CN111734427A - 一种盾构始发柔性连接钢套筒机构及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及地下隧道开挖施工技术领域，尤其涉及一种盾构始发柔性连接钢套筒机构及其施工方法，包括用于套装盾构机的钢套筒本体、环形过渡钢圈、负环管片、特制管片、加强环梁、反力架，所述钢套筒本体沿着其轴向由依次连接的第一钢套筒单元、第二钢套筒单元和第三钢套筒单元组成，所述第二钢套筒单元的外壁上设有注浆管口；所述钢套筒本体沿着其周向由上钢筒和下钢筒对接组合而成；所述特制管片呈环形结构，其外壁与所述第三钢套筒单元的尾端内壁之间设有柔性连接机构。本发明解决了盾构始发系统受力体系上的重大缺陷，克服了钢套筒各连接处、以及环形过渡钢圈与地连墙之间受到反力作用产生拉裂现象、保压失效问题。

Description

一种盾构始发柔性连接钢套筒机构及其施工方法

技术领域

本发明涉及地下隧道开挖施工技术领域，尤其涉及一种盾构始发柔性连接钢套筒机构及其施工方法。

背景技术

我国的城市地铁建设正在飞速的发展，两车站间隧道区间的施工方法大部分都是采用盾构法。而盾构机始发掘进时，在洞门口容易产生突涌、流砂，尤其在软弱地层和富水地层中易出现地层塌陷、盾构机被淹埋等险情，所以盾构始发一直以来都是盾构施工的主要技术难点。在周边环境条件比较好、允许的情况下，通常对始发洞门四周土体从地表进行旋喷加固，再在洞门位置布设钢圈，采用橡胶帘布和折压板对洞门进行密封施工，而后进行盾构始发施工。但不少工程项目施工场地太小、周边环境复杂、地质条件差，导致无法从地面进行端头旋喷加固或者加固效果较差无法满足要求。因此就要考虑其它辅助施工方法。

目前常用的盾构始发钢套筒技术上并不十分成熟，由于盾尾处负管片是局部与加强环梁紧密接触，加强环梁又通过螺栓或焊接方式与钢套筒尾端成L形刚性密闭联结，在加强环梁和反力架之间设置若干千斤顶；钢套筒前端则通过过渡钢环与井壁密闭连接，从中可知，盾构作业产生的推进力的反力通过负管片先传递给加强环梁，之后一部分再传递给反力架上千斤顶去平衡，另一部分通过加强环梁传递给钢套筒尾端，使得受力路线复杂，不容易达到力的平衡、对中，产生很大隐患。不仅钢套筒极容易受到拉、弯力作用，导致各钢套筒之间以及洞门周边预埋环板与钢套筒的结合处发生拉裂、甚至损坏，进而密封、保压失效、渗漏泥水，使得工程施工失败。为了避免钢套筒拉裂，需要通过反力架上千斤顶施加很大预压顶力，因此加大了技术控制难度。而且负管片是局部与加强环梁接触，管片局部应力很大，管片容易产生破裂。这些问题的存在不仅对钢套筒材料刚度要求高，增加操作难度，实际上也不能排除目前采用的钢套筒盾构始发的风险。

在此背景下， 本发明的柔性连接钢套筒不受到盾构作业产生的推进力影响，也不受到加强环梁前千斤顶压力作业的影响，受力方向一致、路径明确。由此克服了前述存在的不足，取得了技术上的重点突破，有利于降低施工风险。也不需要加强环梁和反力架之间的千斤顶群，从而节省施工成本、简化施工工序、加快施工进度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种盾构始发柔性连接钢套筒机构及其施工方法，不受到盾构作业产生的推进力影响，也不受到反力架上千斤顶反力作业的影响，盾构作业产生的推进力通过管片直接与反力架支撑平衡。解决了目前存在的盾构始发系统受力体系上的重大缺陷、钢套筒受到反力作用失效、破坏问题。

