新型輕量化接收鋼套筒的設計研究

彭湛軍

（中鐵工程服務有限公司，四川 成都 610083）

1 研究背景

在城市地鐵工程盾構法區間隧道施工中，盾構機接收是整個工程中的關鍵工序，也是難度最大、風險最高的環節，特別是在涌水涌沙的透水地層中更是風險控制的難點。由于盾構機抵達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行密封，再用鋼套筒進行接收。現有鋼套筒接收需要盾構機主機整體進入鋼套筒，由于盾構機主機長度10m左右，現有鋼套筒存在笨重、制造成本高、安裝拆除耗時長、密封性能較差等問題。本文基于以上背景和現有鋼套筒的技術缺點，設計出一種新型輕量化接收鋼套筒，具體結構形式和工作流程如下文所述。

2 結構形式及工作流程

本輕型鋼套筒結構包括底座支撐、筒體、端蓋和過渡環，筒體設置在底座支撐上，端蓋板和過渡環分別設置在筒體的兩端，筒體與過渡環之間設置有洞門密封裝置，各部分采用螺栓連接，筒體內設置有高壓橡膠氣囊，筒體內側底部設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。筒體頂部設計有一個填料口，筒體和后端蓋共設置多個帶球閥的排漿管。鋼套筒各部位設置若干壓力表及壓力傳感器，以實時監測鋼套筒內部壓力。

工作流程：（1）將過渡環與洞門預埋鋼環焊接，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行水壓試驗，測試鋼套筒密封性。水壓測試完成后通過多個帶球閥的排漿管排除鋼套筒內部的水，然后再通過填料口往鋼套筒內填充砂和泥漿，使鋼套筒內壓力與盾構接收洞口壓力平衡；（3）盾構機接收過程中實時監測盾構機姿態和位置，當刀盤通過兩道橡膠簾布和第一組頂推托輪時，立刻將托輪頂起，即可對盾構機主體起到連續支撐作用，進而防止盾構機栽頭和破壞鋼套筒內部結構的情況發生；（4）當刀盤繼續前進通過高壓橡膠氣囊時立刻給氣囊充氣，直至壓力達到工作壓力，使氣囊與盾構機盾體接觸擠壓，保證鋼套筒內部形成封閉空間，且當刀盤通過第二組頂推托輪時，即刻升起托輪；（5）當盾構機刀盤接近后端蓋時，拆除后端蓋和反力架，并在筒體側面安裝支撐架；（6）盾構機繼續推進直至盾構機主機全部推出洞門且直到最后一環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，再拆解盾構機；（7）最后拆除鋼套筒筒體下半圓和過渡環，完成盾構機接收。鋼套筒的主要技術參數如表1所示。

表1

圖1 接收鋼套筒結構示意圖

3 主要結構介紹

3.1 高壓橡膠氣囊密封結構

在接收鋼套筒上設計一道矩形槽，高壓橡膠氣囊放置在槽內，充氣口在鋼套筒左側或分布在左右兩側。在鋼套筒的矩形槽兩側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機盾體之間的間隙。其中工作壓力可達到0.6MPa，爆破壓力為1.8MPa。

使用時提前在鋼套筒內用橡膠板固定槽內的無氣狀態的高壓橡膠氣囊，并連接好充氣管路及氣源，當盾構機刀盤到達鋼套筒內與氣囊交接位置時，同時對高壓橡膠氣囊進行充氣，當達到設計工作壓力后停止充氣，關閉閥門，記錄壓力值；盾構機繼續前進，逐步出洞，在緩慢出洞的過程中，隨時觀察高壓橡膠氣囊內的壓力值，采用配置的安全閥進行高壓控制，一旦出現漏氣時應及時充氣，出現過高壓力時應放氣。本鋼套筒可實用于兩種尺寸的氣囊，見圖2所示。

圖2 用于小盾構和大盾構機的橡膠氣囊的尺寸圖

本結構優勢：實現了盾構接收時的可靠密封，該密封結構安裝操作簡單，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，也降低了施工滲漏事故的風險性。

圖3 高壓氣囊密封結構圖

3.2 橡膠簾布密封裝置

橡膠簾布密封裝置由簾布橡膠、圓環壓板、折頁板（注：折頁板上需要現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。在本結構中一共設有兩道，兩道密封裝置均與筒體螺栓連接，具體安裝結構形式如圖2所示。此裝置可防止盾構機到達時泥土、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

盾構機在進入鋼套筒內后，由于盾構機的外徑與筒體內徑單邊有間隙,如果姿態控制不好，而鋼套筒內部又無支撐的情況下，可能導致盾構機栽頭的情況發生。而一旦栽頭，刀盤的轉動會對筒體造成較大的傷害，所以必須對盾體進行支撐。盾構機在進入鋼套筒內后，要注意姿態控制和頂推托輪組的適時調整，并隨著掘進的繼續，要能夠跟隨盾構機主體的重心形成連續的支撐作用，方可確保盾構機在鋼套筒內的安全掘進。為此，在鋼套筒內設定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設計，在刀盤未到達此位置時處于最低位置，防止刀盤與頂推托輪組接觸，當刀盤通過此位置后，即立刻將托輪頂起。

圖4 洞門密封裝置結構形式

5 結語

圖5 頂推托輪組結構形式

本文中的新型輕量化接收鋼套筒很好地結合了高壓橡膠氣囊密封結構、洞門密封裝置、頂推托輪組等現有技術的優勢，具備良好的可行性，且核心優勢有以下三點：（1）加設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機，保證盾構接收過程中的密封性能的同時，使輕型鋼套筒的設計長度縮短（從傳統的10m左右縮短為現在的5m左右），實現了鋼套筒的輕量化，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，可有效地防止盾構機栽頭的情況發生，進而避免盾構機與鋼套筒內壁接觸；（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輸安裝簡單化，大幅度降低了盾構接收施工成本。這種新型鋼套筒的設計，改變了傳統鋼套筒的結構，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、安裝拆除耗時長、密封性能較差等問題，使得新型鋼套筒更符合實際施工的需要。