地铁盾构工程钢套筒接收施工中的受力分析

李金龙

Stress Analysis of Steel Sleeve Receiving Construction in Metro Shield Engineering

LI Jin-long

【摘  要】地铁盾构工程中区间钢套筒接收是一个很复杂的受力过程，研究清楚其中的受力情况有助于钢套筒的选型和设计。论文结合具体工程项目及相关的钢套筒接收方案，选择钢套筒典型结构参数，对这一过程中钢套筒的受力情况进行了分析，希望能够掌握受力变化，为类似工程的实践提供理论指导。

【Abstract】It is a very complex process to receive the steel sleeve in the metro shield engineering. It is helpful for the type selection and design of steel sleeve to study the stress condition clearly. This paper selects typical structural parameters of steel sleeve in combination with specific engineering projects and relevant steel sleeve receiving schemes， and analyzes the stress of steel sleeve in this process， hoping to grasp the stress changes and provide theoretical guidance for the practice of similar projects.

【关键词】地铁盾构工程;钢套筒接收施工;受力分析

【Keywords】metro shield engineering; steel sleeve receiving construction; stress analysis

【中图分类号】U455.43                               【文献标志码】A                                   【文章编号】1673-1069（2020）05-0180-03

1 引言

随着综合国力的增强，我国政府加大了对基础设施建设的投入力度，越来越多的城市获批开始修建地铁。与城市中其他交通工具相比，地铁因为节省土地资源、运量大、准时、速度快等优点，受到了人们的普遍欢迎。据统计，早在2018年，我国就以地铁总里程数在世界排名第3位，并且目前基本上所有一、二线城市都修建了地铁。

地铁修建工程中，车站两端头需预留区间隧道接口条件。目前区间隧道大量采用盾构法施工，通常盾构接收井在各层中板及顶板上预留吊出孔，各层楼板设置水平环框梁，待主体结构顶板换框梁施作完成后吊出，最后封堵吊出孔[1]。但如果接受位置无法设置吊出孔时，就必须采用钢套筒，钢套筒接收是在密闭空间内进行盾构接收，通过在钢套筒内建立密闭的空间和内部填充物提供平衡掌子面的水土压力来保证施工安全，使盾构机破除洞门前即已建立水土平衡的环境，刀盘出围护结构后等同于盾构常规掘进，从而避免盾构机破除洞门过程中因为渗漏或掌子面上部失稳而出现塌方的隐患[2]。

地铁盾构工程中區间钢套筒接收是一个很复杂的受力过程，本文结合具体工程项目及相关的钢套筒接收方案，尝试对这一过程中钢套筒的受力情况进行分析。

2 工程项目概述

长春地铁一号线南环路站～中央商务区站区间由南环路站向南，沿人民大街路中敷设，沿线穿过市政府、市第二实验中学、高速公路收费站直达中央商务区站，区间线间距为13.5～16m，区间隧道双线总长约1668. 667m。

该项目盾构区间单线长约834m，经地质水文勘察表明，接收端地质条件复杂，自上而下依次为素填土、残积粘性土（硬塑）、强风化花岗岩（沙土状）、强风化石英正长斑岩（碎块状）、基岩裂隙水赋存于强风化花岗岩（砂土状）、强风化石英正长斑岩（砂土状）等，地层场地本层水埋深5.94～6.83m，水位标高7.63～8.02m，主要接受侧向径流及越流补给，以侧向径流方式排泄，受雨季影响较大。为保证盾构安全到达接收，采取在中间竖井设置钢套筒的形式进行盾构接收工作。

3 钢套筒接收方案

一般，钢套筒接收系统由筒体结构、底部支撑框架、后盾系统、后端盖板、支撑系统、加料口和卸压口等部分组成[3]。制定钢套筒接收方案时，需要考虑到施工地的地质水文条件，一般的施工工艺流程如图1所示。

4 钢套筒结构受力分析

钢套筒在组装完成后需要进行密闭性监测，要求承受一定的水压力（一般取0.3～0.5MPa）。本文选取特定构型的钢套筒，对其建立有限元模型后进行受力分析。

4.1 钢套筒结构参数设置

参照当前主流的钢套筒结构参数，设置有限元模型中典型输入参数如表1所示。

4.2 钢套筒千斤顶预压力-后端盖位移分析

设密闭性实验中水压力为0.4MPa，且千斤顶预压力取值在80～140kN，每隔5kN进行一次采样，利用有限元软件可以计算出钢套筒千斤顶预压力-后端盖位移变化曲线如图2所示。

