盾构钢套筒始发和接收关键技术研究

伍伟林， 朱宏海， 邹 育， 王呼佳

(1. 中国中铁二院工程集团有限责任公司， 四川 成都 610031； 2. 华南理工大学土木与交通学院， 广东 广州 510641)



盾构钢套筒始发和接收关键技术研究

伍伟林1， 朱宏海1， 邹 育2,*， 王呼佳1

(1. 中国中铁二院工程集团有限责任公司， 四川 成都 610031； 2. 华南理工大学土木与交通学院， 广东 广州 510641)

为实现无端头加固条件下盾构钢套筒的始发和接收问题，解决盾构始发和接收过程中存在的安全和经济问题，针对目前盾构钢套筒始发和接收过程中存在的问题，采用类比分析、仿真计算和工程试验等手段对钢套筒的刚度、密闭性、保压性和施工关键技术进行分析研究，并对钢套筒设备进行改进，将反力调节装置和三通管装置应用于盾构钢套筒中。工程实践表明： 1)采用3个长弧形+3个半圆形组块对钢套筒进行改进设计后，施工更加便利、整体性更强； 2)反力调节装置能有效减少钢套筒与洞门环板连接处以及钢套筒拼装缝处的变形和位移，提高钢套筒的密闭性能。

盾构； 钢套筒； 始发； 接收； 刚度； 密闭性； 保压性

0 引言

采用盾构始发端头加固的措施大大降低了盾构始发和接收的风险，但各加固方法都有其适用条件[1-4]。盾构钢套筒平衡始发和接收技术可以在破除洞门前为盾构始发建立水土平衡环境[5]，与端头加固法相比，其安全性、可靠性和经济性有较大的提高。针对钢套筒辅助盾构始发和接收技术，国内学者进行了一些研究。李飞等[6]对盾构接收辅助装置进行了设计研究； 王健[7]和贺卫国[8]对盾构接收钢套筒辅助系统进行了改进； 陈珊东[9]总结了钢套筒辅助盾构接收的优缺点及适用条件； 伍伟林等[10]、郭清华[11]和郑石等[12]对钢套筒的填料、密封以及施工注意事项等关键技术进行了研究。目前，对于钢套筒的研究仅限于某个盾构的始发或接收，研究内容较为局限，且盾构钢套筒技术还不够成熟。现有的盾构钢套筒始发和接收技术均是与端头加固工法联合使用[13]，例如： 武汉轨道交通3号线采用钢套筒平衡法和冻结法联合使用的方法，东莞地铁2号线采用钢套筒平衡法与素混凝土连续墙、双重管旋喷桩联合使用的方法。与端头加固工法联合使用，不能完全体现出钢套筒的优势和先进性。为解决盾构始发和接收过程中存在的安全和经济问题，通过对盾构钢套筒应用中存在的问题进行分析，以直径为6 m的盾构隧道为对象，对盾构钢套筒始发和接收的关键技术进行了研究。

1 钢套筒应用中存在的问题

盾构钢套筒始发和接收技术已经被应用于全国的地铁盾构隧道建设中。但在大部分工程中，钢套筒辅助技术是在端头加固难以确保盾构安全始发和接收时联合端头加固工艺被应用于盾构始发和接收工程中。通过调研盾构钢套筒始发和接收工程情况，发现目前钢套筒应用中存在的主要问题如下：

1)钢套筒刚度不足导致钢套筒在应用过程中变形量过大，可循环使用次数偏低；

2)钢套筒与洞门预埋环板连接处开裂，钢套筒和反力架变形过大引起结构破坏；

3)钢套筒的密闭性差，各连接部位出现渗漏水现象(如图1所示)，导致土舱无法维持自身需要的压力而引起掌子面塌陷；

4)钢套筒的保压性不良，难以维持钢套筒筒内压力的稳定；

5)盾构进入接收钢套筒后，掘进参数的影响因素多、控制难度大。

2 盾构钢套筒始发和接收关键技术

针对盾构钢套筒始发和接收技术应用中存在的问题，分别从钢套筒刚度、密闭性、保压性和施工关键技术4方面进行了研究。

2.1 钢套筒刚度

原钢套筒筒体由6个大小相同的半圆组块采用通缝拼接而成，筒体各部位的加劲肋均匀布置。套筒各组块采用通缝拼接，钢套筒整体刚度偏小，且对于筒体连接部位，因未进行刚度加强，刚度较小，导致施工过程中原钢套筒连接部位的变形量过大，出现渗漏水问题。施工完成后钢套筒发生椭变，可循环利用率低。

