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钢套筒辅助盾构机接收技术的研究和应用

钢套筒辅助盾构机接收技术的研究和应用

发布日期: 2021-03-09 作者: 点击:

摘 要: 钢套筒辅助盾构机接收是降低盾构机接收风险的有效技术手段之一。结合工程案例,钢套筒厂家介绍和分析了钢套筒辅助盾构机接收技术。实践证明,钢套筒辅助盾构机接收技术可行,达到了控制盾构机接收过程中的施工风险、保护周边环境的目的。


盾构机接收是盾构法隧道施工重大风险之一。盾构机进入接收井时,地层平衡状态被打破,刀盘掘进工作面将处于不平衡的临空状态。复杂工况条件下,这种不平衡的临空状态极易产生严重的工程事故。


针对高承压水、高渗透性砂质粉土层,周边环境保护要求较高以及无洞口加固条件等复杂工况下的盾构机接收风险问题,本文提出了钢套筒辅助盾构机接收技术。通过对钢套筒结构进行数值分析,可以确保钢套筒结构安全。该技术可实现复杂工况下盾构机安全、平稳地接收,并有效控制盾构机接收过程中的施工风险,保护周边环境。


1. 钢套筒辅助盾构机接收技术 


在接收井钢洞圈上连接一个钢套筒结构,其内径与钢洞圈内径一致,长度比盾构机长。钢套筒结构连接环采用焊接方式与接收井钢洞圈牢固连接,钢套筒结构连接环、标准环与后端板采用高强螺栓加密封垫方式密封连接,形成耐压的密闭空间。钢套筒内充填介质,使钢套筒内压与接收埋深处地层压力相互平衡,维持钢套筒辅助盾构机接收过程中的动态平衡,实现盾构机安全接收。


2. 钢套筒结构设计 


钢套筒结构根据被接收盾构机尺寸设计,是一个内径与钢洞圈内径一致、长度大于盾构机本体长度,具有耐压性能的密闭筒体,见图1。


根据接收井预留吊装孔尺寸,钢套筒体一般分为几块,每块之间采用法兰高强螺栓加密封垫连接。连接环和标准环被划分为上下半圆,下半圆焊接支座框架。后端板为平面盖,加焊筋板。钢套筒反力支撑系统由反力架、千斤顶和后靠支撑组成。


3. 数值分析 


3.1 钢套筒结构建模 


以某区间隧道辅助盾构机接收的钢套筒为例,该钢套筒采用Q235钢,长10600mm,内径6700mm,筒体厚度16mm,后端板厚度40mm,纵向横向采用I56a型工字钢。钢套筒有限元模型见图2。


3.2 计算参数及边界条件


1)荷载。考虑材料自重、后端板集中力及钢套筒内压0.4MPa。


2)边界条件。筒体底部120°圆心角范围内约束径向位移,筒体前端部(靠地下连续墙)固定约束。


3)单元类型。钢套筒筒体及后端板为壳单元、筋板为梁单元。


3.3 后端板预压力影响分析 


分别研究了预压力800kN、850kN、900kN、950kN、1000kN、1050kN、1100kN、1150kN、1200kN、1250kN对钢套筒后端板位移(向外为正)和钢套筒应力的影响规律。根据预压力与后端板最大位移和钢套筒最大应力关系、安全系数变化规律,推荐后端板预压力为900~1250kN之间。


3.4 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的薄弱部位,见图3。在预压力作用下易导致接缝部位渗漏水甚至螺栓被拉断。本文分析了预压力在1000kN的情况下连接螺栓(8.8级M30mm×90mm螺栓)部位的受力情况。断面1分析上下半圆筒体之间连接螺栓承受的压力。断面2分析钢套筒与后端 板之间连接螺栓承受的压力。断面3分析钢套筒与过渡环之间螺栓承受的压力。


通过对断面1~断面3数值的计算,分析了预压力对钢套筒后端板位移、钢套筒应力和螺栓受力的影响。结果表明: 钢套筒在内压0.4MPa情况下受预应力1000kN作用较为合理,钢套筒筒体、后端板处于安全状态。钢套筒在内压0.4MPa和预压力1000kN情况下,所有螺栓连接拉力安全系数均大于2。


