盾構(gòu)鋼套筒始發(fā)和接收關(guān)鍵技術(shù)研究

伍偉林， 朱宏海， 鄒 育， 王呼佳

(1. 中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 四川 成都 610031； 2. 華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院， 廣東 廣州 510641)

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盾構(gòu)鋼套筒始發(fā)和接收關(guān)鍵技術(shù)研究

伍偉林1， 朱宏海1， 鄒 育2,*， 王呼佳1

(1. 中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 四川 成都 610031； 2. 華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院， 廣東 廣州 510641)

為實現(xiàn)無端頭加固條件下盾構(gòu)鋼套筒的始發(fā)和接收問題，解決盾構(gòu)始發(fā)和接收過程中存在的安全和經(jīng)濟(jì)問題，針對目前盾構(gòu)鋼套筒始發(fā)和接收過程中存在的問題，采用類比分析、仿真計算和工程試驗等手段對鋼套筒的剛度、密閉性、保壓性和施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析研究，并對鋼套筒設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，將反力調(diào)節(jié)裝置和三通管裝置應(yīng)用于盾構(gòu)鋼套筒中。工程實踐表明： 1)采用3個長弧形+3個半圓形組塊對鋼套筒進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計后，施工更加便利、整體性更強； 2)反力調(diào)節(jié)裝置能有效減少鋼套筒與洞門環(huán)板連接處以及鋼套筒拼裝縫處的變形和位移，提高鋼套筒的密閉性能。

盾構(gòu)； 鋼套筒； 始發(fā)； 接收； 剛度； 密閉性； 保壓性

0 引言

采用盾構(gòu)始發(fā)端頭加固的措施大大降低了盾構(gòu)始發(fā)和接收的風(fēng)險，但各加固方法都有其適用條件[1-4]。盾構(gòu)鋼套筒平衡始發(fā)和接收技術(shù)可以在破除洞門前為盾構(gòu)始發(fā)建立水土平衡環(huán)境[5]，與端頭加固法相比，其安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性有較大的提高。針對鋼套筒輔助盾構(gòu)始發(fā)和接收技術(shù)，國內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了一些研究。李飛等[6]對盾構(gòu)接收輔助裝置進(jìn)行了設(shè)計研究； 王健[7]和賀衛(wèi)國[8]對盾構(gòu)接收鋼套筒輔助系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)； 陳珊東[9]總結(jié)了鋼套筒輔助盾構(gòu)接收的優(yōu)缺點及適用條件； 伍偉林等[10]、郭清華[11]和鄭石等[12]對鋼套筒的填料、密封以及施工注意事項等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。目前，對于鋼套筒的研究僅限于某個盾構(gòu)的始發(fā)或接收，研究內(nèi)容較為局限，且盾構(gòu)鋼套筒技術(shù)還不夠成熟?，F(xiàn)有的盾構(gòu)鋼套筒始發(fā)和接收技術(shù)均是與端頭加固工法聯(lián)合使用[13]，例如： 武漢軌道交通3號線采用鋼套筒平衡法和凍結(jié)法聯(lián)合使用的方法，東莞地鐵2號線采用鋼套筒平衡法與素混凝土連續(xù)墻、雙重管旋噴樁聯(lián)合使用的方法。與端頭加固工法聯(lián)合使用，不能完全體現(xiàn)出鋼套筒的優(yōu)勢和先進(jìn)性。為解決盾構(gòu)始發(fā)和接收過程中存在的安全和經(jīng)濟(jì)問題，通過對盾構(gòu)鋼套筒應(yīng)用中存在的問題進(jìn)行分析，以直徑為6 m的盾構(gòu)隧道為對象，對盾構(gòu)鋼套筒始發(fā)和接收的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。

1 鋼套筒應(yīng)用中存在的問題

盾構(gòu)鋼套筒始發(fā)和接收技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于全國的地鐵盾構(gòu)隧道建設(shè)中。但在大部分工程中，鋼套筒輔助技術(shù)是在端頭加固難以確保盾構(gòu)安全始發(fā)和接收時聯(lián)合端頭加固工藝被應(yīng)用于盾構(gòu)始發(fā)和接收工程中。通過調(diào)研盾構(gòu)鋼套筒始發(fā)和接收工程情況，發(fā)現(xiàn)目前鋼套筒應(yīng)用中存在的主要問題如下：

