地鐵盾構(gòu)工程鋼套筒接收施工中的受力分析

李金龍

Stress Analysis of Steel Sleeve Receiving Construction in Metro Shield Engineering

LI Jin-long

【摘? 要】地鐵盾構(gòu)工程中區(qū)間鋼套筒接收是一個很復(fù)雜的受力過程，研究清楚其中的受力情況有助于鋼套筒的選型和設(shè)計。論文結(jié)合具體工程項目及相關(guān)的鋼套筒接收方案，選擇鋼套筒典型結(jié)構(gòu)參數(shù)，對這一過程中鋼套筒的受力情況進行了分析，希望能夠掌握受力變化，為類似工程的實踐提供理論指導(dǎo)。

【Abstract】It is a very complex process to receive the steel sleeve in the metro shield engineering. It is helpful for the type selection and design of steel sleeve to study the stress condition clearly. This paper selects typical structural parameters of steel sleeve in combination with specific engineering projects and relevant steel sleeve receiving schemes， and analyzes the stress of steel sleeve in this process， hoping to grasp the stress changes and provide theoretical guidance for the practice of similar projects.

【關(guān)鍵詞】地鐵盾構(gòu)工程;鋼套筒接收施工;受力分析

【Keywords】metro shield engineering; steel sleeve receiving construction; stress analysis

【中圖分類號】U455.43? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2020）05-0180-03

1 引言

隨著綜合國力的增強，我國政府加大了對基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投入力度，越來越多的城市獲批開始修建地鐵。與城市中其他交通工具相比，地鐵因為節(jié)省土地資源、運量大、準時、速度快等優(yōu)點，受到了人們的普遍歡迎。據(jù)統(tǒng)計，早在2018年，我國就以地鐵總里程數(shù)在世界排名第3位，并且目前基本上所有一、二線城市都修建了地鐵。

地鐵修建工程中，車站兩端頭需預(yù)留區(qū)間隧道接口條件。目前區(qū)間隧道大量采用盾構(gòu)法施工，通常盾構(gòu)接收井在各層中板及頂板上預(yù)留吊出孔，各層樓板設(shè)置水平環(huán)框梁，待主體結(jié)構(gòu)頂板換框梁施作完成后吊出，最后封堵吊出孔[1]。但如果接受位置無法設(shè)置吊出孔時，就必須采用鋼套筒，鋼套筒接收是在密閉空間內(nèi)進行盾構(gòu)接收，通過在鋼套筒內(nèi)建立密閉的空間和內(nèi)部填充物提供平衡掌子面的水土壓力來保證施工安全，使盾構(gòu)機破除洞門前即已建立水土平衡的環(huán)境，刀盤出圍護結(jié)構(gòu)后等同于盾構(gòu)常規(guī)掘進，從而避免盾構(gòu)機破除洞門過程中因為滲漏或掌子面上部失穩(wěn)而出現(xiàn)塌方的隱患[2]。

地鐵盾構(gòu)工程中區(qū)間鋼套筒接收是一個很復(fù)雜的受力過程，本文結(jié)合具體工程項目及相關(guān)的鋼套筒接收方案，嘗試對這一過程中鋼套筒的受力情況進行分析。

2 工程項目概述

長春地鐵一號線南環(huán)路站～中央商務(wù)區(qū)站區(qū)間由南環(huán)路站向南，沿人民大街路中敷設(shè)，沿線穿過市政府、市第二實驗中學(xué)、高速公路收費站直達中央商務(wù)區(qū)站，區(qū)間線間距為13.5～16m，區(qū)間隧道雙線總長約1668. 667m。

