1、钢套筒结构安全性分析及其在盾构接收中的工程应用 陆鹏程 上海城建市政工程(集团)有限公司 摘 要: 盾构接收是盾构施工过程中的重大风险源之一, 尤其是在富水砂性地层中极易发生涌水、涌砂等事故。当采用钢套筒工法进行接收时, 复杂的地质条件以及施工环境对结构的安全性以及施工控制措施提出较高要求。以某轨道交通工程钢套筒工法进行盾构接收的工程实践为例, 采用数值模拟对钢套筒结构的安全性进行分析, 通过工程应用实例提出相应施工控制措施, 通过现场实测数据验证钢套筒接收工法的可行性。为今后钢套筒工法的使用提供参考。关键词: 盾构接收; 钢套筒结构; 受力分析; 施工控制; 作者简介:陆鹏程 (1978)
2、, 男, 工程师, 本科, 主要从事顶管和轨道交通工程。收稿日期:2017-10-23Steel Sleeve Structure Safety Analysis Abstract: Shield receiving is one of the major risk sources in the process of shield construction, especially water gushing steel sleeve structure; force analysis; construction control; Received: 2017-10-23盾构接收是盾构法施工中的
3、关键环节, 也是具有很大工程风险的工序。钢套筒工法作为一种新兴的盾构接收工法, 具有较高的安全性且施工便利。可在复杂地形的情况下大大节省时间, 且已在广州、南京以及上海等地得到成功应用1。但目前对于钢套筒结构的安全与否以及接收时的施工控制通常以经验为主, 施工应用不够丰富。研究内容主要集中在该工法的特点分析、施工控制、设计改进等, 缺少钢套筒结构的受力分析以及工程应用验证2-3。本文结合某含承压水砂层中的轨道交通盾构接收案例, 采用数值模拟和现场实测, 对钢套筒结构的安全性以及盾构施工控制和施工效果进行系统的分析和总结, 以期为类似情形下的钢套筒工法的应用和改进提供参考。1 工程概况某轨道交通
4、盾构隧道主要穿越的地层为黏土、粉土、粉细砂互层以及粉细砂地层。其地质纵剖面图见图 1, 土层的物理力学性质参数如表 1 所示。线路最大坡度为 2.177%, 最小坡度为 0.2%, 最小曲线半径 R=300 m, 最大埋深为 21.35 m, 最小埋深为 9.77 m。隧道断面为单线圆形隧道, 管片外径 6.0 m, 厚度为0.3 m, 环宽 1.5 m, 管片强度等级为 C50, 采用错缝拼装。图 1 隧道地质纵剖面图 下载原图表 1 土层物理力学性质参数 下载原表 此工程场区内上层滞水主要赋存于填土层中, 受大气降水、地表水下渗及人类生产、生活用水排放影响。孔隙承压水主要赋存于 3-5 层
5、、4-1 层, 受侧向地下水的补给, 呈互补关系。盾构接收所处位置承压水水位标高在 16.53 m (地表下 4.16 m, 地面标高 20.69 m) , 即在不采取降水等辅助措施时, 隧道底承压水水头差为 24.24 m, 极易产生涌水、涌砂等施工风险。且盾构掘进接收段位于强透水的粉细砂层中, 隧道底部埋深达 28 m, 盾构进洞的施工风险较大。2 钢套筒接收方案鉴于场地条件受限和水文地质环境复杂, 采用钢套筒接收工法进行盾构接收。同时为确保盾构接收施工的安全, 对到达端头的土体进行三轴水泥搅拌桩加固, 三轴搅拌桩与地连墙接缝处采用高压旋喷桩加固防渗处理, 在洞口增加垂直冷冻法防渗措施。采
6、用钢套筒辅助接收工艺时的流程见图 2。图 2 钢套筒辅助接收工艺流程图 下载原图钢套筒接收系统由筒体结构、底部支撑框架、后盾系统、后端盖板、支撑系统、加料口和卸压口等部分组成。其中筒体部分长 10 400 mm, 直径 (内径) 6 700 mm, 分 4 段, 每段分为上、下 2 块。筒体材料用厚 16 mm 的 Q235A 钢板, 每段筒体的外周焊接纵、环向筋板形成网状以保证筒体刚度, 筋板厚 20 mm, 高 150 mm, 间隔约 550600 mm;每段筒体的端头和上、下 2 段圆弧接合面均焊接连接法兰, 法兰用厚 40 mm 的 Q235A 钢, 上、下 2 段连接处以及 2 段筒