1)鋼套筒剛度不足導(dǎo)致鋼套筒在應(yīng)用過程中變形量過大，可循環(huán)使用次數(shù)偏低；

2)鋼套筒與洞門預(yù)埋環(huán)板連接處開裂，鋼套筒和反力架變形過大引起結(jié)構(gòu)破壞；

3)鋼套筒的密閉性差，各連接部位出現(xiàn)滲漏水現(xiàn)象(如圖1所示)，導(dǎo)致土艙無法維持自身需要的壓力而引起掌子面塌陷；

4)鋼套筒的保壓性不良，難以維持鋼套筒筒內(nèi)壓力的穩(wěn)定；

5)盾構(gòu)進(jìn)入接收鋼套筒后，掘進(jìn)參數(shù)的影響因素多、控制難度大。

2 盾構(gòu)鋼套筒始發(fā)和接收關(guān)鍵技術(shù)

針對盾構(gòu)鋼套筒始發(fā)和接收技術(shù)應(yīng)用中存在的問題，分別從鋼套筒剛度、密閉性、保壓性和施工關(guān)鍵技術(shù)4方面進(jìn)行了研究。

2.1 鋼套筒剛度

原鋼套筒筒體由6個大小相同的半圓組塊采用通縫拼接而成，筒體各部位的加勁肋均勻布置。套筒各組塊采用通縫拼接，鋼套筒整體剛度偏小，且對于筒體連接部位，因未進(jìn)行剛度加強，剛度較小，導(dǎo)致施工過程中原鋼套筒連接部位的變形量過大，出現(xiàn)滲漏水問題。施工完成后鋼套筒發(fā)生橢變，可循環(huán)利用率低。

在原鋼套筒結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)上，對其剛度進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)后的鋼套筒筒體由3個長弧形組塊(A1,A2,A3)和3個半圓形組塊(B1,B2,C)組成，各分塊采用錯縫連接，并對連接處的加勁肋進(jìn)行加強。這種設(shè)計加強了鋼套筒的整體性，且方便上下半圓形組塊的組裝。鋼套筒的立面圖和剖面圖如圖2所示。

(a) 立面圖

(b) 剖面圖

根據(jù)工程施工工況對鋼套筒各構(gòu)件進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力(包括應(yīng)力和位移等)的設(shè)計驗算，計算中施加的內(nèi)部徑向壓力為450 kPa。由計算結(jié)果可知，最大變形值為2.2 mm，最大Von Mises應(yīng)力為100 MPa。鋼套筒整體Von Mises應(yīng)力云圖如圖3所示。對于由Q235B鋼材焊接的直徑為6 500 mm的鋼套筒，最大位移僅為直徑的0.34‰，最大應(yīng)力僅為設(shè)計強度的40%，且應(yīng)力分布較為均勻，鋼套筒整體的剛度和強度滿足要求。

2.2 鋼套筒密閉性

主要從密封材料的選擇和減少接縫處的變形2方面對原鋼套筒的密封性進(jìn)行加強。

2.2.1 密封材料的選擇

鋼套筒組塊連接處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)采用柔性材料和膨脹性材料。鋼套筒與洞門環(huán)板之間采用焊接連接。在鋼套筒分塊連接處設(shè)置2道嵌入式密封圈，并在內(nèi)側(cè)涂抹聚氨酯，以增大接縫處的抗變形能力。負(fù)環(huán)管片接縫處采用三元乙丙橡膠密封墊+泡沫止水條防水，如圖4所示。泡沫止水條的作用是增加負(fù)環(huán)管片的隔水厚度、防止盾構(gòu)油脂流失以及減少盾尾刷的磨損，其較遇水膨脹止水條更容易施工。

圖3 鋼套筒整體Von Mises應(yīng)力云圖(單位： MPa)

