CN113982654A - 内压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内压式水土压力控制钢套筒，包括套筒、盖板、底座、反力架以及平撑，其中，盖板位于套筒内部的内侧面上设置有密封调压袋，密封调压袋上设置有注压管，注压管穿过盖板使得密封调压袋与外部连通。本发明实施例在套筒内设置密封调压袋，在进行调压时利用套筒上的注水口实现水压力控制，通过向密封调压袋内注入液体或气体实现土压力控制，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。

Description

内压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，特别是涉及一种内压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。

发明内容

针对上述问题，本发明实施例提供了一种内压式水土压力控制钢套筒及施工方法。

本发明实施的一方面，提供了一种内压式水土压力控制钢套筒，包括套筒、盖板、底座、反力架以及平撑，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，另一端筒口通过盖板封闭，反力架竖直顶靠于盾构隧道的底板和中板之间，盖板外侧面与反力架之间通过平撑固定连接，盖板位于套筒内部的内侧面上设置有密封调压袋，密封调压袋上设置有注压管，注压管穿过盖板使得密封调压袋与外部连通。

与现有技术相比,本发明的有益效果在于：在套筒内设置密封调压袋，在进行调压时利用套筒上的注水口实现水压力控制，通过向密封调压袋内注入液体或水实现土压力控制，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。

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；

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，环向法兰和纵向法兰均呈双向翼缘结构，处于套筒内部的内翼缘的截面呈梯形，处于套筒外部的外翼缘上匀布有螺栓孔。

可选的，相邻两个内翼缘紧固后外部套设有密封卡条，密封卡条截面呈凹字形，密封卡条上凹槽的两个腰与槽底之间的角度与内翼缘的坡口角度相同。

可选的，密封卡条底部向两侧延伸有挡土条。

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，短接环一侧筒口通过盖板密封。

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；

盖板外侧面上设置有肋板，肋板上设置有承压板，平撑的一端与承压板固定，另一端与反力架固定。

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。

本发明实施的又一方面，还提供了一种利用上述内压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按照设计顺序依次装配连接，形成套筒；

将套筒的过渡环的筒口顶靠在盾构隧道的洞门处，并与洞门处预埋件焊接，焊缝处涂刷防水材料密封；

在环形构件连接处的环向法兰和纵向法兰的内翼缘上安装密封卡条；

在盖板的内侧面上安装密封调压袋，密封调压袋上的注压管穿过盖板使得密封调压袋与外部连通，将盖板装配至短接环的筒口处；

在盾构隧道的底板和中板之间架设反力架，反力架和盖板的承压板之间固定平撑，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向密封调压袋内注入液体或空气调整密封调压袋压力，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，调整密封调压袋压力和注水口压力，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，实时监测并调整密封调压袋压力和注水口压力，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内压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内压式水土压力控制钢套筒的纵向剖切结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种套筒的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种环向法兰局部剖切结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种纵向法兰局部剖切结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种密封卡条的截面结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种环形密封卡条的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的一种线形密封卡条的结构示意图；

图9为本发明实施例提供的一种密封卡条与法兰连接的结构示意图；

图10为本发明实施例提供的一种盖板的结构示意图；

图11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、盖板2、底座3、反力架4、平撑5、密封调压袋6、注压管7、环向法兰8、过渡环9、标准环10、填料环11、短接环12、填砂口13、注水口14、纵向法兰15、内翼缘16、外翼缘17、密封卡条18、挡土条19、肋板20、斜撑21、承压板22、承重板23、联系条24。

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和图2，本发明实施例提供的一种内压式水土压力控制钢套筒，包括套筒1、盖板2、底座3、反力架4以及平撑5，其中，套筒1固定在底座上3，底座3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，另一端筒口通过盖板2封闭，反力架4竖直顶靠于盾构隧道的底板和中板之间，盖板2外侧面与反力架4之间通过平撑5固定连接，盖板2位于套筒内部的内侧面上设置有密封调压袋6，密封调压袋6上设置有注压管7，注压管7穿过盖板2使得密封调压袋6与外部连通。

参见图3，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8，相邻环形构件之间通过环向法兰8和螺栓固定连接；具体的，环形构件包括过渡环9、标准环10、填料环11以及短接环12；

标准环10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10的个数；过渡环9较标准环10短，只有一侧筒口安装环向法兰8，另一侧筒口与盾构隧道洞门密封连接；填料环11上设置有填砂口13和注水口14，短接环12为适应套筒1具体设计长度而设置的长度补充件，一侧筒口通过盖板2密封。

在实施中，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15，上下两个半环形构件之间通过纵向法兰15和螺栓固定连接。

参见图4和图5，环向法兰8和纵向法兰15均呈双向翼缘结构，即向套筒内外各伸出一段翼缘，其中，处于套筒1内部的内翼缘16的截面呈梯形，处于套筒1外部的外翼缘17上匀布有螺栓孔。

参见图6、图7、图8和图9，环形构件装配成套筒1之后，在螺栓紧固作用下相邻两个内翼缘16紧贴在一起，此后，可以在相邻两个内翼缘16外部套设有密封卡条18，密封卡条18截面呈凹字形，密封卡条18上凹槽的两个腰与槽底之间的角度与内翼缘16的坡口角度相同，密封卡条18可密封插接在法兰连接部位实现密封作用。

在实施中，密封卡条18分为环形密封卡条和线形密封卡条两种，分别适配环向法兰8和纵向法兰15。一种实现方式中，密封卡条18底部向两侧延伸有挡土条19，密封卡条18上的凹槽的两腰上粘贴密封条，增强密封防水效果。

