，而地铁管片及其配套组件的应用也紧跟其上，生产技术及试验方法也在实践中不断完善。 提高塑料套管的抗拔性能，加强对管片的生产控制及安装现场控制，对避免管片安装脱落，提高管片安装的安全性是很有帮助的。 简易反力架抗拔试验方法的提出，弥补了原有试验方法的不足，为盾构施工及管片生产单位提供了一种实用的测试现场管片吊装孔抗拔性能的新方法。
1塑料套管产品特点 塑料套管是管片产品中的预埋件，它是以高强度工程塑料为主材，经改性前处理，辅以优质抗老化剂和其它助剂，用精密模具注射成型预埋于盾构隧道混凝土管片中形成吊装孔。 塑料套管产品的技术要求较高，使用时要求材料的韧性但又保证其结构强度，同时又要满足注射成型后的收缩变形量满足多道螺纹累积误差精度要求，并且与混凝土有好的相容性，以具有足够大的锚固力。在管片蒸汽养护加热和降温过程中不会因其热膨胀和冷缩导致与混凝土之间的裂缝。 它相对于钢制灌浆头，塑料套管有安装方便可靠、密封良好、成本低、抗腐蚀的优点，另外塑料套管不导电，采用塑料套管不须考虑的防迷流问题，对于管片结构钢筋起到隔离屏蔽作用，对延长隧道的使用寿命有很大帮助。2塑料套管的应用与发展 塑料套管主要作用是用于吊装管片和后期灌浆。在管片安装过程中，把盾构机安装抓举头旋进该组件的内螺纹连接孔实现管片的起吊和安装。在管片安装完毕形成隧道后，在需要进行第二次灌浆的时候，可以通过该灌浆孔从隧道内向外灌浆。 1994年广州兴建地铁一号线，广州市市政工程水泥制品有限公司负责生产全线的盾构隧道管片。管片规格6000×5400×1200mm×300mm，一环六片，标准片最大重量3.44t。管片设计所使用的塑料套管是通过日本都筑公司介绍，从英国订购。当时要求该套管抗拔荷载在12t以上或不少于管片自重的2.5倍。该产品在地铁一号线总体使用情况尚算可以，但成本昂贵。 在建造广州地铁二号线时，管片环长增加至1500mm，标准片最大重量4.3t，初时仍使用进口产品。由于使用德国海瑞克盾构机，管片安装机械手的抓举油缸作用力较大，塑料套管已在其性能极限边缘工作，因此，容易发生管片脱出的情况。 此时，国内的一些生产厂家开始开发生产此类产品，其中广铿建材有限公司通过采用改性聚酰胺基材料，成功开发出第一代抗拔力达到16t的塑料套管产品，同时也把生产成本降低了一半以上，实现了该产品的国产化，该产品成功应用于广州地铁二号线。之后，根据工程实践及实际需要，不断调试配方、改进设计，又开发出适用于各种管片、多种规格、不同抗拔要求的产品，最高抗拔荷载可达到37t。它们被广泛应用于广州、深圳、北京的地铁建设中。刚投入使用的广州交通轨道四号线，及在建的五号线已使用到其第五代产品，效果良好。3对施工中塑料套管的脱出事故的原因分析及预防措施 塑料套管的脱出事故的因素是多方面的。 从塑料套管本身抗拔力的角度来讲，是需要有足够的富余系数。起吊过程中，管片吊装孔需要安全地完成管片起吊和定位调整，抗拔件在动态下须具备足够的抗拔力，在实际操作中，即使在静态垂直起吊状态下，抓举机械手的抓举油缸向上拉管片和两个反向支持向下压紧管片形成的平衡受力体系中，在110×70的抓举油缸12Kpa的正常油压下，塑料灌浆头受的拉力已达到11.4t。加上管片安装时的动载及其它因素，实际所受的抗拔力要求应比外国专家提出的不少于管片自重的2.5倍要高得多。 根据广州地铁二、三号线的工程实践，使用抗拔力16t的三头三角螺纹或单头牙圆弧螺纹产品基本上能满足要求，但偶有脱出现象，而采用单头牙圆螺纹25t产品，就没有出现螺旋套拔坏的现象。有些设计单位提出抗拔力的设计标准为不得少于管片自重的4倍再加上20%的安全系数是比较合理的。 对于生产塑料套管要考虑选用机械性能好，表面硬度高，韧性好的改性聚酰胺基材料，而螺纹布置或有效长度的设计对抗拔力的影响也是很大的，如单头牙圆螺纹外表面为浅圆弧螺纹状对比三角螺纹更有利于浇筑时混凝土骨料在该位置的均匀分布，也避免了在该处振捣时难以气泡排出。而有效长度较长则有利于管片起吊过程中更好把住管片的重心位置。 在生产管片环节，要注意预埋塑料套管定位的准确和稳固，以防振捣混凝土时塑料套管移位或浮出，避免出现安装过程中抓举头不能完全旋入，或由于不垂直在起吊中出现应力过分集中，造成管片产品的报废。