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浅析钢套管技术在地铁盾构接收过程中的应用

1 工程概况
近年来，城市轨道交通飞速发展，全国各省市不断兴建地铁，盾构隧道遇到各种不良地层的几率也随之增加。在地铁工程盾构法区间隧道施工中，始发和接收过程是整个工程中的关键工序，也是难度最大、风险最高的环节，尤其是盾构接收过程尤为明显，当遇到不良地质或富水砂层时，很容易出现涌水、涌砂、坍塌等事故，因此，在不良地层选择合适的盾构技术越来越重要。目前，关于不良地层下的盾构接收技术已进行了一些研究，但针对富水砂层盾构法施工钢套管的参数设计、计算验证以及掘进控制参数鲜有涉及。本文结合某地铁盾构工程项目，通过该地区典型的富水砂层钢套筒辅助盾构接收方案的实施，并实现安全接收为背景，总结了钢套管接收技术原理及优点，论述了钢套管设计及施工的关键参数和环节，并通过数值仿真技术验证了钢套管设计参数的安全性，相关成果可为类似工程提供参考和借鉴。本标段盾构接收井隧道洞身范围主要地层为④₂粉土夹粉砂地层，拱顶局部处于③₃粉土地层，拱底局部处于⑤₁粉质粘土地层，隧道拱顶部位覆盖①₂杂填土、①₃素填土、③₁粘土、③₂粉质粘土层。北端为盾构接收井，设计为地下两层钢筋砼结构，围护结构采用800mm厚地下连续墙。端头井端墙厚度为800mm，侧墙厚度为800mm，底板厚度为1000mm厚(不包括垫层)。端头井深18.1m，长12.55m，宽净21.6m。在接收井中板、顶板设置11.5m×7.5m盾构机吊出口，用于盾构机和后配套台车的拆除吊出。根据场地条件及周边环境情况，本区间接收采用地面加固+素砂浆地墙止水帷幕+钢套筒的工法。
2 钢套管盾构接收技术原理及优点
钢套筒盾构接收工法的重点是在接收端头井提前施安装一个大于盾构机外径的拼装式密闭钢结构，并在钢套筒内填入盾构土填料，形成一个外延接收体，密闭后以抵抗平衡地下水土压力，最终完成盾构接收。主要优点如下:(1)钢套筒采用分节拼装，施工便利，安装时间短，并且可以周转重复使用;(2)通过对钢套筒进行密封处理，可以使盾构接收过程完全密闭，以抵抗后部地下水土压力;(3)通过对钢套筒内填充料的优化提高了钢套筒接收施工的速度及可操作性;(4)对钢套筒结构优化设计，降低钢套筒造价及安装成本;(5)施工安全性好，可在大深度、高水压下进行盾构接收工作。钢套筒施工技术适用于富水承压砂层、端头加固场地受限及其它各类地质条件恶劣、埋深较大的盾构接收施工。
3 钢套管设计
筒体部分长10m，直径(内径)6800mm，分四段(加每段长)，每段又分为上、下两块，筒体材料用20mm厚的Q235A钢板，每段筒体的外周焊接纵、环向筋板形成网状以保证筒体刚度，筋板厚20mm，高150mm，间隔约550*600mm;每段筒体的端头和上、下两段圆弧接合面均焊接连接法兰，法兰用40mm厚的Q235A钢，上、下两段连接处以及两段筒体之间均采用M30*90 8.8级螺栓连接;接缝中间加2道1*3cm密封条，密封条与法兰粘贴牢固，密封条接口处做成斜坡口，以保证密封效果;筒体上下盖、前后端相交的“十”字接缝处为筒体渗漏的薄弱点，此处在筒体内部打遇水膨胀密封胶。筒体底部框架分四块制作。底部框架承力板用20mm厚Q235A钢板，筋板用20mmQ235A钢，底板用20mmQ235A钢板，如图1所示:

托架与下部筒体焊接连成一体，焊接时托架板先与筒体焊接，再焊接横向筋板，焊接底板和工字钢。托架组装完后，与车站底板预埋钢板焊接。托架用20号H型钢与车站侧墙顶紧，钢套筒上部采用20号H型钢与中板梁顶紧。
4 钢套管数值计算
本计算说明是对所使用的钢套筒的强度及刚度等方面的计算校核。材料选用Q235，［σ］=235/1．5≈157MPa。模型对实际情况进行简化，仅以钢套筒20mm壁厚建立模型，而不考虑筋板对结构的刚度增强作用，作为安全储备。采用ANSYS建立钢套筒的有限元模型，支座及与洞门连接处考虑为固结，模型位移边界条件如图2。计算工况分为两种工况进行计算，工况1:自重+0.4MPa内部均压;工况2:自重+250t盾构机重量+250t填土重量。
(1)工况1

工况1应力云图见图3，应力最大值为107MPa＜［σ］，满足要求。
工况1竖向位移见图4，最大位移值为1.2mm，满足要求。
(2)工况2

工况2应力云图见图1－5，应力最大值为32.7MPa＜［σ］，满足要求。
工况2竖向位移见图6，最大位移值为0.47mm，满足要求。

5 掘进控制参数
过止水帷幕时盾构机参数:推进速度5～10mm/min，推力1200t以内，扭矩2.0MN·m以内，上部土压控制在1.8bar左右，适当注入泡沫，严格控制出土量，同步注浆正常注入。进入三轴搅拌加固区时盾构机参数:推进速度10～15mm/min，推力1200t以内，扭矩2.0MN·m以内，上部土压控制在1.5bar左右，滚动角≤3mm/m，同步注浆正常注入。过加固区时盾构机参数:推进速度10～15mm/min，推力800～1000t，扭矩严格控制在2.0MN·m以内，上部土压控制在1.2bar左右，适当注入泡沫，同步注浆正常注入，关注地表变化。破洞门掘进参数:推进速度5～10mm/min;推力800t以内，扭矩严格控制在1.5MN·m以内，上部土压逐渐减小至0.8bar左右。刀盘进入钢套筒掘进参数:推进速度10～15mm/min，推力1200t以内，底部土压控制在1.6～1.8bar，扭矩2.0MN·m以内，滚动角≤3mm/m，同步注浆量减小至3.5m²。
6 结束语
在地铁工程盾构法区间隧道施工中，盾构接收是难度最大、风险最高的环节，当遇到不良地质或富水砂层时，很容易出现涌水、涌砂、坍塌等事故。采用钢套管这一辅助装置可确保复杂地质条件下盾构安全接收，有效降低了工程风险和成本。

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