采用密封卡条18对套筒1内各个环形构件的法兰连接处进行封堵，密封卡条18受到指向法兰的水土压力，法兰连接部位受拉变形亦会受到密封卡条的反力限制，即设置于法兰连接部位内翼缘的密封卡条18在填料压力作用下越压越紧，避免该连接部位出现漏水情况。

在实施中，还可以在环形构件外壁上沿环向和轴向均设置肋板20，以增强环形构件的强度。

反力架4与盾构隧道的底板之间固定连接有斜撑21，增加反力架4的牢固性。

盖板2外侧面上设置有肋板20，肋板20上设置有承压板22，平撑5的一端与承压板22固定，另一端与反力架4固定，肋板20用以提高盖板2的强度，承压板22用以提高盖板2在平撑5压力作用下的抗压刚度，减小其应力集中和局部变形。

在实施中，底座3包括多个竖向设置的承重板23，承重板23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23之间固定连接有联系条24。

本发明实施例利用上述内压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3包含的承重板23和联系条24运输至施工场地指定位置，并完成底座3的搭设和固定；

依据设计要求确定标准环10的个数，以底座3为安装平台，将包括过渡环9、标准环10、填料环11以及短接环12在内的各个环形构件按照设计顺序依次装配连接，形成套筒1；

将套筒1的过渡环9的筒口顶靠在盾构隧道的洞门处，并与洞门处预埋件焊接，焊缝处涂刷防水材料密封；

在环形构件连接处的环向法兰8和纵向法兰15的内翼缘上安装密封卡条18；

在盖板2的内侧面上安装密封调压袋6，密封调压袋6上的注压管7穿过盖板2使得密封调压袋6与外部连通，将盖板2装配至短接环12的筒口处；

在盾构隧道的底板和中板之间架设反力架4，反力架4和盖板2的承压板22之间固定平撑5，反力架4中部和底板之间固定斜撑21；

由填料环11上的填砂口13和注水口14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13密封；

洞门破除前，调整注水口14压力以及向密封调压袋6内注入液体或空气调整密封调压袋6压力，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，调整密封调压袋6压力和注水口压力，恢复套筒1内水压力和土压力平衡；

盾构在套筒内掘进过程中，实时监测并调整密封调压袋6压力和注水口14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，将过渡环(1环)、标准环(3环)、填料环(1环)和短接环(1环)按设计顺序依次装配，通过螺栓连接，形成完整套筒；

步骤三，使套筒的过渡环端部顶靠在隧道洞门处，并与洞门预埋件焊接连接，焊缝处涂刷防水材料密封；

步骤四，将密封卡条插向各环形构件连接处的法兰内翼缘，卡紧密封；

步骤五，将粘贴好密封调压袋的盖板装配至套筒的短接环端部，以螺栓连接；

步骤六，架设反力架、斜撑和平撑，平撑端头顶住盖板的承压板；

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，调节密封调压袋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，调整密封调压袋压力和注水口水压，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、调整密封调压袋压力和注水口水压力，维持掘进中的水、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 (10)

1.一种内压式水土压力控制钢套筒，包括套筒、盖板、底座、反力架以及平撑，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，另一端筒口通过盖板封闭，反力架竖直顶靠于盾构隧道的底板和中板之间，盖板外侧面与反力架之间通过平撑固定连接，其特征在于，盖板位于套筒内部的内侧面上设置有密封调压袋，密封调压袋上设置有注压管，注压管穿过盖板使得密封调压袋与外部连通。

2.如权利要求1所述的内压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；

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。

3.如权利要求2所述的内压式水土压力控制钢套筒，其特征在于，环向法兰和纵向法兰均呈双向翼缘结构，处于套筒内部的内翼缘的截面呈梯形，处于套筒外部的外翼缘上匀布有螺栓孔。

4.如权利要求3所述的内压式水土压力控制钢套筒，其特征在于，相邻两个内翼缘紧固后外部套设有密封卡条，密封卡条截面呈凹字形，密封卡条上凹槽的两个腰与槽底之间的角度与内翼缘的坡口角度相同。

5.如权利要求4所述的内压式水土压力控制钢套筒，其特征在于，密封卡条底部向两侧延伸有挡土条。

6.如权利要求2所述的内压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，短接环一侧筒口通过盖板密封。

7.如权利要求2所述的内压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。

8.如权利要求1所述的内压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；

盖板外侧面上设置有肋板，肋板上设置有承压板，平撑的一端与承压板固定，另一端与反力架固定。

9.如权利要求1所述的内压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。

10.一种利用权利要求1-9任一项所述的内压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按照设计顺序依次装配连接，形成套筒；

将套筒的过渡环的筒口顶靠在盾构隧道的洞门处，并与洞门处预埋件焊接，焊缝处涂刷防水材料密封；

在环形构件连接处的环向法兰和纵向法兰的内翼缘上安装密封卡条；

在盖板的内侧面上安装密封调压袋，密封调压袋上的注压管穿过盖板使得密封调压袋与外部连通，将盖板装配至短接环的筒口处；

在盾构隧道的底板和中板之间架设反力架，反力架和盖板的承压板之间固定平撑，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向密封调压袋内注入液体或空气调整密封调压袋压力，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，调整密封调压袋压力和注水口压力，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，实时监测并调整密封调压袋压力和注水口压力，维持掘进中水、土压力的动态平衡直至盾构接收完成。

Images