为了实现本发明的目的,本发明采用的技术方案为：

本发明公开了一种盾构始发柔性连接钢套筒机构，包括用于套装盾构机的钢套筒本体、环形过渡钢圈、负环管片、特制管片、呈外方内圆形型的加强环梁、反力架，

所述环形过渡钢圈呈环形结构，其一端与地连墙连接，另一端与所述钢套筒本体的前端相连；

所述钢套筒本体沿着其轴向由依次连接的第一钢套筒单元、第二钢套筒单元和第三钢套筒单元组成，所述第二钢套筒单元的外壁上设有注浆管口；所述钢套筒本体沿着其周向由呈半圆环形的上钢筒和下钢筒对接组合而成，所述下钢筒的底部设有底座；

所述负环管片设置于所述盾构机的尾端内侧，所述负环管片、特制管片、加强环梁、反力架依次连接；

所述特制管片呈环形结构，其外壁与所述第三钢套筒单元的尾端内壁之间设有柔性连接机构。

所述柔性连接机构包括外环形钢片、内环形钢片以及环形止水橡胶片，所述外环形钢片的横截面呈倒“L”形结构，其外壁与所述第三钢套筒单元的尾端内壁连接；所述内环形钢片的横截面呈“L”形结构，其外壁与设置于所述特制管片的外壁上的预埋钢条连接，所述预埋钢条为混凝土管片或钢质管片；所述环形止水橡胶片设置于所述内、外环形钢片之间用于将两者连接。

所述外环形钢片和内环形钢片上等间隔设有若干固定螺栓，所述环形止水橡胶片上设有用于所述固定螺栓穿过的两排圆孔，所述固定螺栓穿过所述圆孔后，与大环形钢片、小环形钢片以及固定螺母配合固定连接。

