盾構接收鋼套筒受力實測分析

孫九春，奚曉廣，翁鶴森，王 哲，王 瑞

（1.騰達建設集團股份有限公司，浙江 杭州 311215；2.浙江工業大學巖土工程研究所，浙江 杭州 310023）

0 引 言

盾構法隧道施工是城市地鐵隧道建設中常用的施工方法，同時盾構接收也是盾構法施工中風險最高的環節之一，而目前盾構接收中存在端頭土體加固效果無法保證且施工風險性高的情況。針對此種情況，鋼套筒接收方法應運而生，以其安全性高、經濟性好的優勢，被廣泛應用于各類盾構接收工程，因此對鋼套筒的研究具有重要意義。

陳珊東[1]依托國內首個鋼套筒接收工程，認為鋼套筒接收具有適用性廣、能免除端頭加固的優點，但是同時鋼套筒接收也存在工期長、運輸及保管困難等問題；王健[2]及伍偉林[3]針對鋼套筒使用中存在的密封性差、易變形導致循環使用次數少等問題提出了鋼套筒的改型設計；肖衡[4]依托長沙地鐵1號線黃興廣場站盾構接收工程，采用鋼套筒接收及玻璃纖維筋地連墻的方式免除了人工鑿除地連墻鋼筋環節，節省了工期；廖少明[5]通過有限元法分析了盾構接收過程中鋼套筒的受力變形情況；此外，胡乘愷[6]和王寶佳[7]還依托實際工程研究鋼套筒盾構接收中相關施工參數控制。

目前對盾構接收鋼套筒的研究主要集中在對盾構施工參數控制、鋼套筒結構設計改型等，對其接收過程受力的研究較少涉及。基于此，本文依托杭州地鐵6號線奧體中心站左線盾構接收工程，采用實測分析研究盾構接收過程中鋼套筒受力情況，為今后的鋼套筒設計施工提供借鑒。

1 工程概況

杭州地鐵6號線奧體站—博覽站區間位于杭州奧體中心與國際博覽中心地塊范圍，區間線路出奧體站后由南向北到達博覽站，左線隧道設計起止里程：ZDK23+386.574～ZDK24+082.505，全長約為702.731 m，隧道埋深約19.13 m，采用土壓平衡盾構機進行施工。由于接收端土層自身承載力較差，同時接收端施工環境復雜，環境保護要求高，考慮盾構接收時涌水涌砂的風險，為增加盾構接收工程的安全性，故奧體中心站盾構接收工程采用洞門水平冷凍法端頭加固配合鋼套筒法進行盾構接收，盾構接收端土體情況如圖1所示，端頭土體物理力學參數如表1所示。

圖1 盾構接收端土質情況Fig.1 Soil condition of shield receiving end

表1 土體物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of soil

2 鋼套筒接收施工

2.1 鋼套筒結構設計

根據奧體中心站盾構洞門尺寸及盾構機尺寸，設計鋼套筒結構尺寸11.43 m，整個結構分為1個過渡環（長0.8 m，分上下兩部分）、4個標準筒體（長2.5 m，分上下兩部分）、后蓋板、反力架等。上下兩部分及兩段筒體之間均采用 M30，8.8級螺栓連接，中間加8 mm厚橡膠墊密封。鋼套筒筒身內徑6.8 m，外徑6.84 m，要求承受壓強0.2 MPa，鋼套筒結構如圖2所示。

圖2 盾構接收鋼套筒Fig.2 Shield receiving steel sleeve

2.2 盾構接收

整個盾構接收流程主要包含現場鋼套筒拼裝、密封性檢測、洞門鑿除、盾構推進、盾構機及鋼套筒拆除等環節，具體施工流程如圖3所示。其中盾構推進進入鋼套筒的過程是整個盾構接收流程中的關鍵環節，風險高、難度大、持續時間長，在整個盾構接收過程中需要重點關注。

圖3 鋼套筒接收流程圖Fig.3 Steel sleeve receiving flow chart

鋼套筒盾構接收主要分為：（1）盾構推進到達冷凍加固區外；（2）盾構在冷凍加固區土層內推進；（3）盾構在鋼套筒內推進。在盾構接收前就應通過對隧道進行測量，進而能夠及時對盾構的姿態進行糾偏，保證盾構順利進入鋼套筒內。鋼套筒接收過程中鋼套筒結構的密封保壓性是盾構順利接收的關鍵，需嚴格控制盾構推進的相關參數及姿態，避免盾構磕碰鋼套筒內壁，造成鋼套筒密封失效。盾構在鋼套筒內推進過程中應控制推進速度10～20 mm/min、總推力 1 200 t以下、土倉壓力200 kPa±20 kPa。

3 鋼套筒接收實測分析

3.1 現場監測布置方案

為保證盾構接收過程中鋼套筒結構的安全性，同時探究盾構接收過程中鋼套筒的受力狀態，在鋼套筒表面布置監測點，監測盾構接收過程中的應力及筒身間相對位移狀態。考慮對稱性，在鋼套筒一側布各類監測點，監測布置如圖4～6所示，現場傳感器布置如圖7所示。盾構從第577環開始破除洞門逐漸進入鋼套筒內，即盾構刀盤在鋼套筒與洞門連接處，之后盾構逐漸進入鋼套筒內至完全進入，盾構接收結束時刀盤位置距離鋼套筒后蓋約0.5 m。

