盾構(gòu)接收鋼套筒受力實(shí)測分析

孫九春，奚曉廣，翁鶴森，王 哲，王 瑞

（1.騰達(dá)建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，浙江 杭州 311215；2.浙江工業(yè)大學(xué)巖土工程研究所，浙江 杭州 310023）

0 引 言

盾構(gòu)法隧道施工是城市地鐵隧道建設(shè)中常用的施工方法，同時盾構(gòu)接收也是盾構(gòu)法施工中風(fēng)險最高的環(huán)節(jié)之一，而目前盾構(gòu)接收中存在端頭土體加固效果無法保證且施工風(fēng)險性高的情況。針對此種情況，鋼套筒接收方法應(yīng)運(yùn)而生，以其安全性高、經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于各類盾構(gòu)接收工程，因此對鋼套筒的研究具有重要意義。

陳珊東[1]依托國內(nèi)首個鋼套筒接收工程，認(rèn)為鋼套筒接收具有適用性廣、能免除端頭加固的優(yōu)點(diǎn)，但是同時鋼套筒接收也存在工期長、運(yùn)輸及保管困難等問題；王健[2]及伍偉林[3]針對鋼套筒使用中存在的密封性差、易變形導(dǎo)致循環(huán)使用次數(shù)少等問題提出了鋼套筒的改型設(shè)計；肖衡[4]依托長沙地鐵1號線黃興廣場站盾構(gòu)接收工程，采用鋼套筒接收及玻璃纖維筋地連墻的方式免除了人工鑿除地連墻鋼筋環(huán)節(jié)，節(jié)省了工期；廖少明[5]通過有限元法分析了盾構(gòu)接收過程中鋼套筒的受力變形情況；此外，胡乘愷[6]和王寶佳[7]還依托實(shí)際工程研究鋼套筒盾構(gòu)接收中相關(guān)施工參數(shù)控制。

目前對盾構(gòu)接收鋼套筒的研究主要集中在對盾構(gòu)施工參數(shù)控制、鋼套筒結(jié)構(gòu)設(shè)計改型等，對其接收過程受力的研究較少涉及。基于此，本文依托杭州地鐵6號線奧體中心站左線盾構(gòu)接收工程，采用實(shí)測分析研究盾構(gòu)接收過程中鋼套筒受力情況，為今后的鋼套筒設(shè)計施工提供借鑒。

1 工程概況

杭州地鐵6號線奧體站—博覽站區(qū)間位于杭州奧體中心與國際博覽中心地塊范圍，區(qū)間線路出奧體站后由南向北到達(dá)博覽站，左線隧道設(shè)計起止里程：ZDK23+386.574～ZDK24+082.505，全長約為702.731 m，隧道埋深約19.13 m，采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工。由于接收端土層自身承載力較差，同時接收端施工環(huán)境復(fù)雜，環(huán)境保護(hù)要求高，考慮盾構(gòu)接收時涌水涌砂的風(fēng)險，為增加盾構(gòu)接收工程的安全性，故奧體中心站盾構(gòu)接收工程采用洞門水平冷凍法端頭加固配合鋼套筒法進(jìn)行盾構(gòu)接收，盾構(gòu)接收端土體情況如圖1所示，端頭土體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖1 盾構(gòu)接收端土質(zhì)情況Fig.1 Soil condition of shield receiving end

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of soil

2 鋼套筒接收施工

2.1 鋼套筒結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)奧體中心站盾構(gòu)洞門尺寸及盾構(gòu)機(jī)尺寸，設(shè)計鋼套筒結(jié)構(gòu)尺寸11.43 m，整個結(jié)構(gòu)分為1個過渡環(huán)（長0.8 m，分上下兩部分）、4個標(biāo)準(zhǔn)筒體（長2.5 m，分上下兩部分）、后蓋板、反力架等。上下兩部分及兩段筒體之間均采用 M30，8.8級螺栓連接，中間加8 mm厚橡膠墊密封。鋼套筒筒身內(nèi)徑6.8 m，外徑6.84 m，要求承受壓強(qiáng)0.2 MPa，鋼套筒結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 盾構(gòu)接收鋼套筒Fig.2 Shield receiving steel sleeve

2.2 盾構(gòu)接收

整個盾構(gòu)接收流程主要包含現(xiàn)場鋼套筒拼裝、密封性檢測、洞門鑿除、盾構(gòu)推進(jìn)、盾構(gòu)機(jī)及鋼套筒拆除等環(huán)節(jié)，具體施工流程如圖3所示。其中盾構(gòu)推進(jìn)進(jìn)入鋼套筒的過程是整個盾構(gòu)接收流程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，風(fēng)險高、難度大、持續(xù)時間長，在整個盾構(gòu)接收過程中需要重點(diǎn)關(guān)注。