4. 工程应用 


4.1 工程概况 


某区间盾构接收段处于⑤2灰色砂质粉土层。该土层为微承压含水层,易发生涌水、涌砂等事故。接收井周边环境极为复杂,有大量雨水管、ϕ500mm上水管(埋深0.7m,铁)、ϕ150mm上水管(埋深0.18m,铁)等管线,有1700多年历史的古刹、寺庙等建(构)物。这些建(构)物和管线变形控制要求极高。该区间盾构接收井紧邻龙华港和社会道路,无常规地基加固施工条件。


考虑到接收井所处场地工程水文地质条件复杂、环境保护要求极高,该区间盾构采用了钢套筒辅助盾构机接收技术。


4.2 钢套筒辅助盾构机接收工艺


4.2.1 钢套筒设计及安装 


该工程采用的钢套筒内径6700mm,长度10600mm,壁厚16mm,密封内压力0.4MPa。连接环与钢洞门圈采用焊接连接,用8.8级M30高强螺栓加密封垫与钢套筒连接成一个整体。钢套筒顶部加装ϕ609mm、壁厚16mm圆钢管下料孔。根据上述数值计算和钢套筒实际受力情况(内压力0.145MPa、预应力600kN),钢套筒筒体、后端板、螺栓连接受力处于安全状态。钢套筒加工与制作的圆度小于20mm,法兰平面度小于5mm。要求钢套筒焊缝满足水密封试验要求。钢套筒安装示意图见图4。钢套筒外周应增加限位稳固装置,防止钢套筒发生侧向位移与旋转。


4.2.2 洞门破除及填充 


该工程洞门为钢筋混凝土围护结构,应全部破除。破除洞门前应检验洞门处地基加固的质量,按先上后下的顺序分层破除;破除过程应密切监测洞口土体稳定性和渗漏情况;作业人员应及时清理接收井内的垃圾,检查洞门破除尺寸,不应出现欠凿。最后,采用具有流塑性的泥土填充钢套筒的2/3空间,其他1/3空间可填充水。


4.2.3 盾构机进入钢套筒及接收 


盾构机接近洞口时,要加大盾构机姿态测量频率,复核控制点。盾构机姿态应高于轴线20~30mm,呈略抬头姿势,确保盾构机能顺利推入钢套筒内。及时调整掘进参数,以安全、顺利实现盾构机接收。穿越洞门加固区时,盾构机推力控制在15000kN以内,扭矩控制在2000~2500kN·m,推进速度控制在5~10mm/min。进入钢套筒后,盾构机推力控制在10000kN以内,扭矩控制在1500kN·m以内,推进速度控制在10~20mm/min。


4.2.4 隧道结构不渗漏及钢套筒拆除


接收范围隧道结构是否渗漏是决定钢套筒辅助盾构机接收最终成败的关键,也是钢套筒安全拆除的前提条件。钢套筒拆除前应检查盾构机接收区域隧道结构渗漏情况,可通过观察钢套筒连接环预留球阀渗漏、特殊管片预留孔渗漏、土仓压力变化、连通管水位变化等情况进行综合判断。确保隧道结构无渗漏后先排空钢套筒内填料,方可拆除钢套筒。拆除钢套筒时应先拆除钢套筒连接环,拆除时应从上到下逐块拆除,并依次采用钢板焊接方式封住管片与钢洞圈之间的间隙。钢洞圈封闭后再逐步拆除钢套筒反力支撑体系、后端板、标准环上下部半圆筒体。


4.2.5 监测


钢套筒辅助盾构机接收过程中应实时监控周边环境变形、钢套筒内力、结构变形及反力体系。主要监测内容与监测频率等见表1。


4.3 工程效果 


该工程在钢套筒辅助盾构机接收过程中,钢套筒内压均匀、稳定、安全,没有泄压,钢套筒 结构处于安全水平状态。监测结果显示钢套筒变 形均匀、受控。筒壁累计变形值为6~8mm,端板累计变形值为9~10mm。接收过程中周边环境变化量小于5mm。


5. 结语


1)在高承压、水高渗透性砂质粉土层、无洞口加固等复杂环境条件下,钢套筒辅助盾构机接收是一种有效控制盾构机接收风险的技术手段,可以实现盾构机安全、平稳的接收。


2)钢套筒辅助盾构机接收可有效控制周边地层变形,达到保护周边环境的目的。 


3)钢套筒辅助盾构机接收过程建议加强钢套筒内力、结构变形及反力体系的动态监测,并通过监测情况及时调整相关施工参数。


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