另外，很多管片模具是自带附着式高频振动器，采用风动振动方式振捣混凝土，其能量传动方向与通常的振捣棒相反，是由模具传向混凝土，钢摸及预埋件处混凝土受到较强振力，容易起浆，过振是对抗拔力极为不利，由于骨料沉降，预埋螺旋套的末端外围往往容易多浆少石，强度偏低，浮浆多时应进行清理，补充混凝土。采用连续级配骨料也可以保证预埋螺旋套外螺纹根部的混凝土强度。管片养护时避免杂物进入里面，保证其内部清洁。 在施工环节，要注意加强对灌浆头的清洁，在保证抓举头撑臂与管片内弧面有足够的摩擦力满足抓举头起吊安装的前提下尽可能地降低抓举油缸的油压，同时应考虑加装抓举头防滑止退装置保证抓举过程中不发生返松。在施工螺旋套的脱出事故中较多的是由于抓举头没旋到位或返松，出现部分螺牙“扫牙”现象，而整个拔出的情况相对较少。4塑料套管抗拔试验方法及改进 塑料套管抗拔试验是对预埋在管片中央的灌浆孔套管进行破坏性试验，检测其在外力作用下承受的最大抗拔力，为管片的生产和安全安装提供依据。 最初的抗拔试验方法是通过采用大型反力架和油压千斤顶组成的施力系统进行。试验装置如图3，该抗拔试验步骤为： ⑴将拉力螺杆旋入管片灌浆孔螺栓中，再将管片置于拉力架里，并使螺杆与拉力架用螺丝连接后，整体放置在支承架上，支承架承托着管片两侧； ⑵在拉力架下方安放两个测位移百分表； ⑶当千斤顶轴心升起时，拉力架带动螺杆向下拉，灌浆螺栓受力，百分表的读数显示螺杆的位移量； ⑷当压力不能再上升，百分表读数突然增大时，说明灌浆螺栓管承受的拉力已超出极限且被破坏，以此值为灌浆塑料套管的破坏力。 这种试验较为实际地模拟了管片吊装时的使用受力状态。不足的是只能对最小的封顶片（K片）进行，而且对人员、起吊设备、场地的要求较高。 后来，为试验方便和降低试验成本，一种可在室内进行的试验方法被提出来了。该试验的方法叫试件模拟法，是采用压力试验机加压体系进行。试验装置如图4。 试件的制作方法是将灌浆塑料套管与塑料筒连接好，模拟管片的钢筋布置，与之一起固定在300×300×300mm模具内，保证钢筋保护层50mm，按照管片配合比浇筑混凝土并振捣成型，并养护28天?？拱问匝椴街栉?⑴将加长的拉力螺杆旋入管片灌浆孔螺栓中，并穿过试件，再将立方体试验件螺口朝下置于压力试验机上下压板之间，对正。 ⑵在千斤顶（下压板）轴心面上安放两个百分表，测定位移变量； ⑶固定上压板不动，千斤顶（下压板）轴心升起，螺杆向下压，螺牙受力，百分表的读数显示螺杆的位移量； ⑷当压力不能再上升，百分表读数突然增大时，说明灌浆螺栓管承受的拉力已超出极限且被破坏，以此值为塑料套管的破坏力。 这种试验方法便于塑料套管生产厂家对产品的试验研发，可大量节约试验成本，对试验设备要求也不算高。但是，这种试验件与实际管片产品在体积上，混凝土及钢筋的约束等方面都有一定差异，得出的结果理论上会相对偏小。 在管片的实际使用中，有时盾构施工单位对有些成型的管片产品塑料套管安装质量（如移位）或塑料套管处混凝土质量有疑问时，对其抗拔力如何检验呢？用大型反力架法，易受场地、机械设备条件限制，对大块标准块管片又难以试验；而试验模拟法，又不能代表待测管片的实际情况。对于这类有疑问产品不经检验使用的话，万一吊装时脱落，将造成人员的伤亡、设备的损坏，不可忽视。而直接报废又没有经检验不合格的依据，对国家财产也是一种损失。这都是令盾构施工单位或管片预制单位头痛的问题。 针对这情况，笔者提出一种简易反力架形式的抗拔试验方法，通过实践，能很好地解决以上的问题。具体试验装置如图5所示。 试验采用可拆装的小型反力架和油压千斤顶组成的施力系统进行。检验其抗拔力能否达到设计要求便可，不需要做破坏试验。试验方法与大型反力架法相似，在此不累赘。它有很多优点： ⑴拆装方便，对场地、设备要求不高、单人可操作。 ⑵适用于各规格的管片产品塑料套管抗拔试验。 ⑶因采用实体试验，试验结果能直接反映实际情况。5结束语 广州地铁建设正飞速发展。通过广州地铁多条线的工程实践证明，盾构法施工的优越性越来越明显，应用得越来越广，而地铁管片及其配套组件的应用也紧跟其上，生产技术及试验方法也在实践中不断完善。 提高塑料套管的抗拔性能，加强对管片的生产控制及安装现场控制，对避免管片安装脱落，提高管片安装的安全性是很有帮助的。 简易反力架抗拔试验方法的提出，弥补了原有试验方法的不足，为盾构施工及管片生产单位提供了一种实用的测试现场管片吊装孔抗拔性能的新方法。