所述反力架的斜撑与始发井梁柱或井底板固定连接。

所述始发井梁柱或井底板与所述第三钢套筒单元之间设有支撑；所述第一、第二、第三钢套筒单元支座安装有用于与所述井底板锚固的地锚。

所述底座为梯台形钢架，其顶部与所述下钢筒固定连接；所述下钢筒的底板上预留有长条操作孔，且其顶部设有与之匹配的封闭钢底板。

所述环形过渡钢圈的一端通过膨胀螺栓与地连墙连接，且两者之间设有止水橡胶片，所述环形过渡钢圈的底部设有用于支撑的枕木。

所述地连墙上预埋有与所述环形过渡钢圈截面形状相匹配的环形洞门钢板，所述环形过渡钢圈的一端与其焊接。

所述特制管片为外侧预埋钢条的混凝土管片，或钢质管片。

所述加强环梁为外方内圆形型钢钢梁。

所述过渡钢圈、第一钢套筒单元、第二钢套筒单元、第三钢套筒单元之间通过法兰盘依次连接，且之间设置止水橡胶垫条；所述上钢筒与下钢筒之间通过法兰盘连接。

一种盾构始发柔性连接钢套筒机构的施工方法，包括如下步骤：

第一步，将环形过渡钢圈一端通过膨胀螺栓与地连墙连接，两者之间设置止水橡胶片止水，或与环形洞门环板焊接，底部用枕木垫实；

第二步，在第三钢套筒单元靠近尾部的内侧焊接一套外环形钢片；

第三步，将第一钢套筒单元、第二钢套筒单元以及第三钢套筒单元的下钢筒通过法兰盘连接，且两两之间设置环形止水橡胶垫条；

第四步，将第一钢套筒单元前端通过法兰盘连接环形过渡钢圈，两者之间设置环形止水橡胶垫条；

第五步，在下钢筒的底部用封闭钢底板焊接封闭长条操作孔，然后填筑砂土，吊装盾构机；

第六步，将上钢筒覆盖于下钢筒之上，通过法兰盘连接，两者之间设置橡胶片止水，形成始发钢套筒本体；

第七步，在特制管片外侧预埋钢条上焊接一套内环形钢片；

第八步，在负环管片远离洞口端安装特制管片，在底面采用第二枕木垫实，在负环管片与特制管片之间设置止水橡胶垫片；

第九步，将环形止水橡胶片的两排圆孔分别套上外环形钢片上的螺栓和内环形钢片的固定螺栓上，然后分别盖上大环形钢片、小环形钢片，采用固定螺母拧紧，形成柔性连接机构；

第十步，在特制管片之后安装加强环梁、反力架，在特制管片和加强环梁之间安放橡胶垫片，并且反力架与始发井梁柱或井底板牢固固定；

第十一步，在第三钢套筒单元尾部与始发井梁柱或井底板之间设置支撑固定，使钢套筒本体顶紧洞门处环形过渡钢圈；底座安装地锚与井底板锚固；

第十二步，在第二钢套筒单元的顶部的适当位置焊接带阀门及压力表三通的注浆管口；

第十三步，通过注浆管口压力注浆，直至设计压力要求，启动盾构机掘进始发。

本发明的突出有益效果在于：

1、本发明中柔性连接钢套筒不受到盾构作业产生的推进力影响，也不受到反力架上千斤顶反力作业的影响，盾构作业产生的推进力通过管片直接与反力架支撑平衡。解决了目前存在的盾构始发系统受力体系上的重大缺陷、钢套筒受到反力作用失效、破坏问题。

原钢套筒工艺方法是盾构作业产生的推进力的反力通过管片先传递给加强环梁，然后一部分再传递给反力架上千斤顶而平衡，另一部分通过与钢套筒刚性联结的加强环梁，传递给了钢套筒，管片又是局部与加强环梁接触，受力路线复杂、不明确，不容易达到力的平衡，可能导致两种不利情况，一是管片局部应力会很大、产生破裂，二是钢套筒受到拉力作用后可能产生各连接处拉裂，一处是钢套筒之间的结合处，另一处是洞门环板与钢套筒的结合处，可发生密封失效、渗漏泥水现象，严重的使得工程施工失败。

2本发明不需要在加强环梁与反力架之间设置多组调节千斤顶，施工简便、节省成本，加快安装施工速度，也简化了操作。原方法需要在加强环梁与反力架之间设置千斤顶群组，目的就是期望平衡掉盾构作业产生的推进力的负面作用；同时期望千斤顶对钢套筒施加预压力，使钢套筒顶紧洞门环板，使之始终处于受压状态，保持密闭性。但这样做，使得工序复杂，加大了操作难度，存在十几个个千斤顶的同步同压问题，否则出现偏心受力现象；并且需要严格精确的力学计算。而施工中盾构机推进力往往是动态的，很难匹配实施。如果千斤顶用力过大，还会因为钢套筒刚度不足而损坏，前功尽弃。如果千斤顶给力不足，还会因为两个钢套筒之间受到拉力作用而损坏、开裂，或使洞门环板处密闭性失效。

3、本发明中通过巧妙设置两个环形钢片夹环形止水橡胶片形成的柔性连接机构，使得在钢套筒内部与盾构机壳外面、负管片外侧之空间封闭。柔性连接机构的弹性变形抵消盾构管片产生的微小水平位移、扭转变形，以柔克刚，避免过去钢套筒工艺中由于盾构始发产生的影响。

4、本发明中通过增加内环形钢片的高度，使得平衡来自于挡墙外渗透压入的注浆泥水压力大部分传递管片，少量泥浆压力传递到柔性弹性钢片上，达到减少泥浆对于钢套筒产生的拉力作用。

5、当来自于挡墙外渗透压入的泥浆压力很大时，可在钢套筒尾部设置独立千斤顶提供反力，确保安全。

6、本发明完全模拟了正常隧道施工环境，钢套筒就是隧道地层的物理模拟。因此当车站井内部条件许可，有利于盾构机后整套台车等系统设备完整安装，按照在隧道内施工方式开始施工。

