CN113914875A - 用于盾构接收的活塞式水土压力控制钢套筒及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种用于盾构接收的活塞式水土压力控制钢套筒，包括套筒、底座以及反力架，还包括活塞盖板和驱动装置，活塞盖板由套筒的另一端筒口插入与套筒滑动密封，驱动装置水平固定连接于反力架和活塞盖板之间，驱动装置伸缩方向与套筒轴线平行，驱动活塞盖板在套筒内沿套筒轴向滑动。本发明实施例提供的方案在进行调压时利用套筒上的注水口实现水压力控制，通过驱动装置和活塞盖板实现土压力控制，两者结合实现水土压力的精准控制；分别对套筒内水压力和土压力进行独立控制，水土压力调节范围更大；套筒内水平水土压力传至活塞盖板之后，由驱动装置主动施力承担卸压，套筒端部和盾构隧道洞门连接处应力降低，防止该位置产生漏水情况。

Description

用于盾构接收的活塞式水土压力控制钢套筒及施工方法

技术领域

本发明涉及盾构施工技术领域，特别是涉及一种用于盾构接收的活塞式水土压力控制钢套筒及施工方法。

背景技术

盾构机接收施工的风险控制在整个地铁盾构施工过程中尤其关键。目前，常用提高盾构接收施工安全的方法包括：洞门周围地层加固、水中接收法、NOMST工法和钢套筒接收工法等。

其中，钢套筒接收工法对周围环境影响小、安全可靠、节省空间，在国内外富水软土地层盾构隧道工程已有较多应用。常规盾构接收钢套筒主要是一端开口、另一端封底的圆形“水桶式”结构，开口端与隧道洞门预埋环形钢板相连形成一个密闭容器。容器内部填充满砂土和水，形成并保持一定压力，以平衡盾构接收时地层向钢套筒内部的水土压力。

施工过程中，套筒内填料与地层之间的水土压力平衡控制是决定盾构机能否顺利接收的关键，处理不当易造成涌水、涌砂和坍塌等工程事故；常规盾构机破除洞门及在钢套筒内掘进过程中，只能整体粗略地控制钢套筒内填料水土压力大小，压力调整范围也较小，无法精准控制地层与套筒内填料间水压力、土压力各自动态平衡；此外，钢套开口端与隧道洞门预埋环形钢板的连接处受拉力加大，易发生漏水事故。

发明内容

针对上述问题，本发明实施例提供了一种用于盾构接收的活塞式水土压力控制钢套筒及施工方法。

本发明实施的一方面，提供了一种用于盾构接收的活塞式水土压力控制钢套筒，包括套筒、底座以及反力架，其中，套筒固定在底座上，套筒的一端筒口与盾构隧道洞门密封连接，反力架竖直顶靠于盾构隧道的底板和中板之间，还包括活塞盖板和驱动装置，活塞盖板由套筒的另一端筒口插入与套筒滑动密封，驱动装置水平固定连接于反力架和活塞盖板之间，驱动装置伸缩方向与套筒轴线平行，驱动活塞盖板在套筒内沿套筒轴向滑动。

与现有技术相比,本发明的有益效果在于：在进行调压时利用套筒上的注水口实现水压力控制，通过驱动装置和活塞盖板实现土压力控制，两者结合实现对洞门破除前后以及盾构接收过程中水土压力的精准控制；此外，分别对套筒内水压力和土压力进行独立控制，水土压力调节范围更大，能够适应超深埋、高承压水和频变地层中盾构接收的水土压力平衡需求；套筒内水平水土压力传至活塞盖板之后，由驱动装置主动施力承担卸压，套筒端部和盾构隧道洞门连接处应力大大降低，防止该位置产生漏水情况。