圖3 鋼套筒接收流程圖Fig.3 Steel sleeve receiving flow chart

鋼套筒盾構(gòu)接收主要分為：（1）盾構(gòu)推進(jìn)到達(dá)冷凍加固區(qū)外；（2）盾構(gòu)在冷凍加固區(qū)土層內(nèi)推進(jìn)；（3）盾構(gòu)在鋼套筒內(nèi)推進(jìn)。在盾構(gòu)接收前就應(yīng)通過對隧道進(jìn)行測量，進(jìn)而能夠及時對盾構(gòu)的姿態(tài)進(jìn)行糾偏，保證盾構(gòu)順利進(jìn)入鋼套筒內(nèi)。鋼套筒接收過程中鋼套筒結(jié)構(gòu)的密封保壓性是盾構(gòu)順利接收的關(guān)鍵，需嚴(yán)格控制盾構(gòu)推進(jìn)的相關(guān)參數(shù)及姿態(tài)，避免盾構(gòu)磕碰鋼套筒內(nèi)壁，造成鋼套筒密封失效。盾構(gòu)在鋼套筒內(nèi)推進(jìn)過程中應(yīng)控制推進(jìn)速度10～20 mm/min、總推力 1 200 t以下、土倉壓力200 kPa±20 kPa。

3 鋼套筒接收實(shí)測分析

3.1 現(xiàn)場監(jiān)測布置方案

為保證盾構(gòu)接收過程中鋼套筒結(jié)構(gòu)的安全性，同時探究盾構(gòu)接收過程中鋼套筒的受力狀態(tài)，在鋼套筒表面布置監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測盾構(gòu)接收過程中的應(yīng)力及筒身間相對位移狀態(tài)。考慮對稱性，在鋼套筒一側(cè)布各類監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測布置如圖4～6所示，現(xiàn)場傳感器布置如圖7所示。盾構(gòu)從第577環(huán)開始破除洞門逐漸進(jìn)入鋼套筒內(nèi)，即盾構(gòu)刀盤在鋼套筒與洞門連接處，之后盾構(gòu)逐漸進(jìn)入鋼套筒內(nèi)至完全進(jìn)入，盾構(gòu)接收結(jié)束時刀盤位置距離鋼套筒后蓋約0.5 m。

圖4 環(huán)向應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)Fig.4 Circumferential stress monitoring points

圖5 縱向應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)Fig.5 Longitudinal stress monitoring points

圖6 筒身縫隙相對位移監(jiān)測點(diǎn)Fig.6 Monitoring points of relative displacement of cylinder gap

圖7 現(xiàn)場傳感器布置Fig.7 Field sensor layout

3.2 盾構(gòu)推進(jìn)中筒身環(huán)向拉應(yīng)力

圖8為盾構(gòu)接收過程中鋼套筒環(huán)向拉應(yīng)力實(shí)測圖，由圖可知：（1）盾構(gòu)進(jìn)入鋼套筒時對鋼套筒表面環(huán)向拉應(yīng)力的影響總體處于較低水平，最大拉應(yīng)力為 15.9 MPa，遠(yuǎn)低于筒身材料的屈服強(qiáng)度f=235 MPa；（2）鋼套筒表面環(huán)向拉應(yīng)力變化趨勢基本相同，同時靠近后蓋板處的環(huán)向拉應(yīng)力總體大于靠近洞門處的環(huán)向拉應(yīng)力，但總體相差較小，僅相差3～5 MPa之間；（3）隨著盾構(gòu)逐漸進(jìn)入鋼套筒內(nèi)，鋼套筒表面環(huán)向拉應(yīng)力開始逐漸增長，峰值達(dá)到14.3 MPa后整體環(huán)向拉應(yīng)力逐漸下降；（4）在盾構(gòu)達(dá)到584環(huán)時，整體環(huán)向拉應(yīng)力出現(xiàn)了突增，最大達(dá)到 15.9 MPa，結(jié)合現(xiàn)場施工工況，考慮環(huán)向拉應(yīng)力的突增是由于洞門外冷凍法的失效，洞門外水涌進(jìn)鋼套筒內(nèi)引起鋼套筒表面環(huán)向拉應(yīng)力突增，后續(xù)隨著盾構(gòu)逐漸進(jìn)入鋼套筒內(nèi)，環(huán)向拉應(yīng)力逐漸減?。唬?）盾構(gòu)接收結(jié)束時，靠近洞門處環(huán)向拉應(yīng)力約為 0，靠近后蓋板處環(huán)向拉應(yīng)力維持在約5 MPa。

圖8 盾構(gòu)接收過程中鋼套筒環(huán)向拉應(yīng)力Fig.8 Circumferential tensile stress of steel sleeve during shield acceptance

綜上所述，鋼套筒接收時盾構(gòu)推進(jìn)對鋼套筒整體環(huán)向拉應(yīng)力的影響處于較低水平，接收過程中筒體最大環(huán)向拉應(yīng)力為15.9 MPa，盾構(gòu)推進(jìn)過程中，鋼套筒表面環(huán)向拉應(yīng)力逐漸增長，在達(dá)到峰值后逐漸下降，施工過程中盾構(gòu)剛進(jìn)入鋼套筒時是薄弱環(huán)節(jié)，同時盾構(gòu)接收過程中靠近后蓋處筒體環(huán)向拉應(yīng)力影響略大于前端靠近洞門處筒體。