7、本发明由于钢套筒受力比较小，不容易导致筒体及其法兰连接构件变形损坏，可重复使用率增加，绿色环保。

附图说明

图1是本发明中盾构始发柔性连接钢套筒机构纵向剖面示图；

图2是本发明中盾构始发柔性连接钢套筒机构A-A横向剖面示图；

图3是图2中的局部放大图；

图4是图1中盾构始发柔性连接钢套筒机构前端示意图；

图5是图1中柔性连接机构示意图；

图6是图1中加强环梁轴向截面示意图。

图中：第一钢套筒单元101，第二钢套筒单元102，第三钢套筒单元103，上钢筒1，下钢筒2，环形过渡钢圈3，负环管片4，特制管片5，加强环梁6，反力架7，外环形钢片8，内环形钢片9，环形止水橡胶片10，大环形钢片11，小环形钢片12，预埋钢条13，地连墙14，枕木15，第二枕木16，盾构机17，始发井梁柱18，井底板19，支撑20，地锚21，注浆管口22，止水橡胶片23，固定螺母24，底座25，长条操作孔26，封闭钢底板27，膨胀螺栓28。

具体实施方式

下面对本发明进一步说明：

请参阅图1-6，

本发明公开了一种盾构始发柔性连接钢套筒机构，包括用于套装盾构机22的钢套筒本体、环形过渡钢圈3、负环管片4、特制管片5、加强环梁6、反力架7；

所述环形过渡钢圈3呈环形结构，其一端与地连墙14连接，另一端与所述钢套筒本体的前端相连；

所述钢套筒本体沿着其轴向由依次连接的第一钢套筒单元101、第二钢套筒单元102和第三钢套筒单元103组成，所述第二钢套筒单元102的外壁上设有注浆管口22；所述钢套筒本体沿着其周向由呈半圆环形的上钢筒1和下钢筒2对接组合而成，所述下钢筒2的底部设有底座25；

所述负环管片4设置于所述盾构机22的尾端内侧，所述负环管片4、特制管片5、加强环梁6、反力架7依次进行轴向连接；

所述特制管片5呈环形结构，其外壁与所述第三钢套筒单元103的尾端内壁之间设有柔性连接机构。

所述柔性连接机构包括外环形钢片8、内环形钢片9以及环形止水橡胶片10，所述外环形钢片8的横截面呈倒“L”形结构，其外壁与所述第三钢套筒单元103的尾端内壁连接；所述内环形钢片9的横截面呈“L”形结构，其外壁与设置于所述特制管片5的外壁上的预埋钢条13连接；所述环形止水橡胶片10设置于所述内、外环形钢片之间用于将两者连接。

所述外环形钢片8和内环形钢片9上等间隔设有若干固定螺栓，所述环形止水橡胶片10上设有用于所述固定螺栓穿过的两排圆孔，所述固定螺栓穿过所述圆孔后，与大环形钢片11、小环形钢片12以及固定螺母24配合固定连接。

所述反力架7的斜撑与始发井梁柱18或井底板19固定连接。

所述始发井梁柱18或井底板19与所述第三钢套筒单元103之间设有支撑20；所述第一、第二、第三钢套筒单元支座安装有用于与所述井底板19锚固的地锚21。

所述底座25为梯台形钢架，其顶部与所述下钢筒2固定连接；所述下钢筒2的底板上预留有长条操作孔26，且其顶部设有与之匹配的封闭钢底板27。

所述环形过渡钢圈3的一端通过膨胀螺栓28与地连墙14连接，且两者之间设有止水橡胶片23，所述环形过渡钢圈3的底部设有用于支撑的枕木15或所述地连墙14上预埋有与所述环形过渡钢圈3截面形状相匹配的环形洞门钢板，所述环形过渡钢圈3的一端与其焊接。

所述特制管片5为外侧预埋钢条13的混凝土管片，或钢质管片。

所述加强环梁6为外方内圆形型钢钢梁。

所述过渡钢圈3、第一钢套筒单元101、第二钢套筒单元102、第三钢套筒单元103之间通过法兰盘依次连接，且之间设置止水橡胶垫条；所述上钢筒1与下钢筒2之间通过法兰盘连接。

