盾構鋼套筒始發和接收關鍵技術研究

伍偉林， 朱宏海， 鄒 育， 王呼佳

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

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盾構鋼套筒始發和接收關鍵技術研究

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有限責任公司， 四川 成都 610031； 2. 華南理工大學土木與交通學院， 廣東 廣州 510641)

為實現無端頭加固條件下盾構鋼套筒的始發和接收問題，解決盾構始發和接收過程中存在的安全和經濟問題，針對目前盾構鋼套筒始發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、保壓性和施工關鍵技術進行分析研究，并對鋼套筒設備進行改進，將反力調節裝置和三通管裝置應用于盾構鋼套筒中。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行改進設計后，施工更加便利、整體性更強； 2)反力調節裝置能有效減少鋼套筒與洞門環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； 鋼套筒； 始發； 接收； 剛度； 密閉性； 保壓性

0 引言

采用盾構始發端頭加固的措施大大降低了盾構始發和接收的風險，但各加固方法都有其適用條件[1-4]。盾構鋼套筒平衡始發和接收技術可以在破除洞門前為盾構始發建立水土平衡環境[5]，與端頭加固法相比，其安全性、可靠性和經濟性有較大的提高。針對鋼套筒輔助盾構始發和接收技術，國內學者進行了一些研究。李飛等[6]對盾構接收輔助裝置進行了設計研究； 王健[7]和賀衛國[8]對盾構接收鋼套筒輔助系統進行了改進； 陳珊東[9]總結了鋼套筒輔助盾構接收的優缺點及適用條件； 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鍵技術進行了研究。目前，對于鋼套筒的研究僅限于某個盾構的始發或接收，研究內容較為局限，且盾構鋼套筒技術還不夠成熟。現有的盾構鋼套筒始發和接收技術均是與端頭加固工法聯合使用[13]，例如： 武漢軌道交通3號線采用鋼套筒平衡法和凍結法聯合使用的方法，東莞地鐵2號線采用鋼套筒平衡法與素混凝土連續墻、雙重管旋噴樁聯合使用的方法。與端頭加固工法聯合使用，不能完全體現出鋼套筒的優勢和先進性。為解決盾構始發和接收過程中存在的安全和經濟問題，通過對盾構鋼套筒應用中存在的問題進行分析，以直徑為6 m的盾構隧道為對象，對盾構鋼套筒始發和接收的關鍵技術進行了研究。

1 鋼套筒應用中存在的問題

盾構鋼套筒始發和接收技術已經被應用于全國的地鐵盾構隧道建設中。但在大部分工程中，鋼套筒輔助技術是在端頭加固難以確保盾構安全始發和接收時聯合端頭加固工藝被應用于盾構始發和接收工程中。通過調研盾構鋼套筒始發和接收工程情況，發現目前鋼套筒應用中存在的主要問題如下：

1)鋼套筒剛度不足導致鋼套筒在應用過程中變形量過大，可循環使用次數偏低；

2)鋼套筒與洞門預埋環板連接處開裂，鋼套筒和反力架變形過大引起結構破壞；

3)鋼套筒的密閉性差，各連接部位出現滲漏水現象(如圖1所示)，導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壓力的穩定；

5)盾構進入接收鋼套筒后，掘進參數的影響因素多、控制難度大。

2 盾構鋼套筒始發和接收關鍵技術

針對盾構鋼套筒始發和接收技術應用中存在的問題，分別從鋼套筒剛度、密閉性、保壓性和施工關鍵技術4方面進行了研究。

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，因未進行剛度加強，剛度較小，導致施工過程中原鋼套筒連接部位的變形量過大，出現滲漏水問題。施工完成后鋼套筒發生橢變，可循環利用率低。

在原鋼套筒結構形式的基礎上，對其剛度進行改進。改進后的鋼套筒筒體由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行加強。這種設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

根據工程施工工況對鋼套筒各構件進行結構受力(包括應力和位移等)的設計驗算，計算中施加的內部徑向壓力為450 kPa。由計算結果可知，最大變形值為2.2 mm，最大Von Mises應力為100 MPa。鋼套筒整體Von Mises應力云圖如圖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‰，最大應力僅為設計強度的40%，且應力分布較為均勻，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行加強。

2.2.1 密封材料的選擇

鋼套筒組塊連接處易產生應力集中，應采用柔性材料和膨脹性材料。鋼套筒與洞門環板之間采用焊接連接。在鋼套筒分塊連接處設置2道嵌入式密封圈，并在內側涂抹聚氨酯，以增大接縫處的抗變形能力。負環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環管片的隔水厚度、防止盾構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應力云圖(單位： MPa)

圖4 負環管片接縫處密封示意圖

2.2.2 減少接縫處變形

盾構刀盤切削掌子面時，因鋼套筒受到反作用力的影響，使得其與洞門環板連接部位和鋼套筒拼裝縫處為受拉狀態，從而發生密封失效和滲漏水現象，無法繼續維持鋼套筒的壓力。因此，在鋼套筒后端與反力架之間安裝反力調節裝置，通過反力調節裝置對鋼套筒施加預壓力，并對鋼套筒與洞門環板連接處的變形進行監測，確保鋼套筒與洞門環板連接處、鋼套筒拼裝縫處連接緊密，防止鋼套筒內壓力過大而導致連接處漏水。鋼套筒與洞門環板的相對位移監測方式如圖5所示。

