新型輕量化接收鋼套筒的設(shè)計(jì)研究

彭湛軍

（中鐵工程服務(wù)有限公司，四川 成都 610083）

1 研究背景

在城市地鐵工程盾構(gòu)法區(qū)間隧道施工中，盾構(gòu)機(jī)接收是整個(gè)工程中的關(guān)鍵工序，也是難度最大、風(fēng)險(xiǎn)最高的環(huán)節(jié)，特別是在涌水涌沙的透水地層中更是風(fēng)險(xiǎn)控制的難點(diǎn)。由于盾構(gòu)機(jī)抵達(dá)接收洞口前難以建立土壓以平衡開挖面的土壓和水壓，目前的施工方法是使用洞門橡膠簾布和洞門壓板對接收洞口進(jìn)行密封，再用鋼套筒進(jìn)行接收?，F(xiàn)有鋼套筒接收需要盾構(gòu)機(jī)主機(jī)整體進(jìn)入鋼套筒，由于盾構(gòu)機(jī)主機(jī)長度10m左右，現(xiàn)有鋼套筒存在笨重、制造成本高、安裝拆除耗時(shí)長、密封性能較差等問題。本文基于以上背景和現(xiàn)有鋼套筒的技術(shù)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一種新型輕量化接收鋼套筒，具體結(jié)構(gòu)形式和工作流程如下文所述。

2 結(jié)構(gòu)形式及工作流程

本輕型鋼套筒結(jié)構(gòu)包括底座支撐、筒體、端蓋和過渡環(huán)，筒體設(shè)置在底座支撐上，端蓋板和過渡環(huán)分別設(shè)置在筒體的兩端，筒體與過渡環(huán)之間設(shè)置有洞門密封裝置，各部分采用螺栓連接，筒體內(nèi)設(shè)置有高壓橡膠氣囊，筒體內(nèi)側(cè)底部設(shè)置有用于頂推盾體用的頂推托輪；采用高壓橡膠氣囊和洞門密封裝置共同作用來接收盾體。筒體頂部設(shè)計(jì)有一個(gè)填料口，筒體和后端蓋共設(shè)置多個(gè)帶球閥的排漿管。鋼套筒各部位設(shè)置若干壓力表及壓力傳感器，以實(shí)時(shí)監(jiān)測鋼套筒內(nèi)部壓力。

工作流程：（1）將過渡環(huán)與洞門預(yù)埋鋼環(huán)焊接，然后依次安裝兩段筒體下半圓和上半圓，最后安裝后端蓋；鋼套筒安裝完成之后安裝固定反力架；（2）通過鋼套筒頂部填料口加水進(jìn)行水壓試驗(yàn)，測試鋼套筒密封性。水壓測試完成后通過多個(gè)帶球閥的排漿管排除鋼套筒內(nèi)部的水，然后再通過填料口往鋼套筒內(nèi)填充砂和泥漿，使鋼套筒內(nèi)壓力與盾構(gòu)接收洞口壓力平衡；（3）盾構(gòu)機(jī)接收過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)和位置，當(dāng)?shù)侗P通過兩道橡膠簾布和第一組頂推托輪時(shí)，立刻將托輪頂起，即可對盾構(gòu)機(jī)主體起到連續(xù)支撐作用，進(jìn)而防止盾構(gòu)機(jī)栽頭和破壞鋼套筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)的情況發(fā)生；（4）當(dāng)?shù)侗P繼續(xù)前進(jìn)通過高壓橡膠氣囊時(shí)立刻給氣囊充氣，直至壓力達(dá)到工作壓力，使氣囊與盾構(gòu)機(jī)盾體接觸擠壓，保證鋼套筒內(nèi)部形成封閉空間，且當(dāng)?shù)侗P通過第二組頂推托輪時(shí)，即刻升起托輪；（5）當(dāng)盾構(gòu)機(jī)刀盤接近后端蓋時(shí)，拆除后端蓋和反力架，并在筒體側(cè)面安裝支撐架；（6）盾構(gòu)機(jī)繼續(xù)推進(jìn)直至盾構(gòu)機(jī)主機(jī)全部推出洞門且直到最后一環(huán)管片拼裝完成且注漿澆筑完成，待漿液凝固后，拆除鋼套筒筒體上半圓部分，再拆解盾構(gòu)機(jī)；（7）最后拆除鋼套筒筒體下半圓和過渡環(huán)，完成盾構(gòu)機(jī)接收。鋼套筒的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1

圖1 接收鋼套筒結(jié)構(gòu)示意圖

3 主要結(jié)構(gòu)介紹

3.1 高壓橡膠氣囊密封結(jié)構(gòu)

在接收鋼套筒上設(shè)計(jì)一道矩形槽，高壓橡膠氣囊放置在槽內(nèi)，充氣口在鋼套筒左側(cè)或分布在左右兩側(cè)。在鋼套筒的矩形槽兩側(cè)沿周向分段布置固定塊，高壓橡膠氣囊的固定通過連接在固定塊上的橡膠板來支撐，高壓橡膠氣囊充氣后即可密封鋼套筒和盾構(gòu)機(jī)盾體之間的間隙。其中工作壓力可達(dá)到0.6MPa，爆破壓力為1.8MPa。