一种盾构始发柔性连接钢套筒机构的施工方法，包括如下步骤：

第一步，将环形过渡钢圈3一端通过膨胀螺栓28与地连墙14连接，两者之间设置止水橡胶片23止水，或与环形洞门环板焊接，底部用枕木15垫实；

第二步，在第三钢套筒单元103靠近尾部的内侧焊接一套外环形钢片8；

第三步，将第一钢套筒单元101、第二钢套筒单元102以及第三钢套筒单元103的下钢筒2通过法兰盘连接，且两两之间设置环形止水橡胶垫条；

第四步，将第一钢套筒单元101前端通过法兰盘连接环形过渡钢圈3，两者之间设置环形止水橡胶垫条；

第五步，在下钢筒2的底部用封闭钢底板27焊接封闭长条操作孔26，然后填筑砂土，吊装盾构机17；

第六步，将上钢筒1覆盖于下钢筒2之上，通过法兰盘连接，两者之间设置橡胶片止水，形成始发钢套筒本体；

第七步，在特制管片5外侧预埋钢条13上焊接一套内环形钢片9；

第八步，在负环管片4远离洞口端安装特制管片5，在底面采用第二枕木16垫实，在负环管片4与特制管片5之间设置止水橡胶垫片；

第九步，将环形止水橡胶片10的两排圆孔分别套上外环形钢片8上的螺栓和内环形钢片9的固定螺栓上，然后分别盖上大环形钢片11、小环形钢片12，采用固定螺母24拧紧，形成柔性连接机构；

第十步，在特制管片5之后安装加强环梁6、反力架7，在特制管片5和加强环梁7之间安放橡胶垫片，并且反力架7与始发井梁柱18或井底板19牢固固定；

第十一步，在第三钢套筒单元103尾部与始发井梁柱18或井底板19之间设置支撑20固定，使钢套筒本体顶紧洞门处环形过渡钢圈3；底座25安装地锚21与井底板19锚固；

第十二步，在第二钢套筒单元102的顶部的适当位置焊接带阀门及压力表三通的注浆管口22；

第十三步，通过注浆管口22压力注浆，直至设计压力要求，启动盾构机掘进始发。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种盾构始发柔性连接钢套筒机构，其特征在于：包括用于套装盾构机（17）的钢套筒本体、环形过渡钢圈（3）、负环管片（4）、特制管片（5）、呈外方内圆形型的加强环梁（6）、反力架（7）；所述环形过渡钢圈（3）呈环形结构，其一端与地连墙（14）连接，另一端与所述钢套筒本体的前端相连；所述钢套筒本体沿着其轴向由依次连接的第一钢套筒单元（101）、第二钢套筒单元（102）和第三钢套筒单元（103）组成，所述第二钢套筒单元（102）的外壁上设有注浆管口（22）；所述钢套筒本体沿着其周向由呈半圆环形的上钢筒（1）和下钢筒（2）对接组合而成，所述下钢筒（2）的底部设有底座（25）；所述负环管片（4）设置于所述盾构机（17）的尾端内侧，所述负环管片（4）、特制管片（5）、加强环梁（6）、反力架（7）依次连接；所述特制管片（5）呈环形结构，其外壁与所述第三钢套筒单元（103）的尾端内壁之间设有柔性连接机构。

2.根据权利要求1所述的一种盾构始发柔性连接钢套筒机构，其特征在于：所述柔性连接机构包括外环形钢片（8）、内环形钢片（9）以及环形止水橡胶片（10），所述外环形钢片（8）的横截面呈倒“L”形结构，其外壁与所述第三钢套筒单元（103）的尾端内壁连接；所述内环形钢片（9）的横截面呈“L”形结构，其外壁与设置于所述特制管片（5）的外壁上的预埋钢条（13）连接，所述预埋钢条（13）为混凝土管片或钢质管片；所述环形止水橡胶片（10）设置于所述内、外环形钢片之间用于将两者连接。

3.根据权利要求2所述的一种盾构始发柔性连接钢套筒机构，其特征在于：所述外环形钢片（8）和内环形钢片（9）上等间隔设有若干固定螺栓，所述环形止水橡胶片（10）上设有用于所述固定螺栓穿过的两排圆孔，所述固定螺栓穿过所述圆孔后，与大环形钢片（11）、小环形钢片（12）以及固定螺母（24）配合固定连接。

