盾构在富水砂卵石地层钢套筒接收的研究

陈振东

北京赛瑞斯国际工程咨询有限公司 北京 100071

摘 要：结合北京地铁16号线丰益桥南站—丰台站盾构区间在丰台站富水砂卵石地层穿越10号地铁运营线随即钢套筒接收工程，系统分析了大直径盾构机在富水砂卵石地层小间距穿越运营地铁线随即钢套筒接收的沉降控制措施，穿越期间盾构掘进参数及注浆改善砂卵石地层物理力学性质机理，实践证明通过对盾构洞内注浆及盾构机掘进参数有效控制，再加上钢套筒辅助接收控制，完全能够在富水砂卵石地层情况下进行小间距地铁运营线穿越及钢套筒辅助盾构接收。

关键词：盾构法：砂卵石地层；钢套筒接收。

1. 引言

城市轨道交通工程的盾构隧道下穿运营地铁线后，随即进行钢套筒接收施工，在建地铁线路施工中经常遇到。城市运营地铁线与盾构接收车站间距小，地质复杂且含水量大，为保证运营线路安全，不具备注浆加固条件，管线复杂，安全风险大。由于国铁车站附近线路规划的需要，有时不可避免的出现地铁穿插施工，加上地质的复杂性和不稳定性，新建地铁施工会干扰既有线下方地层及车站周边原有的平衡状态，引起既有线下方和周边地层应力重分布和变形，使既有地铁运营线发生附加变形等种种不利影响，对城市既有地铁运营造成隐患。因此，为了使采用盾构法施工地铁隧道能够在保护好既有城市地铁运营及车站运营的情况下，就需要研究控制城市地铁运营线及车站接收端的沉降变形技术与措施。

2. 工程概况

1.1基本情况

北京地铁16号线丰益桥南站至丰台站区间采用盾构工法。区间起于丰益桥南站西侧，右线里程K15+181.700处，止于丰台站东端，右线里程K16+749.674处，区间右线含长链62.220m。本段区间右线长度约为1630.194m。中间设两处联络通道，分别设于右线里程K15+770和K16+360（左线里程K15+770和K16+354.864）处。

区间由丰益桥南站始发，以5.433‰向下，下穿西三环南路后，向西下穿国铁车场，然后继续向西下穿地铁10号线区间，直至丰台站东侧接收，左、右线盾构接收均为洞内拆解接收。盾构顶部距离地面为12～22m，盾构穿越区间地层为卵石④、卵石⑤层。

盾构接收端穿越地铁10号线后立即接收，且位于地下水位以下约0.5m，接收风险较大，故采用钢套筒接收方案。

1.2工程地质及水文地质

区间盾构接收段地层从上至下为：杂填土①层、黏质粉土素填土①1层、黏质粉土、砂质粉土②2层、粉质黏土②3层、圆砾、卵石②层、卵石③层、卵石④层（部分夹杂黏质粉土、砂质粉土④2层）、卵石⑤层。隧道穿越层为卵石④层、卵石⑤。

根据2020年07月丰台站端头测量的水位线水位高程24.7m(盾构下穿10号线段隧道顶部标高为24.3～24.5m)，由此推算地下水位位于16号线隧道顶部以上约0.2～0.4m。盾构接收段隧道顶部标高为24.2m,接收段地下水位于隧道顶部以上0.5m。（实际地下水位以盾构穿越前量测丰台站水位观测井数据为准）

2风险分析

盾构钢套筒主要风险为钢套筒下井吊装、安装及拆除时的安全控制，监理单位应要求施工单位施工过程中按要求做好安全交底，吊装时安排两个信号工，保证上下信号通畅，吊装时下方严禁站人。套筒吊装、安装及拆除避免机械伤害，高空作业系挂好安全带。

本工程涉及到大型设备的吊装运输，点多面广可能存在的危险源多，不可预见性大。为保证正常施工、预防突发事件的发生，监理单位事前必须对可能出现的突发情况做好风险分析并组织施工单位做好充分的技术措施准备。

3钢套筒设计

根据丰台站盾构接收井结构尺寸图可知，该接收井纵向净空长度为14.8m，宽7.6m，线路中心线距接收井东侧墙净空为4.2m，而我项目采用的右线盾构机刀盘直径为6.66m，盾体直径为6.63m，盾构主机长度为9.24m；左线盾构机刀盘直径为6.68m，盾体直径为6.65m，盾构主机长度为9.149m。为确保盾构机顺利进入钢套筒，本工程选择的钢套筒由过渡环、筒体、受力架、支撑系统等主要构件组成，设计耐压为0.3MPa，满足盾构接收要求。钢套筒的内径为6.95m，外径7.19m，其中，过渡环长度为0.8m，筒体长度为11.27m（筒体由12节组成，含过渡环及后端盖），受力架采用9根φ609钢管斜撑。