在原钢套筒结构形式的基础上，对其刚度进行改进。改进后的钢套筒筒体由3个长弧形组块(A1,A2,A3)和3个半圆形组块(B1,B2,C)组成，各分块采用错缝连接，并对连接处的加劲肋进行加强。这种设计加强了钢套筒的整体性，且方便上下半圆形组块的组装。钢套筒的立面图和剖面图如图2所示。

(a) 立面图

(b) 剖面图

根据工程施工工况对钢套筒各构件进行结构受力(包括应力和位移等)的设计验算，计算中施加的内部径向压力为450 kPa。由计算结果可知，最大变形值为2.2 mm，最大Von Mises应力为100 MPa。钢套筒整体Von Mises应力云图如图3所示。对于由Q235B钢材焊接的直径为6 500 mm的钢套筒，最大位移仅为直径的0.34‰，最大应力仅为设计强度的40%，且应力分布较为均匀，钢套筒整体的刚度和强度满足要求。

2.2 钢套筒密闭性

主要从密封材料的选择和减少接缝处的变形2方面对原钢套筒的密封性进行加强。

2.2.1 密封材料的选择

钢套筒组块连接处易产生应力集中，应采用柔性材料和膨胀性材料。钢套筒与洞门环板之间采用焊接连接。在钢套筒分块连接处设置2道嵌入式密封圈，并在内侧涂抹聚氨酯，以增大接缝处的抗变形能力。负环管片接缝处采用三元乙丙橡胶密封垫+泡沫止水条防水，如图4所示。泡沫止水条的作用是增加负环管片的隔水厚度、防止盾构油脂流失以及减少盾尾刷的磨损，其较遇水膨胀止水条更容易施工。

图3 钢套筒整体Von Mises应力云图(单位： MPa)

图4 负环管片接缝处密封示意图

2.2.2 减少接缝处变形

盾构刀盘切削掌子面时，因钢套筒受到反作用力的影响，使得其与洞门环板连接部位和钢套筒拼装缝处为受拉状态，从而发生密封失效和渗漏水现象，无法继续维持钢套筒的压力。因此，在钢套筒后端与反力架之间安装反力调节装置，通过反力调节装置对钢套筒施加预压力，并对钢套筒与洞门环板连接处的变形进行监测，确保钢套筒与洞门环板连接处、钢套筒拼装缝处连接紧密，防止钢套筒内压力过大而导致连接处漏水。钢套筒与洞门环板的相对位移监测方式如图5所示。

根据工程施工经验，施加的总预压力应为800～10 000 kN。反力调节装置是在反力架与钢套筒后端环梁间均匀设置20个液压千斤顶，共分为上、下、左、右4组，4组液压千斤顶可独立工作。反力调节装置设计图和现场施工图如图6所示。调节时，采用单组或多组液压千斤顶顶推反力架，为钢套筒相应部位施加反力，避免钢套筒与洞门环板连接处以及钢套筒拼装缝处受拉，确保密封完好。

图5 钢套筒与洞门环板的相对位移监测方式

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

(a) 设计图(单位： mm)

(b) 现场施工图

2.3 钢套筒的保压性

钢套筒平衡始发和接收的核心技术是在密封钢套筒内创建与洞门端头处相同的水土压力环境，使盾构破除洞门后不产生压力差。当钢套筒内部的水土压力远小于隧道埋深位置的水土压力时，钢套筒不能发挥其平衡水土压力的作用，易导致盾构破除洞门时发生涌水和涌砂现象，甚至引发端头地层塌陷和地下水涌入盾构工作井等工程事故；当钢套筒内部的水土压力远大于盾构埋深位置水土压力时，钢套筒可以起到平衡水土压力的作用，但压力过大易导致钢套筒(特别是钢套筒拼接部位)出现裂缝甚至破裂。因此，可通过设置加泄压装置和监测装置控制钢套筒内外的压力平衡。

在钢套筒封顶盖中间位置设置三通管加泄压装置和压力监测表，如图7所示。三通管具有加水压和泄水压的作用，当压力表读数大于切口水压力时，打开泄压阀进行排水泄压，当压力表读数小于切口水压力时，打开进水阀进行加水加压，从而保证钢套筒内外的水土压力平衡。

图7 三通管装置和压力监测表

2.4 施工关键技术

2.4.1 盾构参数控制

1)控制平衡始发推进参数。始发时反力架承载力及刀盘转数应控制在一定的范围内。同时，为控制推进轴线和保护刀盘，推进速度不宜过快。

2)控制钢套筒内盾构的掘进参数。盾构在钢套筒内掘进时，应严格控制掘进速度、土舱压力及推力等重要参数。

3)控制接收碰壁前的推进参数。在即将碰壁前，减少推进速度，并控制推力在合理的范围之内。

4)控制注浆参数。盾构注浆分为同步注浆和二次注浆。盾构同步注浆压力取值为0.2～0.5 MPa，每环1.5 m的注浆量为5.26～7.29 m3。同步注浆速度与掘进速度相匹配，根据盾构完成1环掘进时需要的注浆量确定平均注浆速度。另外，应根据监测数据，及时进行二次注浆，并及时补充注浆，必要时应进行洞内深孔预注浆加固。