該項目盾構(gòu)區(qū)間單線長約834m，經(jīng)地質(zhì)水文勘察表明，接收端地質(zhì)條件復(fù)雜，自上而下依次為素填土、殘積粘性土（硬塑）、強風(fēng)化花崗巖（沙土狀）、強風(fēng)化石英正長斑巖（碎塊狀）、基巖裂隙水賦存于強風(fēng)化花崗巖（砂土狀）、強風(fēng)化石英正長斑巖（砂土狀）等，地層場地本層水埋深5.94～6.83m，水位標高7.63～8.02m，主要接受側(cè)向徑流及越流補給，以側(cè)向徑流方式排泄，受雨季影響較大。為保證盾構(gòu)安全到達接收，采取在中間豎井設(shè)置鋼套筒的形式進行盾構(gòu)接收工作。

3 鋼套筒接收方案

一般，鋼套筒接收系統(tǒng)由筒體結(jié)構(gòu)、底部支撐框架、后盾系統(tǒng)、后端蓋板、支撐系統(tǒng)、加料口和卸壓口等部分組成[3]。制定鋼套筒接收方案時，需要考慮到施工地的地質(zhì)水文條件，一般的施工工藝流程如圖1所示。

4 鋼套筒結(jié)構(gòu)受力分析

鋼套筒在組裝完成后需要進行密閉性監(jiān)測，要求承受一定的水壓力（一般取0.3～0.5MPa）。本文選取特定構(gòu)型的鋼套筒，對其建立有限元模型后進行受力分析。

4.1 鋼套筒結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置

參照當(dāng)前主流的鋼套筒結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)置有限元模型中典型輸入?yún)?shù)如表1所示。

4.2 鋼套筒千斤頂預(yù)壓力-后端蓋位移分析

設(shè)密閉性實驗中水壓力為0.4MPa，且千斤頂預(yù)壓力取值在80～140kN，每隔5kN進行一次采樣，利用有限元軟件可以計算出鋼套筒千斤頂預(yù)壓力-后端蓋位移變化曲線如圖2所示。

根據(jù)鋼套筒Tresca最大應(yīng)力-安全系數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，結(jié)合圖2中千斤頂預(yù)壓力與后端蓋位移的變化關(guān)系，可以判斷千斤頂推力預(yù)設(shè)值在90～125kN時，鋼套筒最大Tresca應(yīng)力值小于235MPa，相應(yīng)的安全系數(shù)大于1.00，因此，施工過程中千斤頂預(yù)壓力設(shè)置在該段區(qū)間內(nèi)比較合理。

4.3 連接螺栓受力情況分析

一般情況下，連接螺栓是鋼套筒結(jié)構(gòu)中受力最為薄弱的部位，往往成為制約整個施工質(zhì)量的關(guān)鍵點，需要重點關(guān)注。

螺栓的最大拉力、最大拉伸應(yīng)力可以用以下公式進行計算：

F=F0+c×Fa? ? ? ? （1）

（2）

式（1）中，F(xiàn)表示最大拉力，F(xiàn)0表示預(yù)緊力，c為常系數(shù)（在0和1之間取值，本次計算中取0.3），F(xiàn)a表示千斤頂預(yù)緊力;式（2）中，？滓表示最大拉伸應(yīng)力，As表示螺栓橫截面積。

在本文中，結(jié)合千斤頂預(yù)緊力變化情況，根據(jù)以上公式，可以得到螺栓受力隨千斤頂預(yù)應(yīng)力變化的關(guān)系，如圖3所示。

結(jié)合圖3，可以掌握螺栓受力隨千斤頂預(yù)應(yīng)力變化的情況。由于千斤頂預(yù)應(yīng)力應(yīng)該設(shè)置在90～125kN比較合理，因此，當(dāng)超出這個變化范圍時，就需要加強對螺栓受力情況的監(jiān)測。