可选的，活塞盖板包括盖板本体，盖板本体外侧面上设置有肋板，肋板上设置有承压板，沿盖板本体外周固定有定位环，定位环上套设有止水环，驱动装置水平连接承压板和反力架。

可选的，套筒由环形构件轴向依次装配而成，其中，相邻环形构件相互连接的筒口处安装有环向法兰，相邻环形构件之间通过环向法兰和螺栓固定连接。

可选的，环形构件由上下两个半环形构件相对紧扣固定而成，其中，两个半环形构件相互连接的侧边上安装有纵向法兰，上下两个半环形构件之间通过纵向法兰和螺栓固定连接。

可选的，环形构件包括过渡环、标准环、填料环以及短接环；

过渡环一侧筒口与盾构隧道洞门密封连接，填料环上设置有填砂口和注水口，活塞盖板由短接环一侧筒口插入。

可选的，环形构件外壁上沿环向和轴向均设置有肋板。

可选的，反力架与盾构隧道的底板之间固定连接有斜撑。

可选的，底座包括多个竖向设置的承重板，承重板的顶面为圆弧形，承重板之间固定连接有联系条。

本发明实施例提供的又一方面，还提供了一种利用上述活塞式水土压力控制钢套筒进行盾构接收的施工方法，包括：

平整、硬化施工场地，将底座包含的承重板和联系条运输至施工场地指定位置，并完成底座的搭设和固定；

依据设计要求确定标准环的个数，以底座为安装平台，将包括过渡环、标准环、填料环以及短接环在内的各个环形构件的下部半环形构件按照设计顺序依次装配连接，完成下半部套筒的装配，将下半部套筒的过渡环顶靠在盾构隧道洞门上；

将活塞盖板平稳放入下半部套筒的短接环内，并对活塞盖板进行临时固定；

将包括过渡环、标准环、填料环以及短接环在内的各个环形构件的上部半环形构件按照设计顺序依次装配连接，完成上半部套筒的装配，将上半部套筒和下半部套筒连接固定形成完整套筒，进而将活塞盖板夹持在套筒内；

将套筒的过渡环的筒口与盾构隧道洞门处预埋件焊接，焊缝处涂刷防水材料密封；

在盾构隧道的底板和中板之间架设反力架，反力架上固定驱动装置，驱动装置输出端与活塞盖板的承压板固定连接，反力架中部和底板之间固定斜撑；

由填料环上的填砂口和注水口向套筒内填充砂和水，填充过程中埋入土压力计和孔隙水压力计，填满后将填砂口密封；

洞门破除前，调整注水口压力以及调整驱动装置驱动力的大小和方向实现调压，调压过程中持续监测套筒内土压力计和孔隙水压力计的数据，使套筒内水压力和土压力大小达到设计要求，并保持压力稳定；

洞门破除后，调整驱动装置驱动力和注水口压力，恢复套筒内水压力和土压力平衡；

盾构在套筒内掘进过程中，实时监测并调整驱动装置驱动力和注水口压力，维持掘进中水、土压力的动态平衡直至盾构接收完成。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的一种用于盾构接收的活塞式水土压力控制钢套筒的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种活塞盖板的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种活塞盖板的剖切结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种套筒的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种底座的结构示意图。

其中，套筒1、底座2、反力架3、活塞盖板4、驱动装置5、盖板本体6、肋板7、承压板8、定位环9、止水环10、过渡环11、标准环12、填料环13、短接环14、填砂口15、注水口16、斜撑17、承重板18、联系条19。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

参见图1，本发明实施例提供的一种用于盾构接收的活塞式水土压力控制钢套筒，包括套筒1、底座2以及反力架3，其中，套筒1固定在底座2上，底座2水平放置在平整地面上承托并固定套筒1，套筒1与盾构隧道圆形断面同轴，套筒1的一端筒口与盾构隧道洞门密封连接，反力架3竖直顶靠于盾构隧道的底板和中板之间，还包括活塞盖板4和驱动装置5，活塞盖板4由套筒1的另一端筒口插入与套筒1滑动密封，驱动装置5水平固定连接于反力架3和活塞盖板4之间，驱动装置5伸缩方向与套筒1轴线平行，驱动活塞盖板4在套筒1内沿套筒1轴向滑动。

在实施中，驱动装置5可以采用千斤顶、电缸、气缸等装置。

参见图2和图3，在实施中，活塞盖板4包括盖板本体6，盖板本体6外侧面上设置有肋板7，肋板7上设置有承压板8，沿盖板本体6外周固定有定位环9，定位环9上套设有止水环10，驱动装置5水平连接承压板8和反力架3。具体的，定位环9沿轴向与盖板本体6圆形底面垂直焊接，定位环9的外径与盖板本体6直径相等，略小于套筒1内径，定位环9上套设多个止水环10，实现与套筒1之间的滑动密封。

参见图4，在实施中，套筒1由环形构件轴向依次装配而成，各个环形构件之间轴心共线，其中，相邻环形构件相互连接的筒口处安装有环向法兰，相邻环形构件之间通过环向法兰和螺栓固定连接。

一种实现方式中，环形构件可由上下两个半环形构件相对紧扣固定而成，其中，两个半环形构件相互连接的侧边上安装有纵向法兰，上下两个半环形构件之间通过纵向法兰和螺栓固定连接。