根據工程施工經驗，施加的總預壓力應為800～10 000 kN。反力調節裝置是在反力架與鋼套筒后端環梁間均勻設置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。反力調節裝置設計圖和現場施工圖如圖6所示。調節時，采用單組或多組液壓千斤頂頂推反力架，為鋼套筒相應部位施加反力，避免鋼套筒與洞門環板連接處以及鋼套筒拼裝縫處受拉，確保密封完好。

圖5 鋼套筒與洞門環板的相對位移監測方式

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

(a) 設計圖(單位： mm)

(b) 現場施工圖

2.3 鋼套筒的保壓性

鋼套筒平衡始發和接收的核心技術是在密封鋼套筒內創建與洞門端頭處相同的水土壓力環境，使盾構破除洞門后不產生壓力差。當鋼套筒內部的水土壓力遠小于隧道埋深位置的水土壓力時，鋼套筒不能發揮其平衡水土壓力的作用，易導致盾構破除洞門時發生涌水和涌砂現象，甚至引發端頭地層塌陷和地下水涌入盾構工作井等工程事故；當鋼套筒內部的水土壓力遠大于盾構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，但壓力過大易導致鋼套筒(特別是鋼套筒拼接部位)出現裂縫甚至破裂。因此，可通過設置加泄壓裝置和監測裝置控制鋼套筒內外的壓力平衡。

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

圖7 三通管裝置和壓力監測表

2.4 施工關鍵技術

2.4.1 盾構參數控制

1)控制平衡始發推進參數。始發時反力架承載力及刀盤轉數應控制在一定的范圍內。同時，為控制推進軸線和保護刀盤，推進速度不宜過快。

2)控制鋼套筒內盾構的掘進參數。盾構在鋼套筒內掘進時，應嚴格控制掘進速度、土艙壓力及推力等重要參數。

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

4)控制注漿參數。盾構注漿分為同步注漿和二次注漿。盾構同步注漿壓力取值為0.2～0.5 MPa，每環1.5 m的注漿量為5.26～7.29 m3。同步注漿速度與掘進速度相匹配，根據盾構完成1環掘進時需要的注漿量確定平均注漿速度。另外，應根據監測數據，及時進行二次注漿，并及時補充注漿，必要時應進行洞內深孔預注漿加固。

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施工的整體保壓性能，另一方面可以增大盾構進入鋼套筒施工期間底部地基的承載力，避免盾構筒體“栽頭”導致筒體直接與接收鋼套筒內壁接觸。根據施工經驗，應綜合土層情況和盾構選型情況進行鋼套筒填料的選擇。土壓盾構始發采用填砂的方式，泥水盾構始發采用在鋼套筒軌道處填濃泥漿的方式，土壓盾構接收采用底部填砂(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#盾構井位于廣州市增城區新塘鎮新塘大道西新墩村段，盾構井南北兩側為3～6層的居民樓，與盾構井的平面距離為7～9 m，居民樓較為密集。隧道洞身范圍內主要為中粗砂層〈2-3〉、粉質黏土層〈2-4〉和砂質黏土層〈5Z-2〉。拱頂與地下穩定水位的距離約為15 m。

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

3.2 數據監測

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

(a) 始發端 (b) 接收端

圖8 始發端和接收端地面監測點布置

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

(a) 始發端

(b) 接收端

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

3.3 數據分析

整個盾構始發和接收過程中，地面出現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。一些監測點的沉降速率雖然大于3 mm/d，但隨著盾構的繼續掘進沉降速率逐漸減小，并最終趨于穩定。從整體上看，盾構始發和接收過程中，沉降值均控制在要求范圍之內，滿足施工及驗收要求，說明盾構鋼套筒技術可以在無端頭加固的條件下確保盾構成功始發和接收。

4 結論與討論

鋼套筒輔助盾構始發和接收時，鋼套筒剛度、密閉性、保壓性以及施工參數的控制是盾構安全始發和接收的關鍵。通過對無端頭加固條件下的鋼套筒始發和接收技術進行研究，得出以下結論：

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

2)反力調節裝置能有效減少鋼套筒與洞門環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測表可實時調節鋼套筒內的水土壓力，提高了鋼套筒的保壓性能。

通過采用改進的盾構鋼套筒始發和接收技術，在無端頭加固的條件下，成功地完成了土壓平衡盾構鋼套筒的接收和泥水平衡盾構鋼套筒的始發。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年度科技開發計劃項目(KYY2015044(15-16))

伍偉林(1983—)，男，湖南耒陽人，2010年畢業于華南理工大學，巖土工程專業，碩士，工程師，主要從事城市軌道交通隧道的設計工作。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