3.3 盾構(gòu)推進(jìn)中鋼套筒縱向拉應(yīng)力

圖9為盾構(gòu)接收過程中鋼套筒表面縱向拉應(yīng)力實(shí)測圖，由圖可知：（1）類似環(huán)向拉應(yīng)力，盾構(gòu)進(jìn)入鋼套筒過程對鋼套筒表面縱向拉應(yīng)力影響也處于較低的水平，鋼套筒最大縱向拉應(yīng)力為13.2 MPa，遠(yuǎn)低于鋼材屈服強(qiáng)度f=235 MPa；（2）隨著盾構(gòu)進(jìn)入鋼套筒，鋼套筒表面縱向應(yīng)力呈現(xiàn)分層現(xiàn)象，盾構(gòu)推進(jìn)對鋼套筒腰部處縱向應(yīng)力影響最大，對中下部縱向應(yīng)力影響較??；（3）隨著盾構(gòu)進(jìn)入鋼套筒內(nèi)，鋼套筒表面測點(diǎn)處縱向應(yīng)力逐漸增長，在一開始達(dá)到峰值后逐漸下降，其中最大縱向應(yīng)力為13.2 MPa；（4）在盾構(gòu)到達(dá)584環(huán)時，鋼套筒表面的縱向拉應(yīng)力也出現(xiàn)了突增，考慮原因如上文所述，后續(xù)隨著盾構(gòu)逐漸進(jìn)入鋼套筒內(nèi)，縱向拉應(yīng)力又逐漸減小。盾構(gòu)接收結(jié)束時，縱向應(yīng)力都處于較低的水平維持在1～2 MPa。

圖9 盾構(gòu)接收過程中鋼套筒縱向拉應(yīng)力Fig.9 Longitudinal tensile stress of steel sleeve during shield receiving

綜上所述，類似于環(huán)向拉應(yīng)力，鋼套筒接收時盾構(gòu)推進(jìn)對鋼套筒縱向拉應(yīng)力的影響也處于較低水平，接收過程中筒體最大縱向拉應(yīng)力為13.2 MPa，出現(xiàn)在盾構(gòu)剛進(jìn)入鋼套筒的時候，位于鋼套筒腰部位置。

3.4 盾構(gòu)推進(jìn)中鋼套筒筒身間縫隙相對位移

圖 10為盾構(gòu)接收過程中兩環(huán)筒身間縫隙的相對位移，拼縫整體處于較低的水平，最大為0.048 mm。隨著盾構(gòu)的不斷推進(jìn)，筒身間縫隙的相對位移逐漸增長，在584環(huán)有較大的增長，考慮造成的原因如上文所述，后續(xù)隨著盾構(gòu)的推進(jìn)縫隙之間相對位移逐漸縮小，盾構(gòu)完全進(jìn)入鋼套筒后，相對位移為0.011 mm。盾構(gòu)接收現(xiàn)場未出現(xiàn)漏水、漏漿的現(xiàn)象，鋼套筒密封性能良好。

圖10 盾構(gòu)接收過程中鋼套筒筒身間縫隙相對位移Fig.10 Relative displacement of gap between steel sleeves during shield receiving

4 結(jié) 論

本文依托杭州地鐵6號線奧體中心站左線盾構(gòu)接收工程，通過現(xiàn)場監(jiān)測的方法分析鋼套筒的受力規(guī)律，主要得出以下結(jié)論：

（1）由工程實(shí)測表明鋼套筒接收工法安全可靠，配合端頭加固方法，增強(qiáng)盾構(gòu)接收的安全性，還可以在端頭加固失效情況下，保證盾構(gòu)接收工程的安全性。通過對現(xiàn)場的監(jiān)測，盾構(gòu)進(jìn)入鋼套筒的過程中需要加強(qiáng)對鋼套筒的監(jiān)控，保證盾構(gòu)接收的安全。

（2）盾構(gòu)推進(jìn)對鋼套筒環(huán)向拉應(yīng)力的影響處于較低的水平，總體上呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，環(huán)向拉應(yīng)力最大時刻為盾構(gòu)剛進(jìn)入鋼套筒時，最大環(huán)向拉應(yīng)力為15.9 MPa，且靠近后端蓋處筒體的環(huán)向拉應(yīng)力大于靠近洞門處筒體。

（3）盾構(gòu)推進(jìn)對鋼套筒縱向拉應(yīng)力的影響類似于環(huán)向拉應(yīng)力，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，最大縱向拉應(yīng)力出現(xiàn)在盾構(gòu)剛進(jìn)入鋼套筒時，最大縱向拉應(yīng)力為 13.2 MPa，鋼套筒腰部縱向拉應(yīng)力最大。

（4）鋼套筒筒身之間的相對位移隨著盾構(gòu)的推進(jìn)也出現(xiàn)先增大后減小的趨勢，筒身縫隙間相對位移最大為0.048 mm，盾構(gòu)接收現(xiàn)場未出現(xiàn)漏水漏漿現(xiàn)象，鋼套筒密封性能良好。