圖4 負(fù)環(huán)管片接縫處密封示意圖

2.2.2 減少接縫處變形

盾構(gòu)刀盤切削掌子面時，因鋼套筒受到反作用力的影響，使得其與洞門環(huán)板連接部位和鋼套筒拼裝縫處為受拉狀態(tài)，從而發(fā)生密封失效和滲漏水現(xiàn)象，無法繼續(xù)維持鋼套筒的壓力。因此，在鋼套筒后端與反力架之間安裝反力調(diào)節(jié)裝置，通過反力調(diào)節(jié)裝置對鋼套筒施加預(yù)壓力，并對鋼套筒與洞門環(huán)板連接處的變形進(jìn)行監(jiān)測，確保鋼套筒與洞門環(huán)板連接處、鋼套筒拼裝縫處連接緊密，防止鋼套筒內(nèi)壓力過大而導(dǎo)致連接處漏水。鋼套筒與洞門環(huán)板的相對位移監(jiān)測方式如圖5所示。

根據(jù)工程施工經(jīng)驗，施加的總預(yù)壓力應(yīng)為800～10 000 kN。反力調(diào)節(jié)裝置是在反力架與鋼套筒后端環(huán)梁間均勻設(shè)置20個液壓千斤頂，共分為上、下、左、右4組，4組液壓千斤頂可獨立工作。反力調(diào)節(jié)裝置設(shè)計圖和現(xiàn)場施工圖如圖6所示。調(diào)節(jié)時，采用單組或多組液壓千斤頂頂推反力架，為鋼套筒相應(yīng)部位施加反力，避免鋼套筒與洞門環(huán)板連接處以及鋼套筒拼裝縫處受拉，確保密封完好。

圖5 鋼套筒與洞門環(huán)板的相對位移監(jiān)測方式

Fig. 5 Relative displacement monitoring between steel sleeve and central portal plate

(a) 設(shè)計圖(單位： mm)

(b) 現(xiàn)場施工圖

2.3 鋼套筒的保壓性

鋼套筒平衡始發(fā)和接收的核心技術(shù)是在密封鋼套筒內(nèi)創(chuàng)建與洞門端頭處相同的水土壓力環(huán)境，使盾構(gòu)破除洞門后不產(chǎn)生壓力差。當(dāng)鋼套筒內(nèi)部的水土壓力遠(yuǎn)小于隧道埋深位置的水土壓力時，鋼套筒不能發(fā)揮其平衡水土壓力的作用，易導(dǎo)致盾構(gòu)破除洞門時發(fā)生涌水和涌砂現(xiàn)象，甚至引發(fā)端頭地層塌陷和地下水涌入盾構(gòu)工作井等工程事故；當(dāng)鋼套筒內(nèi)部的水土壓力遠(yuǎn)大于盾構(gòu)埋深位置水土壓力時，鋼套筒可以起到平衡水土壓力的作用，但壓力過大易導(dǎo)致鋼套筒(特別是鋼套筒拼接部位)出現(xiàn)裂縫甚至破裂。因此，可通過設(shè)置加泄壓裝置和監(jiān)測裝置控制鋼套筒內(nèi)外的壓力平衡。

在鋼套筒封頂蓋中間位置設(shè)置三通管加泄壓裝置和壓力監(jiān)測表，如圖7所示。三通管具有加水壓和泄水壓的作用，當(dāng)壓力表讀數(shù)大于切口水壓力時，打開泄壓閥進(jìn)行排水泄壓，當(dāng)壓力表讀數(shù)小于切口水壓力時，打開進(jìn)水閥進(jìn)行加水加壓，從而保證鋼套筒內(nèi)外的水土壓力平衡。

圖7 三通管裝置和壓力監(jiān)測表

2.4 施工關(guān)鍵技術(shù)

2.4.1 盾構(gòu)參數(shù)控制

1)控制平衡始發(fā)推進(jìn)參數(shù)。始發(fā)時反力架承載力及刀盤轉(zhuǎn)數(shù)應(yīng)控制在一定的范圍內(nèi)。同時，為控制推進(jìn)軸線和保護(hù)刀盤，推進(jìn)速度不宜過快。