4钢套筒计算

4.1钢套筒构造

本次盾构水中进洞钢套筒主体为圆柱形筒体，全长约11.27m，内径6.95m，由钢板及通过螺栓和焊接连接而成。整体主要材料为Q235B钢材，钢套筒主体总重量约100t。

4.2主要设计参数

钢套筒内压：0.3MPa；盾构机自重：约300t；钢套筒主要材料：Q235B。

4.3主要计算对象及目的

本工程主要计算对象为钢套筒的筒体本体，计算的主要目的是验算在接收盾构机时钢套筒在内压和盾构机自重荷载工况下的强度。

4.4计算过程

4.4.1第一部分：钢套筒筒体承受内压计算（按压力容器计算）

（1）基本条件

钢套筒内径d=6950mm；半径R=3475mm；内部压力 P=0.3MPa；壁厚 h=20mm；材料为 Q235B。

（2）计算模型

钢套筒为一空心圆柱体，在承受内压的情况下，每个断面的受力情况是相同的。其受力模型大致如下：

图2 钢筒体受 0.3MPa 计算模型

（3）计算结果

2T=2R·P=2*3475*0.3=2085KN/m

T=1042.5KN/m

其中 T 为钢套筒筒壁受拉力；

R 为钢套筒的半径3475mm；

P 为内压0.3 MPa。

（4）应力复核

应力σ 1=T/h

σ 1=1042.5/20=52.125MPa

σ 1<205MPa,安全系数约3.9，钢套筒筒体强度符合要求。

（Q235B钢，板厚h= 20mm 厚，抗拉强度为 205MPa，《钢结构设计规范》表 5.4.1）

4.4.2第二部分：底部框架受力计算

（1）基本条件

盾构重量 G1：约300t；筒体自重（除去底部框架）G2：84t；筒体自重 G3:约100t；底部框架数量：4 个；按底部框架中间筋板承受全部重力计算，筋板长300mm、厚20mm，承受荷载的筋板共计 8 块；材料为Q235B。

（2）计算公式

底部框架承受重力：G1+G3=400t≈3920KN

筋板受力面积 A=8x0.3x0.02=0.048 ㎡

σ 2=（G1+G3）/A≈81.67MPa

（3）应力复核

σ 2=81.67MPa<205MPa,安全系数约 2.5，底部框架的强度符合要求。

4.4.3第三部分： 支撑受力计算

（1）推力计算

盾构接收钢套筒受力架的支撑构件由φ609圆管斜撑及受力钢板构成。斜撑与水平面夹角30度。为确保接收安全，盾构进入钢套筒推力控制在800t左右，最大推力不超过1000t，计算按1500t推力计算。

（2）主要设计参数

钢套筒及斜撑主要材料：Q235B； 斜撑圆管截面φ609*9，9根斜撑提供最大反力1500t*9.8=14700KN，每根支撑提供最大反力14700/9=1634KN。

（3）主要计算对象及目的

本次计算对象为盾构进钢套筒受力架的支撑构件：斜撑、焊缝、预埋钢板。

计算的主要目的是验算在钢套筒受力工况下的强度。

计算过程：

1. 斜撑受压计算（斜撑材质Q235B）

1）基本条件

单个斜撑受力为1634KN，保守计算考虑斜撑受压和受剪两个工况。

2）计算过程与结果

斜撑圆管截面积为：S=3.14*（0.609-0.008）*0.008≈0.015㎡

受压工况：压应力σ2=F1/S=1415/0.015=94.3MPa

受剪工况：剪应力τ1=F2/S=817/0.015=54.5MPa

σ2=94.3MPa<205MPa,安全系数约 2.2，τ1=54.5MPa＜120MPa，安全系数约2.2。

结论：斜撑圆管受压与受剪强度符合要求。

（斜撑为φ609圆管，Q235B钢，板厚8mm厚，抗拉强度为205MPa，抗剪强度120 MPa）

②斜撑焊缝计算

1）基本条件

斜撑焊缝为采用3块三角钢板等强度焊接，斜撑与水平面夹角30°，则根据投影关系，斜撑受剪焊缝截面积S1=S*2=0.015*2=0.03㎡，斜撑受压焊缝截面积S2=S/1.732*2=0.015/1.732*2≈0.017㎡。