7、体之间均采用 M3090 8.8 级螺栓连接, 中间加 3 mm 厚橡胶垫, 以保证密封效果 (见图 3) 。图 3 接收钢套筒筒体 下载原图后端盖板用井格形受力框架加强, 通过后盾系统进行传力支撑。材料用厚 30 mm 的 Q235A 钢板, 平面环板加焊 4 道厚 30 mm、高 500 mm 的钢板筋板, 井字形焊接在后端盖上。后盖边缘法兰与钢套筒端头法兰采用 M30130 8.8 级螺栓连接 (见图 4) 。图 4 钢套筒后端盖 下载原图3 钢套筒结构受力分析钢套筒在组装完成后进行密封性检测, 要求承受 0.4 MPa 的水压力。同时考虑钢套筒结构自重、后端盖筋板上的预压力, 建立有限
8、元模型, 有限元模型及实际安装照片见图 5。图 5 有限元模型及钢套筒安装效果图 下载原图3.1 钢套筒预压力的影响分析本节研究施加在钢套筒上的预压力大小对后端盖位移和钢套筒应力的影响。设置 9 个不同的预压力值, 分别取值为85、90、95、100、105、110、115、120、125 t, 分析不同预压力大小对钢套筒后端盖位移和钢套筒应力的影响规律。预压力大小与后端盖最大位移关系图见图 6, 与钢套筒 Tresca 最大应力关系见图 7。由 Tresca 应力变化、位移变化以及安全系数变化, 推荐千斤顶推力设置区间为 90125 t。图 6 预压力与后端盖最大位移关系图 下载原图图 7
9、预压力与钢套筒最大应力关系图 下载原图如图 7 所示, 当后端板千斤顶的预压力控制在 90125 t 时, 钢套筒的最大Tresca 应力值始终1.01。且后端板的最大位移控制在 8 mm 以内, 所以 90125 t 为后靠千斤顶预压力的合理设置区间。3.2 连接螺栓受力的影响分析连接螺栓部位是钢套筒结构受力较为薄弱部位, 在较大的预压力作用下极易发生接缝部位渗漏水甚至螺栓被拉断。在预压千斤顶推力为 100 t 情况下, 对图8 所示部位的连接螺栓的受力情况进行分析。图 8 连接螺栓位置图 下载原图对断面 1 进行分析, 得接收钢套筒连接螺栓 (断面 1) 部位承受的拉力及安全系数 (见图
10、9) 。可见钢套筒结构的连接螺栓在靠近地连墙和后端板处受力较大, 但螺栓的安全系数仍在 2.0 以上。图 9 连接螺栓拉力分布及安全系数 下载原图对断面 2 进行分析, 得接收钢套筒连接螺栓 (断面 2) 部位承受的拉力及安全系数 (见图 10、图 11) 。可见钢套筒结构断面 2 处连接螺栓的受力随着角度的变化呈有规律的波动, 在螺栓受力较大处可加强监测。图 1 0 连接螺栓受力 下载原图图 1 1 连接螺栓安全系数 下载原图对断面 3 进行分析, 得接收钢套筒连接螺栓 (断面 3) 部位承受的拉力及安全系数 (见图 12、图 13) 。可见钢套筒结构断面 3 处连接螺栓的受力较大的范围主要
11、集中在 120180以及-120-180。图 1 2 连接螺栓受力 下载原图图 1 3 连接螺栓安全系数 下载原图4 施工控制措施盾构到达推进的施工控制可分为 3 个阶段4, 阶段划分区域详见图 14, 即盾构穿越加固区、冻结加固区以及钢套筒内推进阶段。在盾构到达前, 应保持盾构机头高于洞门轴线 2030 mm, 水平姿态控制在15 mm 以内并及时对盾构姿态进行复核, 以确保盾构顺利进入钢套筒。图 1 4 盾构机进洞阶段划分示意图 下载原图4.1 第一阶段第一阶段为盾构机推进至加固体, 但刀盘尚未抵达冻结体 (第 452 环第 457 环) 。刀盘中心刀进入加固体 1.97 m 后, 切断刀
12、盘前后的水力联系。刀盘中心刀进入加固体 10.5 m 后, 盾构停机检查。要求盾构机处于最佳状态, 蒸汽发生器安装并试用后, 再次开始第二阶段的推进。在第一阶段的推进过程中, 严格采取以下措施。1) 推进过程中严格控制推进速度和总推力, 避免进刀量过大引起的刀盘被卡。推进速度在 12 cm/min 为宜。在刀盘转动过程中土仓内及刀盘前加注膨润土浆液进行润滑和改良土体。2) 严格控制盾构姿态, 特别是盾构切口的姿态, 控制目标为水平15 mm, 垂直+10+20 mm 之间。3) 控制盾尾间隙, 保证盾尾间隙的均匀。4) 严格控制切口的土压力。5) 推进过程连续均匀, 均衡施工, 保证土仓内一定