具体的，环形构件包括过渡环11、标准环12、填料环13以及短接环14；标准环12为标准轴向长度的环形构件为标准件，施工时根据套筒1设计长度来确定标准环12的个数；过渡环11较标准环12短，只有一侧筒口安装环向法兰，另一侧筒口与盾构隧道洞门密封连接；填料环13上设置有填砂口15和注水口16，短接环14为适应套筒1具体设计长度而设置的长度补充件，活塞盖板5由短接环14一侧筒口插入。

环形构件外壁上沿环向和轴向均设置有肋板7，以增强环形构件的强度。

反力架3与盾构隧道的底板之间固定连接有斜撑17，增加反力架3的牢固性。

参见图5，底座2包括多个竖向设置的承重板18，承重板18的顶面为圆弧形，圆弧直径等于或略大于套筒1表面环形肋板外径，承重板18之间固定连接有联系条19。

本发明实施例利用上述活塞式水土压力控制钢套筒进行盾构接收时，需要平整、硬化施工场地，将底座2包含的承重板17和联系条18运输至施工场地指定位置，并完成底座2的搭设和固定；

依据设计要求确定标准环12的个数，以底座2为安装平台，将包括过渡环11、标准环12、填料环13以及短接环14在内的各个环形构件的下部半环形构件按照设计顺序依次装配连接，完成下半部套筒的装配，将下半部套筒的过渡环顶靠在盾构隧道洞门上；

将活塞盖板4平稳放入下半部套筒的短接环内，并对活塞盖板4进行临时固定；

将包括过渡环11、标准环12、填料环13以及短接环14在内的各个环形构件的上部半环形构件按照设计顺序依次装配连接，完成上半部套筒的装配，将上半部套筒和下半部套筒连接固定形成完整套筒1，进而将活塞盖板4夹持在套筒1内；

将套筒1的过渡环11的筒口与盾构隧道洞门处预埋件焊接，焊缝处涂刷防水材料密封；

在盾构隧道的底板和中板之间架设反力架3，反力架3上固定驱动装置5，驱动装置5输出端与活塞盖板4的承压板8固定连接，反力架3中部和底板之间固定斜撑17；

由填料环13上的填砂口15和注水口16向套筒1内填充砂和水，填充过程中埋入土压力计和孔隙水压力计，填满后将填砂口15密封；

洞门破除前，调整注水口16压力以及调整驱动装置5驱动力的大小和方向实现调压，调压过程中持续监测套筒1内土压力计和孔隙水压力计的数据，使套筒1内水压力和土压力大小达到设计要求，并保持压力稳定；

洞门破除后，调整驱动装置5驱动力和注水口压力，恢复套筒1内水压力和土压力平衡；

盾构在套筒1内掘进过程中，实时监测并调整驱动装置5驱动力和注水口压力，维持掘进中水、土压力的动态平衡直至盾构接收完成。

实施例一：

实施例背景：

某地铁盾构区间全长720m，接收段隧道中心标高-16m，地面标高+4.2m。根据地质勘察报告，盾构接收段位于砂质粉土层中，该土层为承压含水层，在水动力条件下易出现涌水涌砂事故。此外，盾构接收段附近有多根Φ450污水管，距车站最小距离仅3m；盾构接收洞口与某河道防汛墙最小净距仅4m。鉴于施工场地条件受限、水文地质环境复杂，采用提出的活塞式水土压力主动动态控制钢套筒结构来完成盾构的接收，其施工步骤包括：

步骤一，平整、硬化施工场地，用吊车将底座包含的承重板和联系条吊入盾构井底，在场地指定位置搭设并固定；

步骤二，以底座为安装平台，吊车和人工相配合，将各过渡环(1环)、标准环(3环)、填料环(1环)和短接环(1环)的下半环，按设计顺序依次装配，通过螺栓连接，构成半环套筒；半环套筒的过渡环端部顶靠在洞门处；