2.4.2 钢套筒回填料的选择

钢套筒的回填料一方面可以增强泥水盾构施工的整体保压性能，另一方面可以增大盾构进入钢套筒施工期间底部地基的承载力，避免盾构筒体“栽头”导致筒体直接与接收钢套筒内壁接触。根据施工经验，应综合土层情况和盾构选型情况进行钢套筒填料的选择。土压盾构始发采用填砂的方式，泥水盾构始发采用在钢套筒轨道处填浓泥浆的方式，土压盾构接收采用底部填砂(钢套筒1/3处)、顶部填惰性泥浆的方式，泥水盾构接收采用底部填砂(钢套筒1/3处)、顶部填浓泥浆的方式。

3 工程实例

3.1 工程概况

广州地铁13号线22#盾构井位于广州市增城区新塘镇新塘大道西新墩村段，盾构井南北两侧为3～6层的居民楼，与盾构井的平面距离为7～9 m，居民楼较为密集。隧道洞身范围内主要为中粗砂层〈2-3〉、粉质黏土层〈2-4〉和砂质黏土层〈5Z-2〉。拱顶与地下稳定水位的距离约为15 m。

22#盾构井承担2台泥水平衡盾构始发及2台土压平衡盾构接收的任务。因征地及管线迁改等前期工程进展缓慢，导致22#盾构井施工工期滞后9个月，且隧道处于富水砂层，埋深大、水压高，容易发生击穿洞门橡胶帘布的问题，出现涌水和涌砂险情。因此，取消原厚800 mm的素混凝土连续墙+φ600 mm双管旋喷桩的加固方案，采用盾构钢套筒始发和接收技术。

3.2 数据监测

泥水平衡盾构钢套筒始发和土压平衡盾构钢套筒接收过程中，对盾构端头进行加密监测，以端头50 m范围内的建(构)筑物和隧道2倍埋深范围内的地表及管线为重点监测对象。盾构始发和接收端头地面监测点布置如图8所示。以部分具有代表性的监测结果为例，对应的沉降曲线如图9所示。2015年6月15日泥水平衡盾构开始始发掘进，2015年6月19日全部脱出钢套筒； 2015年10月31日土压平衡盾构到达连续墙位置，并于2015年11月4日全部进入钢套筒内。

(a) 始发端 (b) 接收端

图8 始发端和接收端地面监测点布置

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

(a) 始发端

(b) 接收端

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

3.3 数据分析

整个盾构始发和接收过程中，地面出现了一定程度的隆起和沉降，但累计总沉降量均在-30 mm或+10 mm内。一些监测点的沉降速率虽然大于3 mm/d，但随着盾构的继续掘进沉降速率逐渐减小，并最终趋于稳定。从整体上看，盾构始发和接收过程中，沉降值均控制在要求范围之内，满足施工及验收要求，说明盾构钢套筒技术可以在无端头加固的条件下确保盾构成功始发和接收。

4 结论与讨论

钢套筒辅助盾构始发和接收时，钢套筒刚度、密闭性、保压性以及施工参数的控制是盾构安全始发和接收的关键。通过对无端头加固条件下的钢套筒始发和接收技术进行研究，得出以下结论：

1)改进钢套筒采用3个长弧形+3个半圆形组块进行设计。与传统钢套筒相比，施工更加便利，整体性能更强，刚度更大；

2)反力调节装置能有效减少钢套筒与洞门环板连接处以及钢套筒拼装缝处的变形和位移，提高钢套筒的密闭性能；

3)新增的三通管和压力监测表可实时调节钢套筒内的水土压力，提高了钢套筒的保压性能。

通过采用改进的盾构钢套筒始发和接收技术，在无端头加固的条件下，成功地完成了土压平衡盾构钢套筒的接收和泥水平衡盾构钢套筒的始发。但钢套筒对接缝拼装精度要求较高，且刚性连接处抗变形能力较差，适用于钢套筒的新型连接装置有待进一步研究。

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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

中铁二院2015年度科技开发计划项目(KYY2015044(15-16))

伍伟林(1983—)，男，湖南耒阳人，2010年毕业于华南理工大学，岩土工程专业，硕士，工程师，主要从事城市轨道交通隧道的设计工作。E-mail： wuweilin0302@126.com。*通讯作者： 邹育， E-mail： zyou1992@163.com。

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

U 455

B

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