改進型鋼套筒的設計及應用分析

【摘要】通過對鋼套筒重新進行分塊設計、增加預壓千斤頂、優化密封方式等一系列的改進設計，解決了早期的鋼套筒存在的剛性不足、組裝困難、密封不良等問題，并根據改進型鋼套筒在南寧和東莞地鐵項目上的應用，說明改進型鋼套筒適用于土壓和泥水盾構機的輔助始發及接收。最后討論了鋼套筒在日系盾構機上的適用性。

【關鍵詞】改進 鋼套筒 設計 應用

0.引言

自鋼套筒這種輔助盾構機到達接收的裝置研發使用之后[1]，因其輔助到達的施工方法具有較高的安全性和免端頭加固的特點而逐漸廣泛使用[2]，有很多盾構隧道工程因各種原因不能使用傳統的工法，轉而使用鋼套筒輔助盾構機出洞[3]。但最初設計的鋼套筒，因其設計的缺陷導致使用上也存在一些問題[4]，并且文獻[1]中設計的鋼套筒僅考慮了輔助盾構機出洞，沒有考慮輔助始發。本次根據南寧某地鐵始發需要和鋼套筒實際施工情況，設計了一種改進型的鋼套筒，用于輔助盾構機始發，并根據使用情況對改進型鋼套筒的優點和長處進行了分析和探討。

1.原有鋼套筒簡介

原有的鋼套筒是由筒體、后端蓋板、頂推托輪組、反力架和前后左右支撐等部分組成，其中筒體的主體部分是由上下六個半圓組成。這種鋼套筒是早期的產品，雖然解決了盾構機出洞時安全性問題，同時也免去了端頭加固的麻煩，但是也存在有工期長、費用高和密封困難等問題。

2.改進型鋼套筒的設計

本次改進型的鋼套筒，總體設計圖紙如圖1所示。從外觀上看，筒體的主體部分改變了原來的6個半圓組合，變為3個長弧形+3個半圓。具體的改進體現在以下幾個方面：

1）重新進行分塊設計

改進型的鋼套筒，采用3個長弧形+3個半圓的設計。這種設計，強調了上半圓和下半圓各自的整體性，方便上下半圓單獨組裝。同時增加了各個部件的外部加力撐板，因此使得整個鋼套筒的剛性大大增強。相比原設計的鋼套筒，減少了運輸和起吊過程中的形變，更有利于組裝。

2）部分采用了內螺栓連接

原設計的鋼套筒，全部采用套筒外螺栓連接方式，這種方式，需要鉆到鋼套筒底下去進行螺栓安裝和拆卸，操作上難度較大。因此，本次將套筒底部的15個環間連接螺栓，改為內部連接方式，如圖2所示。這種方式使得底部約80°范圍內的螺栓都在鋼套筒內部進行拆解，降低了底部螺栓拆卸的難度，更便于進行鋼套筒的安裝和拆卸。

3）改進了密封方式

本次改進的鋼套筒，塊與塊之間結合面的密封方式不再使用原有的整體式橡膠墊密封，全部改用φ10mm的O型密封圈式的密封。如圖2所示，在結合面上預留兩道6mm×15mm的密封槽，用于安放的O型密封圈。這種密封方式，密封效果更好，而且大大降低了安裝的難度。同時φ10mm的O型密封圈有現成的產品，方便采購。

4）增加了預壓千斤頂

本次鋼套筒在反力架和環梁之間增加了預壓用千斤頂，千斤頂推力40T，共10個，環向基本均勻布置，具體見圖3。通過預壓千斤頂對鋼套筒施加預壓力，使鋼套筒緊頂洞門環板。使用中通過對鋼套筒與洞門環板連接處進行監測，根據監測情況調整預壓千斤頂壓力，使洞門環板始終處于受壓狀態。通過設置這種預壓千斤頂，可以消除或者減少洞門環板的受拉情況，降低對洞門結構的影響。

5）取消了頂推托輪組

原設計的鋼套筒，考慮到盾構機出洞時會產生低頭現象，故設置了頂推托輪組。但經過多次觀察，發現只要在底部鋪設適當的碎石和砂土，盾構機出洞時可自然在盾構機底部形成一層密實的土層作為支撐，不會出現盾構機低頭的現象，因此本次設計改進型鋼套筒時，取消了頂推托輪組，簡化了設計，減少組裝的難度。

3.應用情況分析

本次設計的鋼套筒，已經成功運用于南寧某地鐵工程，輔助土壓盾構機始發。在南寧運用完畢后，又運輸至東莞，輔助土壓盾構機到達。從兩個工地使用情況來看，鋼套筒的使用情況良好，達到了預期的目的。總結新鋼套筒使用的情況，除了其固有的安全性高、免除端頭加固之外，還有如下幾個方面值得關注。

1）原鋼套筒僅考慮用于輔助泥水盾構機出洞，本次設計的鋼套筒已經成功用于土壓盾構機出洞，同時也順利地實現了輔助盾構機始發。這說明只要設計好鋼套筒內的砂土及水的配比，控制好鋼套筒內部壓力和盾構機的掘進參數，鋼套筒完全可以用于土壓盾構中，輔助始發和到輔助達也同樣可以使用，故大大拓寬了鋼套筒的應用范圍。

2）采用改進型的密封方式，可以很好地保持鋼套筒內的水土壓力，防止泥漿外泄。經過實踐證明，這種密封方式非常有效，鋼套筒內的壓力和掌子面的均保持穩定，整個始發/到達過程中沒有出現噴漿等各種情況，沒有對端頭造成影響。

3）對比采用端頭加固的方式，采用鋼套筒輔助始發/到達的整體費用更低。鋼套筒雖然一次性制作成本較高，但是經過多次使用后，攤分到每一次使用上，其成本比傳統端頭加固方式更加低。在工期安排上，已經對鋼套筒的拆卸已經形成了一整套的操作經驗和流程，不多耗費時間。

4）這幾次的輔助盾構機到達和始發，其盾構機均為海瑞克的盾構機。這種盾構機的拆解和組裝，是在盾構機內部拆裝前體和中體的連接螺栓，故適合使用這種鋼套筒。如果三菱等日系盾構機，其前體和中體采用焊接連接，其拆解組裝需要在盾體外進行，故目前這種鋼套筒暫不適用于日系的盾構機，如果要用于日系盾構機，需要重新設計。

4.結論和討論

這種新型鋼套筒的設計，取消了累贅的頂推托輪組，重新設置了部分螺栓連接形式和預壓千斤頂，解決了原有的鋼套筒在施工中出現的密封不好、安裝時間長、費用高等問題，使得改進型的鋼套筒更符合實際施工需要。此外，通過設計好鋼套筒內的砂土及水的配比，控制好鋼套筒內部壓力和盾構機的掘進參數，實現了將鋼套筒的應用拓展到輔助盾構機始發和接收。

參考文獻

[1] 李飛，凌波，盾構到達輔助接收裝置的設計[J].建筑機械化，2009 （09）：66-6

[2] 李奕，鐘志全，泥水盾構到達施工新技術 [J].建筑機械化，2010-01-15

[3] 任新偉，熊祥斌，鋼套筒盾構接收風險分析及應對措施[J].江蘇建筑，2013-3-14

[4] 陳珊東，盾構到達接收輔助裝置的使用分析[J].隧道建設，2010-08-20