使用時(shí)提前在鋼套筒內(nèi)用橡膠板固定槽內(nèi)的無氣狀態(tài)的高壓橡膠氣囊，并連接好充氣管路及氣源，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)刀盤到達(dá)鋼套筒內(nèi)與氣囊交接位置時(shí)，同時(shí)對高壓橡膠氣囊進(jìn)行充氣，當(dāng)達(dá)到設(shè)計(jì)工作壓力后停止充氣，關(guān)閉閥門，記錄壓力值；盾構(gòu)機(jī)繼續(xù)前進(jìn)，逐步出洞，在緩慢出洞的過程中，隨時(shí)觀察高壓橡膠氣囊內(nèi)的壓力值，采用配置的安全閥進(jìn)行高壓控制，一旦出現(xiàn)漏氣時(shí)應(yīng)及時(shí)充氣，出現(xiàn)過高壓力時(shí)應(yīng)放氣。本鋼套筒可實(shí)用于兩種尺寸的氣囊，見圖2所示。

圖2 用于小盾構(gòu)和大盾構(gòu)機(jī)的橡膠氣囊的尺寸圖

本結(jié)構(gòu)優(yōu)勢：實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)接收時(shí)的可靠密封，該密封結(jié)構(gòu)安裝操作簡單，輔助工程施工量少，密封效果好，可靠性高，大大降低施工成本的同時(shí)，也降低了施工滲漏事故的風(fēng)險(xiǎn)性。

圖3 高壓氣囊密封結(jié)構(gòu)圖

3.2 橡膠簾布密封裝置

橡膠簾布密封裝置由簾布橡膠、圓環(huán)壓板、折頁板（注：折頁板上需要現(xiàn)場焊接一圈鋼繩以給其提供支撐力）、注脂孔、螺栓和墊片等組成。在本結(jié)構(gòu)中一共設(shè)有兩道，兩道密封裝置均與筒體螺栓連接，具體安裝結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。此裝置可防止盾構(gòu)機(jī)到達(dá)時(shí)泥土、地下水從盾殼和洞門的間隙處流失，以及盾尾通過洞門后背襯注漿漿液的流失。

4 頂推托輪組

盾構(gòu)機(jī)在進(jìn)入鋼套筒內(nèi)后，由于盾構(gòu)機(jī)的外徑與筒體內(nèi)徑單邊有間隙,如果姿態(tài)控制不好，而鋼套筒內(nèi)部又無支撐的情況下，可能導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)栽頭的情況發(fā)生。而一旦栽頭，刀盤的轉(zhuǎn)動(dòng)會對筒體造成較大的傷害，所以必須對盾體進(jìn)行支撐。盾構(gòu)機(jī)在進(jìn)入鋼套筒內(nèi)后，要注意姿態(tài)控制和頂推托輪組的適時(shí)調(diào)整，并隨著掘進(jìn)的繼續(xù)，要能夠跟隨盾構(gòu)機(jī)主體的重心形成連續(xù)的支撐作用，方可確保盾構(gòu)機(jī)在鋼套筒內(nèi)的安全掘進(jìn)。為此，在鋼套筒內(nèi)設(shè)定2組頂推盾體用的托輪，能夠伸縮，采用間隔布置的方式，且每組托輪組按可承載力50t設(shè)計(jì)，在刀盤未到達(dá)此位置時(shí)處于最低位置，防止刀盤與頂推托輪組接觸，當(dāng)?shù)侗P通過此位置后，即立刻將托輪頂起。

圖4 洞門密封裝置結(jié)構(gòu)形式

5 結(jié)語

圖5 頂推托輪組結(jié)構(gòu)形式

本文中的新型輕量化接收鋼套筒很好地結(jié)合了高壓橡膠氣囊密封結(jié)構(gòu)、洞門密封裝置、頂推托輪組等現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)勢，具備良好的可行性，且核心優(yōu)勢有以下三點(diǎn)：（1）加設(shè)一道高壓橡膠氣囊和兩道洞門密封裝置來共同作用接收盾構(gòu)機(jī)，保證盾構(gòu)接收過程中的密封性能的同時(shí)，使輕型鋼套筒的設(shè)計(jì)長度縮短（從傳統(tǒng)的10m左右縮短為現(xiàn)在的5m左右），實(shí)現(xiàn)了鋼套筒的輕量化，縮短了鋼套筒的供貨周期，降低了鋼套筒的制造成本；（2）采用頂推托輪組技術(shù)，可有效地防止盾構(gòu)機(jī)栽頭的情況發(fā)生，進(jìn)而避免盾構(gòu)機(jī)與鋼套筒內(nèi)壁接觸；（3）便于安裝和拆卸，縮短安裝和拆卸的工期，使得接收鋼套筒的運(yùn)輸安裝簡單化，大幅度降低了盾構(gòu)接收施工成本。這種新型鋼套筒的設(shè)計(jì)，改變了傳統(tǒng)鋼套筒的結(jié)構(gòu)，縮短了鋼套筒的長度，降低了套筒的重量，解決了鋼套筒存在笨重、制造成本高、安裝拆除耗時(shí)長、密封性能較差等問題，使得新型鋼套筒更符合實(shí)際施工的需要。