4.4 鋼套筒結(jié)構(gòu)薄弱部位受力情況分析

鋼套筒為拼裝式結(jié)構(gòu)，接縫部位采用螺栓連接，當(dāng)盾構(gòu)機完全進行鋼套筒時，這些接縫部位屬于受力最為薄弱的部位，需要在施工過程中重點關(guān)注。本項目中，鋼套筒筒體結(jié)構(gòu)的環(huán)向接縫共計6條，包括地連墻-筒體接縫1條、筒體接縫4條和筒體-后端板接縫1條。在有限元模型中建立鋼套筒模型，并重點標注接縫，結(jié)合本工程實際，對拼接縫受力情況進行檢測和計算，可以得到沿盾構(gòu)推進方向，地連墻-筒體接縫、筒體接縫、筒體-后端板接縫各處應(yīng)力變化關(guān)系如圖4所示。

由圖4可以看出，鋼套筒結(jié)構(gòu)薄弱部位受力變化情況并非是線性的，并且總的趨勢是隨著盾構(gòu)推進方向加深而升高，中間會有波動，是由當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件不同造成的。因此，在鋼套筒接收施工過程中，應(yīng)該根據(jù)盾構(gòu)推進情況實時監(jiān)視鋼套筒薄弱部位的應(yīng)力變化情況，尤其是在部分應(yīng)力變化劇烈的地方，更應(yīng)該加大監(jiān)測頻率，確保應(yīng)力變化在鋼套筒能夠承受的范圍內(nèi)，以防出現(xiàn)施工安全問題。

5 結(jié)語

本文結(jié)合長春市地鐵工程施工項目，結(jié)合地鐵盾構(gòu)工程中區(qū)間套筒接收施工技術(shù)，選取典型鋼套筒結(jié)構(gòu)參數(shù)，分別對鋼套筒千斤頂預(yù)壓力-后端蓋位移情況、連接螺栓受力情況、鋼套筒結(jié)構(gòu)薄弱部位受力情況進行了分析，得出了以下結(jié)論：

①施工過程中，應(yīng)該根據(jù)安全系數(shù)的相關(guān)要求設(shè)置千斤頂?shù)念A(yù)壓力，本工程中千斤頂推力預(yù)設(shè)值在90～125kN時符合安全規(guī)定要求。

②施工過程中，應(yīng)該注意對螺栓受力情況進行分析，螺栓受力情況一般隨千斤頂預(yù)壓力的變化而呈非線性變化，因此，在千斤頂推力超出預(yù)設(shè)值時，就需要重點關(guān)注螺栓的受力情況。

③鋼套筒結(jié)構(gòu)存在薄弱部位，施工過程中這些薄弱部位受力變化情況隨著盾構(gòu)推進方向加深而呈現(xiàn)非線性變化，并且會受到當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件的影響，因此，應(yīng)該根據(jù)盾構(gòu)推進情況實時監(jiān)視鋼套筒薄弱部位應(yīng)力變化情況，尤其是在部分應(yīng)力變化劇烈的地方，更應(yīng)該加大監(jiān)測頻率，確保應(yīng)力變化在鋼套筒能夠承受的范圍內(nèi)。

總之，在地鐵盾構(gòu)工程鋼套筒接收施工過程中，做好受力分析有利于掌握施工過程中鋼套筒的受力變化情況，有利于提前采取各種預(yù)防措施，有利于更好地指導(dǎo)工程實施。本文的理論計算結(jié)果，根據(jù)具體的工程項目情況而有所不同?？傊Ｍ疚牡难芯磕転轭愃乒こ痰膶嵺`提供指導(dǎo)。

【參考文獻】

【1】郝鵬飛.淺談在不同條件下地鐵車站盾構(gòu)接收應(yīng)對方案[J].安徽建筑，2016，23（03）：211-213.

【2】宋思文，高杉.淺談大有坊街站—太平橋站區(qū)間左線鋼套筒接收盾構(gòu)機技術(shù)[J].施工技術(shù)，2019（S1）.

【3】陸鵬程.鋼套筒結(jié)構(gòu)安全性分析及其在盾構(gòu)接收中的工程應(yīng)用[J].中國市政工程，2017（6）：69-73.