2）计算过程与结果

焊缝剪应力τ2=F/S1=1634/0.03≈54.5MPa＜120MPa，

安全系数约为 2.2，可知斜撑焊缝抗剪强度满足使用要求。

焊缝压应力σ 3=F/S2=1634/0.017≈96.1MPa＜205MPa，

安全系数约为 2.1，可知斜撑圆管焊缝抗压强度满足使用要求。

（Q235B 钢，焊缝厚度8mm，抗压强度205MPa，抗剪强度120MPa，《钢结构设计规范》表 5.4.1）

③预埋钢板及锚筋受力计算（钢板材质 Q235B，厚度20mm；锚筋材质Q345,直径25mm）

1）预埋钢板受力计算过程与结果

只要考虑水平分力Fx,而不用考虑其垂直分力Fy；

Fx= F cosa=1415KN；

则钢板平均剪应力为＝Fx/（1.8×1）=1415/1.8=0.786 MPa <钢板抗剪强度fv=120MPa。可知底板预埋钢板受力强度满足使用要求。

2）预埋锚筋受力计算过程与结果

每块钢板预埋18根φ25螺纹筋锚筋，穿孔满焊，长度500mm，间距300mm。外周预埋15根加强锚筋（抗剪计算不考虑）。

每根锚筋平均受水平力为＝Fx/18=1415/18=78.61KN

每根锚筋平均剪应力为＝78.16/（0.00617*25）=0.51 MPa <钢筋抗剪强度fv=170MPa。可知底板预埋钢板受力强度满足使用要求。

结论：以上均符合承载力要求，故斜撑结构可以满足施工要求。

5钢套筒安装及拆除

5.1测量复核

监理单位应组织施工单位对接收井内满铺的钢板面标高进行复核，确认无误后再在钢板上放出线路中心线，也就是钢套筒的中心线。钢套筒定位时，要求钢套筒架中心线、线路中心线两条控制线重合，误差不大于1cm。

钢套筒安装遵循先下部后上部的原则进行，安装完成后再由测量人员对中心线进行复测，确认无误后，再对钢套筒进行加固并将洞门环板与过渡连接板进行焊接连接。

钢套筒安装完成后，现场填料使用前，必须对钢套筒安装质量进行复检，对安装好的筒体位置进行复测，与盾构机出洞的中心线是否重合。全面检查钢套筒各个部位的焊缝、螺栓，保证焊缝的质量，螺栓的紧固符合要求。

5.2钢套筒的密封性检查（注水试验、惰性浆液填充）：

钢套筒组装完成后，在筒体内注水检查其密封性，检查并修复其密封质量，然后再次进行试压，直至满足试压要求。注水试压监理工程师全程旁站，确保密封良好。

试验介质：水。试验压力及时间：约0.3MPa，维持3h且压力下降不超过5%。

钢套筒检查完毕后，向钢套筒内填料，采用惰性浆液（改良后渣土）填充满钢套筒。若采用惰性浆液其配比如下表，现场填料前需提前做好配合比试验，验证浆液强度等指标满足填料要求。

5.3接收端盾构隧道控制：

为了确保接收端注浆效果，防止套筒拆除期间及洞门环梁安装前洞门出现渗水、涌砂的发生，盾构进套筒推至指定位置后，监理单位要求施工单位采用后退式再次注浆封堵，从玻璃纤维连续墙结构处倒着向10号线结构外4m范围内采用二次注浆整环封堵，必须注浆封堵到位。

5.4拆除前注浆效果检查：

在钢套筒拆除之前，监理单位必须待注浆凝固之后组织施工单位再次对注浆效果进行检查，确保止水效果满足接收要求。洞门封堵质量须检查全面到位。

套筒拆除拧松螺栓时需分三级自上而下拧松螺栓。后端盖及筒体吊装拆除时，周边严禁站人，所有人员远离吊装区域，监理单位在此过程中宜全程旁站，防止隐患发生。

6结语

以往的理论研究和施工实践均表明，在地下工程施工过程中，地层应力状态的改变将直接导致结构产生位移和变形，同时也会对地表及周边环境造成一定的影响。当这种位移和影响超出一定范围，必然对结构产生破坏，并影响到上方城市运营地铁线及接收端车站的的安全。如何在城市运营地铁线富水砂卵石地层中进行盾构穿越随即进行盾构钢套筒辅助接收，保证盾构穿越施工中不影响城市运营地铁线及车站的正常使用，如何做到“未雨绸缪”，施工中的监控量测发挥了极其重要的作用，本案中正是遵循此原理得以顺利通过及接收，后期监测及雷达扫描除地铁10号线穿越段3个点注浆上浮3㎜外，其他各项指标符合要求。本工程钢套筒成功经验为今后类似施工提供借鉴。

参考文献：

[1] 陈广亮，注浆技术在盾构穿越砂卵石地层施工中的应用，山西建筑2010年11月第36卷第31期；

[2] 北京地铁十六号线工程丰益桥南站-丰台站区间施工图设计

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