2)控制鋼套筒內(nèi)盾構(gòu)的掘進(jìn)參數(shù)。盾構(gòu)在鋼套筒內(nèi)掘進(jìn)時，應(yīng)嚴(yán)格控制掘進(jìn)速度、土艙壓力及推力等重要參數(shù)。

3)控制接收碰壁前的推進(jìn)參數(shù)。在即將碰壁前，減少推進(jìn)速度，并控制推力在合理的范圍之內(nèi)。

4)控制注漿參數(shù)。盾構(gòu)注漿分為同步注漿和二次注漿。盾構(gòu)同步注漿壓力取值為0.2～0.5 MPa，每環(huán)1.5 m的注漿量為5.26～7.29 m3。同步注漿速度與掘進(jìn)速度相匹配，根據(jù)盾構(gòu)完成1環(huán)掘進(jìn)時需要的注漿量確定平均注漿速度。另外，應(yīng)根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時進(jìn)行二次注漿，并及時補充注漿，必要時應(yīng)進(jìn)行洞內(nèi)深孔預(yù)注漿加固。

2.4.2 鋼套筒回填料的選擇

鋼套筒的回填料一方面可以增強泥水盾構(gòu)施工的整體保壓性能，另一方面可以增大盾構(gòu)進(jìn)入鋼套筒施工期間底部地基的承載力，避免盾構(gòu)筒體“栽頭”導(dǎo)致筒體直接與接收鋼套筒內(nèi)壁接觸。根據(jù)施工經(jīng)驗，應(yīng)綜合土層情況和盾構(gòu)選型情況進(jìn)行鋼套筒填料的選擇。土壓盾構(gòu)始發(fā)采用填砂的方式，泥水盾構(gòu)始發(fā)采用在鋼套筒軌道處填濃泥漿的方式，土壓盾構(gòu)接收采用底部填砂(鋼套筒1/3處)、頂部填惰性泥漿的方式，泥水盾構(gòu)接收采用底部填砂(鋼套筒1/3處)、頂部填濃泥漿的方式。

3 工程實例

3.1 工程概況

廣州地鐵13號線22#盾構(gòu)井位于廣州市增城區(qū)新塘鎮(zhèn)新塘大道西新墩村段，盾構(gòu)井南北兩側(cè)為3～6層的居民樓，與盾構(gòu)井的平面距離為7～9 m，居民樓較為密集。隧道洞身范圍內(nèi)主要為中粗砂層〈2-3〉、粉質(zhì)黏土層〈2-4〉和砂質(zhì)黏土層〈5Z-2〉。拱頂與地下穩(wěn)定水位的距離約為15 m。

22#盾構(gòu)井承擔(dān)2臺泥水平衡盾構(gòu)始發(fā)及2臺土壓平衡盾構(gòu)接收的任務(wù)。因征地及管線遷改等前期工程進(jìn)展緩慢，導(dǎo)致22#盾構(gòu)井施工工期滯后9個月，且隧道處于富水砂層，埋深大、水壓高，容易發(fā)生擊穿洞門橡膠簾布的問題，出現(xiàn)涌水和涌砂險情。因此，取消原厚800 mm的素混凝土連續(xù)墻+φ600 mm雙管旋噴樁的加固方案，采用盾構(gòu)鋼套筒始發(fā)和接收技術(shù)。

3.2 數(shù)據(jù)監(jiān)測

泥水平衡盾構(gòu)鋼套筒始發(fā)和土壓平衡盾構(gòu)鋼套筒接收過程中，對盾構(gòu)端頭進(jìn)行加密監(jiān)測，以端頭50 m范圍內(nèi)的建(構(gòu))筑物和隧道2倍埋深范圍內(nèi)的地表及管線為重點監(jiān)測對象。盾構(gòu)始發(fā)和接收端頭地面監(jiān)測點布置如圖8所示。以部分具有代表性的監(jiān)測結(jié)果為例，對應(yīng)的沉降曲線如圖9所示。2015年6月15日泥水平衡盾構(gòu)開始始發(fā)掘進(jìn)，2015年6月19日全部脫出鋼套筒； 2015年10月31日土壓平衡盾構(gòu)到達(dá)連續(xù)墻位置，并于2015年11月4日全部進(jìn)入鋼套筒內(nèi)。