13、土压, 防止出空土仓盾构机抬头上浮。6) 推进过程中加强盾尾油脂的压注, 防止盾尾漏浆。7) 从特殊管片上预留的注浆孔向管片外侧注双液浆, 在管片与加固土体间形成环箍止水, 防止盾尾后的水进入盾尾前方。4.2 第二阶段盾构机刀盘穿越冻结体 (第 458 环第 459 环) , 盾构机恢复掘进后, 随时观测渣土温度。当渣土温度低于 0时, 打开蒸汽发生器, 防止螺旋被冻住。在第二阶段推进过程中, 需要注意以下事项。1) 在切口距离冻土墙 30 cm 时, 开始连续转动刀盘, 直至盾构机刀盘穿越冻土后再按照常规推进转动刀盘。2) 刀盘穿越冻结体时, 推进速度宜控制在 1 cm/min, 保证土仓内
14、一定土压, 防止出空土仓盾构机抬头上浮。3) 盾构机在拼装管片时, 刀盘要求每隔 3 min 转动一次, 防止刀盘被冻住。4) 第二阶段推进完成后, 立即从盾体尾部位于加固体内的特殊管片上预留注浆孔向管片外侧注双液浆, 并与加固体间形成环箍, 防止盾尾后的水进入盾尾前方, 此时可打 2 道环箍。注双液浆前需先加注 3 遍盾构油脂以保护盾尾刷。4.3 第三阶段钢套筒内掘进 (第 460 环第 466 环) , 盾构机刀盘推出冷冻体后, 盾构开始进入第三阶段推进, 盾构机继续推进 2.2 m 后, 盾构机开始进入钢套筒。盾构机继续推进 10.0 m 后, 盾尾脱离洞门钢环, 停止同步注浆。在第三阶
15、段的推进过程中, 需要注意以下事项。1) 参数设置。土压力0.15 MPa;推速5 mm/min;推力8 000 k N, 视实际推力大小, 以不超过此值为原则。在钢套筒内掘进以管片拼装模式掘进。盾构机在钢套筒内掘进过程中, 要确保与外界联系, 密切观察钢套筒顶部情况, 一旦发现变形量超量或有渗漏时, 必须立即停止掘进, 及时采取补救措施。2) 钢套筒顶部安装的压力表。根据压力表读数, 及时调整推进压力, 避免推进压力过大, 对钢套筒密封处出现渗漏状况。压力过大时, 打开钢套筒后板盖上的排浆口, 进行卸压。3) 进套筒时姿态控制。必须以实际测量的钢套筒安装中心线为准控制盾构机姿态, 要求中心线
16、偏差控制在2 cm 之内。盾构机在进入钢套筒后, 要注意姿态控制。4) 第三阶段推进完成后。立即从盾体尾部位于加固体内及地连墙、内衬墙内特殊管片上预留的注浆孔向管片外侧注双液浆, 并与加固体及地连墙、内衬墙间形成环箍, 防止盾尾后的水进入盾尾前方。注双液浆前需先加注 3 遍盾构油脂以保护盾尾刷。5) 确保洞门封堵效果。接收端头内衬墙施工时, 在洞门圈边预埋 6 根注浆管, 注浆管一端位于洞门钢环内 (出浆口) , 一端位于内衬墙外 (注浆口) , 通过该注浆口进一步加注单液浆, 确保管片与地连墙及内衬墙间隙的封堵效果。6) 盾构机筒体推到位后完成洞门密封。在刀盘不转情况下, 出空舱内回填物。7
17、) 钢套筒底部排浆管。排出剩余浆液, 并检查筒体的漏浆情况。在洞门双液浆凝固后, 稳定、安全的情况下, 开始拆除钢套筒。盾构在加固区和套筒内的施工参数见表 2、表 3。通过周密的施工措施有效控制施工参数, 最终为盾构通过钢套筒安全接收, 并保证接收段地表沉降2 cm。表 2 盾构加固区推进参数 下载原表 表 3 盾构套筒内推进参数 下载原表 5 结语1) 工程实践表明, 钢套筒工法在此类含承压水砂性地层中是安全可行的。2) 分区油压控制在 90125 t, 建议安装百分表对后盖板进行位移监测, 通过位移变化及时调整分区千斤顶推力。3) 应针对钢套筒连接螺栓处受力较大部位加强监测, 各断面受力分
18、布可根据计算确定。4) 盾构接收施工控制应根据阶段划分, 严格控制盾构姿态及施工参数, 本工程相关措施及参数可作为参考。参考文献1王文灿.冻结法和水平注浆在天津地铁盾构接收中的组合应用J.现代隧道技术, 2013, 50 (3) :183-190. 2廖少明, 门燕青, 赵国强, 等.盾构接收中钢套筒的受力变形特性与实测分析J.岩土工程学报, 2016, 38 (11) :1948-1956. 3王健.盾构到达钢套筒辅助接收系统的改进设计及施工J.现代交通技术, 2014, 11 (4) :59-62. 4赵立锋.土压平衡盾构到达钢套筒辅助施工接收技术J.铁道标准设计, 2013 (8) :89-93.