4.根据权利要求1所述的一种盾构始发柔性连接钢套筒机构，其特征在于：所述反力架（7）的斜撑与始发井梁柱（18）或井底板（19）固定连接。

5.根据权利要求4所述的一种盾构始发柔性连接钢套筒机构，其特征在于：所述始发井梁柱（18）或井底板（19）与所述第三钢套筒单元（103）之间设有支撑（20）；所述第一、第二、第三钢套筒单元支座安装有用于与所述井底板（19）锚固的地锚（21）。

6.根据权利要求1所述的一种盾构始发柔性连接钢套筒机构，其特征在于：所述底座（25）为梯台形钢架，其顶部与所述下钢筒（2）固定连接；下钢筒（2）底板上预留有长条操作孔（26），且其顶部设有与之匹配的封闭钢底板（27）。

7.根据权利要求1所述的一种盾构始发柔性连接钢套筒机构，其特征在于：所述环形过渡钢圈（3）的一端通过膨胀螺栓（28）与地连墙（14）连接，且两者之间设有止水橡胶片（23），所述环形过渡钢圈（3）的底部设有用于支撑的枕木（15）。

8.根据权利要求7所述的一种盾构始发柔性连接钢套筒机构，其特征在于：所述地连墙（14）上预埋有与所述环形过渡钢圈（3）截面形状相匹配的环形洞门钢板，所述环形过渡钢圈（3）的一端与其焊接。

9.根据权利要求1所述的一种盾构始发柔性连接钢套筒机构，其特征在于：所述过渡钢圈（3）、第一钢套筒单元（101）、第二钢套筒单元（102）、第三钢套筒单元（103）之间通过法兰盘依次连接，且之间设置止水橡胶垫条；所述上钢筒（1）与下钢筒（2）之间通过法兰盘连接。

10.一种盾构始发柔性连接钢套筒机构的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，将环形过渡钢圈（3）一端通过膨胀螺栓（28）与地连墙（14）连接，两者之间设置止水橡胶片（23）止水，或与环形洞门环板焊接，底部用枕木（15）垫实；

第二步，在第三钢套筒单元（103）靠近尾部的内侧焊接一套外环形钢片（8）；

第三步，将第一钢套筒单元（101）、第二钢套筒单元（102）以及第三钢套筒单元（103）的下钢筒（2）通过法兰盘连接，且两两之间设置环形止水橡胶垫条；

第四步，将第一钢套筒单元（101）前端通过法兰盘连接环形过渡钢圈（3），两者之间设置环形止水橡胶垫条；

第五步，在下钢筒（2）的底部用封闭钢底板（27）焊接封闭长条操作孔（26），然后填筑砂土，吊装盾构机（17）；

第六步，将上钢筒（1）覆盖于下钢筒（2）之上，通过法兰盘连接，两者之间设置橡胶片止水，形成始发钢套筒本体；

第七步，在特制管片（5）外侧预埋钢条（13）上焊接一套内环形钢片（9）；

第八步，在负环管片（4）远离洞口端安装特制管片（5），在底面采用第二枕木（16）垫实，在负环管片（4）与特制管片（5）之间设置止水橡胶垫片；

第九步，将环形止水橡胶片（10）的两排圆孔分别套上外环形钢片（8）上的螺栓和内环形钢片（9）的固定螺栓上，然后分别盖上大环形钢片（11）、小环形钢片（12），采用固定螺母（24）拧紧，形成柔性连接机构；

第十步，在特制管片（5）之后安装加强环梁（6）、反力架（7），在特制管片（5）和加强环梁（7）之间安放橡胶垫片，并且反力架（7）与始发井梁柱（18）或井底板（19）牢固固定；

第十一步，在第三钢套筒单元（103）尾部与始发井梁柱（18）或井底板（19）之间设置支撑（20）固定，使钢套筒本体顶紧洞门处环形过渡钢圈（3）；底座（25）安装地锚（21）与井底板（19)锚固；

第十二步，在第二钢套筒单元（102）的顶部的适当位置焊接带阀门及压力表三通的注浆管口（22）；

第十三步，通过注浆管口（22）压力注浆，直至设计压力要求，启动盾构机掘进始发。

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