根据钢套筒Tresca最大应力-安全系数的对应关系，结合图2中千斤顶预压力與后端盖位移的变化关系，可以判断千斤顶推力预设值在90～125kN时，钢套筒最大Tresca应力值小于235MPa，相应的安全系数大于1.00，因此，施工过程中千斤顶预压力设置在该段区间内比较合理。

4.3 连接螺栓受力情况分析

一般情况下，连接螺栓是钢套筒结构中受力最为薄弱的部位，往往成为制约整个施工质量的关键点，需要重点关注。

螺栓的最大拉力、最大拉伸应力可以用以下公式进行计算：

F=F0+c×Fa        （1）

（2）

式（1）中，F表示最大拉力，F0表示预紧力，c为常系数（在0和1之间取值，本次计算中取0.3），Fa表示千斤顶预紧力;式（2）中，？滓表示最大拉伸应力，As表示螺栓横截面积。

在本文中，结合千斤顶预紧力变化情况，根据以上公式，可以得到螺栓受力随千斤顶预应力变化的关系，如图3所示。

结合图3，可以掌握螺栓受力随千斤顶预应力变化的情况。由于千斤顶预应力应该设置在90～125kN比较合理，因此，当超出这个变化范围时，就需要加强对螺栓受力情况的监测。

4.4 钢套筒结构薄弱部位受力情况分析

钢套筒为拼装式结构，接缝部位采用螺栓连接，当盾构机完全进行钢套筒时，这些接缝部位属于受力最为薄弱的部位，需要在施工过程中重点关注。本项目中，钢套筒筒体结构的环向接缝共计6条，包括地连墙-筒体接缝1条、筒体接缝4条和筒体-后端板接缝1条。在有限元模型中建立钢套筒模型，并重点标注接缝，结合本工程实际，对拼接缝受力情况进行检测和计算，可以得到沿盾构推进方向，地连墙-筒体接缝、筒体接缝、筒体-后端板接缝各处应力变化关系如图4所示。

由图4可以看出，钢套筒结构薄弱部位受力变化情况并非是线性的，并且总的趋势是随着盾构推进方向加深而升高，中间会有波动，是由当地的地质条件不同造成的。因此，在钢套筒接收施工过程中，应该根据盾构推进情况实时监视钢套筒薄弱部位的应力变化情况，尤其是在部分应力变化剧烈的地方，更应该加大监测频率，确保应力变化在钢套筒能够承受的范围内，以防出现施工安全问题。

5 结语

本文结合长春市地铁工程施工项目，结合地铁盾构工程中区间套筒接收施工技术，选取典型钢套筒结构参数，分别对钢套筒千斤顶预压力-后端盖位移情况、连接螺栓受力情况、钢套筒结构薄弱部位受力情况进行了分析，得出了以下结论：

①施工过程中，应该根据安全系数的相关要求设置千斤顶的预压力，本工程中千斤顶推力预设值在90～125kN时符合安全规定要求。

②施工过程中，应该注意对螺栓受力情况进行分析，螺栓受力情况一般随千斤顶预压力的变化而呈非线性变化，因此，在千斤顶推力超出预设值时，就需要重点关注螺栓的受力情况。

③钢套筒结构存在薄弱部位，施工过程中这些薄弱部位受力变化情况随着盾构推进方向加深而呈现非线性变化，并且会受到当地地质条件的影响，因此，应该根据盾构推进情况实时监视钢套筒薄弱部位应力变化情况，尤其是在部分应力变化剧烈的地方，更应该加大监测频率，确保应力变化在钢套筒能够承受的范围内。

总之，在地铁盾构工程钢套筒接收施工过程中，做好受力分析有利于掌握施工过程中钢套筒的受力变化情况，有利于提前采取各种预防措施，有利于更好地指导工程实施。本文的理论计算结果，根据具体的工程项目情况而有所不同。总之，希望本文的研究能为类似工程的实践提供指导。

【参考文献】

【1】郝鹏飞.浅谈在不同条件下地铁车站盾构接收应对方案[J].安徽建筑，2016，23（03）：211-213.

【2】宋思文，高杉.浅谈大有坊街站—太平桥站区间左线钢套筒接收盾构机技术[J].施工技术，2019（S1）.

【3】陆鹏程.钢套筒结构安全性分析及其在盾构接收中的工程应用[J].中国市政工程，2017（6）：69-73.