新型轻量化接收钢套筒的设计研究

彭湛军

（中铁工程服务有限公司，四川 成都 610083）

1 研究背景

在城市地铁工程盾构法区间隧道施工中，盾构机接收是整个工程中的关键工序，也是难度最大、风险最高的环节，特别是在涌水涌沙的透水地层中更是风险控制的难点。由于盾构机抵达接收洞口前难以建立土压以平衡开挖面的土压和水压，目前的施工方法是使用洞门橡胶帘布和洞门压板对接收洞口进行密封，再用钢套筒进行接收。现有钢套筒接收需要盾构机主机整体进入钢套筒，由于盾构机主机长度10m左右，现有钢套筒存在笨重、制造成本高、安装拆除耗时长、密封性能较差等问题。本文基于以上背景和现有钢套筒的技术缺点，设计出一种新型轻量化接收钢套筒，具体结构形式和工作流程如下文所述。

2 结构形式及工作流程

本轻型钢套筒结构包括底座支撑、筒体、端盖和过渡环，筒体设置在底座支撑上，端盖板和过渡环分别设置在筒体的两端，筒体与过渡环之间设置有洞门密封装置，各部分采用螺栓连接，筒体内设置有高压橡胶气囊，筒体内侧底部设置有用于顶推盾体用的顶推托轮；采用高压橡胶气囊和洞门密封装置共同作用来接收盾体。筒体顶部设计有一个填料口，筒体和后端盖共设置多个带球阀的排浆管。钢套筒各部位设置若干压力表及压力传感器，以实时监测钢套筒内部压力。

工作流程：（1）将过渡环与洞门预埋钢环焊接，然后依次安装两段筒体下半圆和上半圆，最后安装后端盖；钢套筒安装完成之后安装固定反力架；（2）通过钢套筒顶部填料口加水进行水压试验，测试钢套筒密封性。水压测试完成后通过多个带球阀的排浆管排除钢套筒内部的水，然后再通过填料口往钢套筒内填充砂和泥浆，使钢套筒内压力与盾构接收洞口压力平衡；（3）盾构机接收过程中实时监测盾构机姿态和位置，当刀盘通过两道橡胶帘布和第一组顶推托轮时，立刻将托轮顶起，即可对盾构机主体起到连续支撑作用，进而防止盾构机栽头和破坏钢套筒内部结构的情况发生；（4）当刀盘继续前进通过高压橡胶气囊时立刻给气囊充气，直至压力达到工作压力，使气囊与盾构机盾体接触挤压，保证钢套筒内部形成封闭空间，且当刀盘通过第二组顶推托轮时，即刻升起托轮；（5）当盾构机刀盘接近后端盖时，拆除后端盖和反力架，并在筒体侧面安装支撑架；（6）盾构机继续推进直至盾构机主机全部推出洞门且直到最后一环管片拼装完成且注浆浇筑完成，待浆液凝固后，拆除钢套筒筒体上半圆部分，再拆解盾构机；（7）最后拆除钢套筒筒体下半圆和过渡环，完成盾构机接收。钢套筒的主要技术参数如表1所示。

表1

图1 接收钢套筒结构示意图

3 主要结构介绍

3.1 高压橡胶气囊密封结构

在接收钢套筒上设计一道矩形槽，高压橡胶气囊放置在槽内，充气口在钢套筒左侧或分布在左右两侧。在钢套筒的矩形槽两侧沿周向分段布置固定块，高压橡胶气囊的固定通过连接在固定块上的橡胶板来支撑，高压橡胶气囊充气后即可密封钢套筒和盾构机盾体之间的间隙。其中工作压力可达到0.6MPa，爆破压力为1.8MPa。

使用时提前在钢套筒内用橡胶板固定槽内的无气状态的高压橡胶气囊，并连接好充气管路及气源，当盾构机刀盘到达钢套筒内与气囊交接位置时，同时对高压橡胶气囊进行充气，当达到设计工作压力后停止充气，关闭阀门，记录压力值；盾构机继续前进，逐步出洞，在缓慢出洞的过程中，随时观察高压橡胶气囊内的压力值，采用配置的安全阀进行高压控制，一旦出现漏气时应及时充气，出现过高压力时应放气。本钢套筒可实用于两种尺寸的气囊，见图2所示。

图2 用于小盾构和大盾构机的橡胶气囊的尺寸图

本结构优势：实现了盾构接收时的可靠密封，该密封结构安装操作简单，辅助工程施工量少，密封效果好，可靠性高，大大降低施工成本的同时，也降低了施工渗漏事故的风险性。

图3 高压气囊密封结构图

3.2 橡胶帘布密封装置

橡胶帘布密封装置由帘布橡胶、圆环压板、折页板（注：折页板上需要现场焊接一圈钢绳以给其提供支撑力）、注脂孔、螺栓和垫片等组成。在本结构中一共设有两道，两道密封装置均与筒体螺栓连接，具体安装结构形式如图2所示。此装置可防止盾构机到达时泥土、地下水从盾壳和洞门的间隙处流失，以及盾尾通过洞门后背衬注浆浆液的流失。

4 顶推托轮组

盾构机在进入钢套筒内后，由于盾构机的外径与筒体内径单边有间隙,如果姿态控制不好，而钢套筒内部又无支撑的情况下，可能导致盾构机栽头的情况发生。而一旦栽头，刀盘的转动会对筒体造成较大的伤害，所以必须对盾体进行支撑。盾构机在进入钢套筒内后，要注意姿态控制和顶推托轮组的适时调整，并随着掘进的继续，要能够跟随盾构机主体的重心形成连续的支撑作用，方可确保盾构机在钢套筒内的安全掘进。为此，在钢套筒内设定2组顶推盾体用的托轮，能够伸缩，采用间隔布置的方式，且每组托轮组按可承载力50t设计，在刀盘未到达此位置时处于最低位置，防止刀盘与顶推托轮组接触，当刀盘通过此位置后，即立刻将托轮顶起。

图4 洞门密封装置结构形式

5 结语

图5 顶推托轮组结构形式

本文中的新型轻量化接收钢套筒很好地结合了高压橡胶气囊密封结构、洞门密封装置、顶推托轮组等现有技术的优势，具备良好的可行性，且核心优势有以下三点：（1）加设一道高压橡胶气囊和两道洞门密封装置来共同作用接收盾构机，保证盾构接收过程中的密封性能的同时，使轻型钢套筒的设计长度缩短（从传统的10m左右缩短为现在的5m左右），实现了钢套筒的轻量化，缩短了钢套筒的供货周期，降低了钢套筒的制造成本；（2）采用顶推托轮组技术，可有效地防止盾构机栽头的情况发生，进而避免盾构机与钢套筒内壁接触；（3）便于安装和拆卸，缩短安装和拆卸的工期，使得接收钢套筒的运输安装简单化，大幅度降低了盾构接收施工成本。这种新型钢套筒的设计，改变了传统钢套筒的结构，缩短了钢套筒的长度，降低了套筒的重量，解决了钢套筒存在笨重、制造成本高、安装拆除耗时长、密封性能较差等问题，使得新型钢套筒更符合实际施工的需要。