地铁盾构进洞整体接收装置变形验算及压力试验研究

魏林春，侯永茂，赵艳鹏，巴雅吉呼

（上海隧道工程股份有限公司，上海200082）

0 引言

目前，盾构法隧道施工的大量增加，盾构进出洞工程作为盾构隧道主要风险之一，随着盾构进出洞施工事故也不断增加。盾构进出洞事故对社会和国家造成重大的损失和不可估量的社会负面影响。如1993年5月，高雄捷运某隧道上行盾构进洞施工时，发生洞圈渗漏造成地面沉陷，导致邻近房屋出现倾斜；2008年8月，南京集庆门站—所街站盾构区间隧道工程集庆门站盾构进洞时发生事故，造成4条区间隧道、2台盾构被淹；2008年，上海地铁盾构进出洞工程中出现多起地面塌陷事故，对社会造成较大影响。

本文针对当前盾构进出洞施工环境趋于复杂化，工程施工风险较大的特点，设计了一种新型地铁盾构进洞整体接收装置，可大大降低盾构进洞施工发生风险的概率，避免盾构进洞施工中重大工程事故发生。

1 依托工程简介

杭州地铁2号线一期工程钱江世纪城-钱江路站区间盾构从钱江世纪城站始发穿越江南风井、钱塘江、江北风井至钱江路站盾构进洞。江南风井隧道纵坡为28‰，盾构进洞洞圈中心标高为-16.155 m，地表标高+5.67 m。盾构进洞段隧道断面所处地层主要为：③7粘质粉土夹砂质粘土、⑥2淤泥质粘土。南岸含水层厚度15.6～19.7 m，南岸土层透水性中等，水量丰富，按照常规盾构进洞施工风险较大。该盾构到达整体接收装置是以下行线盾构达到江南风井进洞工程为依托进行设计的。江南风井进洞地基加固示意图如图1所示。

图1 江南风井进洞段地基加固示意图

2 盾构进洞整体接收装置设计及变形验算

2.1 盾构进洞整体接收装置设计简介

盾构进洞整体接收装置通过内部压力平衡洞门外水土压力，确保盾构进洞工程中施工安全。盾构进洞整体式接收装置按照杭州地铁2号线钱江世纪城-钱江路站区间江南风井盾构进洞工程要求0.3 MPa压力设计，装置共分为5个筒体和1个端板，每段筒体和端封板又分为上、下两半，上、下两容器间由8.8级M27高强螺栓连接。筒体一为过渡环，一端按照隧道纵坡28‰设置与洞门连接，另一端与后面筒体法兰连接；筒体二、筒体三及筒体四为标准环，相互通过法兰连接；最后为平面端板。盾构进洞整体接收装置简图如图2所示。

2.2 盾构进洞整体接收装置变形验算

盾构进洞整体式接收装置设计完成后，为了保证进洞接收装置能够安全有效地应用于工程中，在装置加工前，根据盾构进洞整体接收装置实际的使用工况，建立整体接收装置的细部三维有限元模型，并对整体装置及支撑的受力情况进行了研究。

计算模型根据实际情况，考虑了装置肋板与筒身的焊接方式，装置与支座支撑方式及整体接收装置的坡度等因素。同时为了模拟计算的方便，将过渡环与洞口焊接位置设为固定约束、法兰间的连接设定为两个法兰为一个整体、端封板上的梁及后支撑简化为梁单元等模型简化措施。有限元计算模型如图3所示。

数值计算共考虑四个工况：自重荷载；最大0.1 MPa水压；最大0.2 MPa水压；最大0.3 MPa水压。图4为0.3 MPa水压下装置筒身及支撑变形云图。可见在0.3 MPa作用下筒体变形较小，端板最大变形约2.26 cm，后支撑最大变形为4.9 mm，装置应力水平均在设计范围之内，装置处于安全有效工作状态。表1为四个工况装置变形计算结果汇总表。

表1 不同工况下装置变形计算结果汇总表

3 盾构进洞整体接收装置现场压力试验

盾构进洞整体接收装置安装完成后，为了检验装置的密封性与可靠性，对装置进行注水压力密封试验。通过对装置进行注水分级加压，从0.05 MPa开始，每级增加0.05 MPa压力，最大水压为0.3 MPa，共进行了六个工况。分级加压过程中对第三环筒身各处、端板及支撑后靠地墙布置电子位移计监测点，对支撑布置轴力计测点，试验监测数据采用自动数据采集系统进行实时自动监测。根据实时监测数据反馈，动态了解盾构进洞整体接收装置的变形情况，指导盾构进洞整体接收装置压力试验安全实施。图5为盾构进洞整体接收装置现场试验实景。

图6为不同工况下第三环左下位移计测点的监测曲线。由图6可见，水压为0.05 MPa时，筒体变形约为5 mm，水压为0.3 MPa时，筒体变形约为8 mm。图7为不同工况下的支撑轴力监测值变化曲线。在试验工况下，支撑轴力增长迅速，轴力曲线随着注水的进行与停止上下波动，水压0.3 MPa时轴力最大约为520 kN。

4 结语

本文针对当前复杂的地铁盾构进洞施工环境，设计了一种新型地铁盾构进洞整体接收装置，分别通过数值计算分析和工程现场压力试验对盾构进洞整体接收装置进行了验证研究。数值计算结果和工程现场试验结果较为吻合。研究结果表明，地铁盾构进洞整体接收装置设计满足杭州地铁2号线钱江世纪城-钱江路站区间江南风井盾构进洞工程施工要求。

图3 装置的三维有限模型

图4 0.3MPa水压下简身及支撑变形云图

图5 眉构进洞整体接收装置现场试验实景

图6 简体环向左下位移变化曲线图

图7 支撑的轴力变化曲线图

[1]周文波.盾构法隧道施工技术及应用[M].北京：中国建筑工业出版社,2004.

[2]赵峻,戴海蛟.盾构法隧道软土地层盾构进出洞施工技术[J].岩石力学与工程学书报,2004,23(增2)：5147—5152.