步骤三，将活塞盖板平稳放入已拼装的半环套筒的短接环端，对活塞盖板进行临时固定；

步骤四，将各过渡环、标准环、填料环和短接环的上半环按设计顺序依次装配，并与下半环进行螺栓连接固定，形成完整套筒，夹持住活塞盖板；

步骤五，将套筒端部与隧道洞门预埋件焊接连接，焊缝处涂刷防水材料密封；

步骤六，架设反力架和斜撑，在反力架上固定千斤顶，调节千斤顶长度至其端头接触活塞盖板的承压板；

步骤七，由填砂口和注水口向套筒内填充满砂和水，并埋入土压力计和孔隙水压力计，将填砂口和注水口密封，至此，盾构接收施工准备阶段完成；

步骤八，洞门破除前，调节千斤顶压力和注水口水压力，并开始持续监测套筒内土压力计和孔隙水压力计数据，使套筒内水压力和土压力大小达到设计要求，保持压力值稳定；

步骤九，洞门破除后，根据土压力计和孔隙水压力计监测数据变化，调整千斤顶压力和注水口水压，快速恢复水压力和土压力平衡；

步骤十，盾构在套筒内掘进过程中，实时监测、调整千斤顶压力和注水口水压力，维持掘进过程中的水、土压力动态平衡，直到盾构接收完成；

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种用于盾构接收的活塞式水土压力控制钢套筒，包括套筒、底座以及反力架，其中，套筒固定在底座上，套筒的一端筒口与盾构隧道洞门密封连接，反力架竖直顶靠于盾构隧道的底板和中板之间，其特征在于，还包括活塞盖板和驱动装置，活塞盖板由套筒的另一端筒口插入与套筒滑动密封，驱动装置水平固定连接于反力架和活塞盖板之间，驱动装置伸缩方向与套筒轴线平行，驱动活塞盖板在套筒内沿套筒轴向滑动。

2.如权利要求1所述的用于盾构接收的活塞式水土压力控制钢套筒，其特征在于，活塞盖板包括盖板本体，盖板本体外侧面上设置有肋板，肋板上设置有承压板，沿盖板本体外周固定有定位环，定位环上套设有止水环，驱动装置水平连接承压板和反力架。

3.如权利要求1所述的用于盾构接收的活塞式水土压力控制钢套筒，其特征在于，套筒由环形构件轴向依次装配而成，其中，相邻环形构件相互连接的筒口处安装有环向法兰，相邻环形构件之间通过环向法兰和螺栓固定连接。

4.如权利要求3所述的用于盾构接收的活塞式水土压力控制钢套筒，其特征在于，环形构件由上下两个半环形构件相对紧扣固定而成，其中，两个半环形构件相互连接的侧边上安装有纵向法兰，上下两个半环形构件之间通过纵向法兰和螺栓固定连接。

5.如权利要求3所述的用于盾构接收的活塞式水土压力控制钢套筒，其特征在于，环形构件包括过渡环、标准环、填料环以及短接环；

过渡环一侧筒口与盾构隧道洞门密封连接，填料环上设置有填砂口和注水口，活塞盖板由短接环一侧筒口插入。

6.如权利要求3所述的用于盾构接收的活塞式水土压力控制钢套筒，其特征在于，环形构件外壁上沿环向和轴向均设置有肋板。

7.如权利要求1所述的用于盾构接收的活塞式水土压力控制钢套筒，其特征在于，反力架与盾构隧道的底板之间固定连接有斜撑。

8.如权利要求1所述的用于盾构接收的活塞式水土压力控制钢套筒，其特征在于，底座包括多个竖向设置的承重板，承重板的顶面为圆弧形，承重板之间固定连接有联系条。

9.一种利用权利要求1-8任一项所述的活塞式水土压力控制钢套筒进行盾构接收的施工方法，其特征在于，包括：

平整、硬化施工场地，将底座包含的承重板和联系条运输至施工场地指定位置，并完成底座的搭设和固定；

依据设计要求确定标准环的个数，以底座为安装平台，将包括过渡环、标准环、填料环以及短接环在内的各个环形构件的下部半环形构件按照设计顺序依次装配连接，完成下半部套筒的装配，将下半部套筒的过渡环顶靠在盾构隧道洞门上；

将活塞盖板平稳放入下半部套筒的短接环内，并对活塞盖板进行临时固定；

将包括过渡环、标准环、填料环以及短接环在内的各个环形构件的上部半环形构件按照设计顺序依次装配连接，完成上半部套筒的装配，将上半部套筒和下半部套筒连接固定形成完整套筒，进而将活塞盖板夹持在套筒内；

将套筒的过渡环的筒口与盾构隧道洞门处预埋件焊接，焊缝处涂刷防水材料密封；

在盾构隧道的底板和中板之间架设反力架，反力架上固定驱动装置，驱动装置输出端与活塞盖板的承压板固定连接，反力架中部和底板之间固定斜撑；

由填料环上的填砂口和注水口向套筒内填充砂和水，填充过程中埋入土压力计和孔隙水压力计，填满后将填砂口密封；

洞门破除前，调整注水口压力以及调整驱动装置驱动力的大小和方向实现调压，调压过程中持续监测套筒内土压力计和孔隙水压力计的数据，使套筒内水压力和土压力大小达到设计要求，并保持压力稳定；

洞门破除后，调整驱动装置驱动力和注水口压力，恢复套筒内水压力和土压力平衡；

盾构在套筒内掘进过程中，实时监测并调整驱动装置驱动力和注水口压力，维持掘进中水、土压力的动态平衡直至盾构接收完成。

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