圖4 環向應力監測點Fig.4 Circumferential stress monitoring points

圖5 縱向應力監測點Fig.5 Longitudinal stress monitoring points

圖6 筒身縫隙相對位移監測點Fig.6 Monitoring points of relative displacement of cylinder gap

圖7 現場傳感器布置Fig.7 Field sensor layout

3.2 盾構推進中筒身環向拉應力

圖8為盾構接收過程中鋼套筒環向拉應力實測圖，由圖可知：（1）盾構進入鋼套筒時對鋼套筒表面環向拉應力的影響總體處于較低水平，最大拉應力為 15.9 MPa，遠低于筒身材料的屈服強度f=235 MPa；（2）鋼套筒表面環向拉應力變化趨勢基本相同，同時靠近后蓋板處的環向拉應力總體大于靠近洞門處的環向拉應力，但總體相差較小，僅相差3～5 MPa之間；（3）隨著盾構逐漸進入鋼套筒內，鋼套筒表面環向拉應力開始逐漸增長，峰值達到14.3 MPa后整體環向拉應力逐漸下降；（4）在盾構達到584環時，整體環向拉應力出現了突增，最大達到 15.9 MPa，結合現場施工工況，考慮環向拉應力的突增是由于洞門外冷凍法的失效，洞門外水涌進鋼套筒內引起鋼套筒表面環向拉應力突增，后續隨著盾構逐漸進入鋼套筒內，環向拉應力逐漸減小；（5）盾構接收結束時，靠近洞門處環向拉應力約為 0，靠近后蓋板處環向拉應力維持在約5 MPa。

圖8 盾構接收過程中鋼套筒環向拉應力Fig.8 Circumferential tensile stress of steel sleeve during shield acceptance

綜上所述，鋼套筒接收時盾構推進對鋼套筒整體環向拉應力的影響處于較低水平，接收過程中筒體最大環向拉應力為15.9 MPa，盾構推進過程中，鋼套筒表面環向拉應力逐漸增長，在達到峰值后逐漸下降，施工過程中盾構剛進入鋼套筒時是薄弱環節，同時盾構接收過程中靠近后蓋處筒體環向拉應力影響略大于前端靠近洞門處筒體。

3.3 盾構推進中鋼套筒縱向拉應力

圖9為盾構接收過程中鋼套筒表面縱向拉應力實測圖，由圖可知：（1）類似環向拉應力，盾構進入鋼套筒過程對鋼套筒表面縱向拉應力影響也處于較低的水平，鋼套筒最大縱向拉應力為13.2 MPa，遠低于鋼材屈服強度f=235 MPa；（2）隨著盾構進入鋼套筒，鋼套筒表面縱向應力呈現分層現象，盾構推進對鋼套筒腰部處縱向應力影響最大，對中下部縱向應力影響較小；（3）隨著盾構進入鋼套筒內，鋼套筒表面測點處縱向應力逐漸增長，在一開始達到峰值后逐漸下降，其中最大縱向應力為13.2 MPa；（4）在盾構到達584環時，鋼套筒表面的縱向拉應力也出現了突增，考慮原因如上文所述，后續隨著盾構逐漸進入鋼套筒內，縱向拉應力又逐漸減小。盾構接收結束時，縱向應力都處于較低的水平維持在1～2 MPa。

圖9 盾構接收過程中鋼套筒縱向拉應力Fig.9 Longitudinal tensile stress of steel sleeve during shield receiving

綜上所述，類似于環向拉應力，鋼套筒接收時盾構推進對鋼套筒縱向拉應力的影響也處于較低水平，接收過程中筒體最大縱向拉應力為13.2 MPa，出現在盾構剛進入鋼套筒的時候，位于鋼套筒腰部位置。

3.4 盾構推進中鋼套筒筒身間縫隙相對位移

圖 10為盾構接收過程中兩環筒身間縫隙的相對位移，拼縫整體處于較低的水平，最大為0.048 mm。隨著盾構的不斷推進，筒身間縫隙的相對位移逐漸增長，在584環有較大的增長，考慮造成的原因如上文所述，后續隨著盾構的推進縫隙之間相對位移逐漸縮小，盾構完全進入鋼套筒后，相對位移為0.011 mm。盾構接收現場未出現漏水、漏漿的現象，鋼套筒密封性能良好。

圖10 盾構接收過程中鋼套筒筒身間縫隙相對位移Fig.10 Relative displacement of gap between steel sleeves during shield receiving

4 結 論

本文依托杭州地鐵6號線奧體中心站左線盾構接收工程，通過現場監測的方法分析鋼套筒的受力規律，主要得出以下結論：

（1）由工程實測表明鋼套筒接收工法安全可靠，配合端頭加固方法，增強盾構接收的安全性，還可以在端頭加固失效情況下，保證盾構接收工程的安全性。通過對現場的監測，盾構進入鋼套筒的過程中需要加強對鋼套筒的監控，保證盾構接收的安全。

（2）盾構推進對鋼套筒環向拉應力的影響處于較低的水平，總體上呈現先增大后減小的趨勢，環向拉應力最大時刻為盾構剛進入鋼套筒時，最大環向拉應力為15.9 MPa，且靠近后端蓋處筒體的環向拉應力大于靠近洞門處筒體。

（3）盾構推進對鋼套筒縱向拉應力的影響類似于環向拉應力，呈現先增大后減小的趨勢，最大縱向拉應力出現在盾構剛進入鋼套筒時，最大縱向拉應力為 13.2 MPa，鋼套筒腰部縱向拉應力最大。

（4）鋼套筒筒身之間的相對位移隨著盾構的推進也出現先增大后減小的趨勢，筒身縫隙間相對位移最大為0.048 mm，盾構接收現場未出現漏水漏漿現象，鋼套筒密封性能良好。