(a) 始發(fā)端 (b) 接收端

圖8 始發(fā)端和接收端地面監(jiān)測點布置

Fig. 8 Layout of monitoring points on shield launching section and receiving section

(a) 始發(fā)端

(b) 接收端

Fig. 9 Settlement curves of ground surface at shield launching section and receiving section (in 2015)

3.3 數(shù)據(jù)分析

整個盾構(gòu)始發(fā)和接收過程中，地面出現(xiàn)了一定程度的隆起和沉降，但累計總沉降量均在-30 mm或+10 mm內(nèi)。一些監(jiān)測點的沉降速率雖然大于3 mm/d，但隨著盾構(gòu)的繼續(xù)掘進(jìn)沉降速率逐漸減小，并最終趨于穩(wěn)定。從整體上看，盾構(gòu)始發(fā)和接收過程中，沉降值均控制在要求范圍之內(nèi)，滿足施工及驗收要求，說明盾構(gòu)鋼套筒技術(shù)可以在無端頭加固的條件下確保盾構(gòu)成功始發(fā)和接收。

4 結(jié)論與討論

鋼套筒輔助盾構(gòu)始發(fā)和接收時，鋼套筒剛度、密閉性、保壓性以及施工參數(shù)的控制是盾構(gòu)安全始發(fā)和接收的關(guān)鍵。通過對無端頭加固條件下的鋼套筒始發(fā)和接收技術(shù)進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

1)改進(jìn)鋼套筒采用3個長弧形+3個半圓形組塊進(jìn)行設(shè)計。與傳統(tǒng)鋼套筒相比，施工更加便利，整體性能更強，剛度更大；

2)反力調(diào)節(jié)裝置能有效減少鋼套筒與洞門環(huán)板連接處以及鋼套筒拼裝縫處的變形和位移，提高鋼套筒的密閉性能；

3)新增的三通管和壓力監(jiān)測表可實時調(diào)節(jié)鋼套筒內(nèi)的水土壓力，提高了鋼套筒的保壓性能。

通過采用改進(jìn)的盾構(gòu)鋼套筒始發(fā)和接收技術(shù)，在無端頭加固的條件下，成功地完成了土壓平衡盾構(gòu)鋼套筒的接收和泥水平衡盾構(gòu)鋼套筒的始發(fā)。但鋼套筒對接縫拼裝精度要求較高，且剛性連接處抗變形能力較差，適用于鋼套筒的新型連接裝置有待進(jìn)一步研究。

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Study of Key Technologies of Steel Sleeve Launching and Receiving of Shield

WU Weilin1, ZHU Honghai1, ZOU Yu2, *, WANG Hujia1

(1.ChinaRailwayEryuanEngineeringGroupCo.,Ltd.,Chengdu610031,Sichuan,China; 2.SchoolofCivilEngineeringandTransportation,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510641,Guangdong,China)

There are many problems in steel sleeve launching and receiving of shield without end soil consolidation; and the safety and economy of shield launching and receiving should be guaranteed. As a result, the performances of steel sleeve, i. e. stiffness, tightness, leakproofness and pressure holding capacity, and key technologies are analyzed and studied by comparative analysis, simulation calculation and engineering test. The steel sleeve equipment is improved and the anti-force adjusting device and the three-way pipe device are adopted. The engineering practice shows that the improved steel sleeve can ensure the safety and efficiency of shield launching and receiving without end soil consolidation.

shield; steel sleeve; launching; receiving; stiffness; tightness; pressure holding capacity

2016-09-23;

2017-01-23

中鐵二院2015年度科技開發(fā)計劃項目(KYY2015044(15-16))

伍偉林(1983—)，男，湖南耒陽人，2010年畢業(yè)于華南理工大學(xué)，巖土工程專業(yè)，碩士，工程師，主要從事城市軌道交通隧道的設(shè)計工作。E-mail： wuweilin0302@126.com。*通訊作者： 鄒育， E-mail： zyou1992@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.07.014

U 455

B

1672-741X(2017)07-0872-06