SEW工法在地鐵盾構隧道施工中的應用

摘　要　國內(nèi)地鐵盾構隧道始發(fā)工法多采用攪拌樁端頭加固法,技術成熟,工藝簡單,但需占用地面場地,人工鑿除洞門,安全性較差。介紹一種從日本引進的新的盾構隧道始發(fā)工法—SEW工法及工法所用的FFU材料,并在國內(nèi)地鐵盾構隧道施工中首次進行了應用。針對SEW工法的應用效果進行了分析和總結,提出了SEW工法的適宜條件,以供在盾構法隧道設計和施工中借鑒。
關鍵詞　SEW工法　盾構　應用
 
1 引言
      為適應我國城市軌道交通的快速發(fā)展,盾構法挖掘隧道更加廣泛。盾構始發(fā)加固主要采用攪拌樁端頭加固、注漿和冷凍法等,應用最多的是攪拌樁端頭加固(即攪拌樁加固和旋噴樁止水相結合),其次是注漿法(在暗挖隧道內(nèi)始發(fā)時),冷凍法等則很少使用。

      攪拌樁端頭加固,是在盾構始發(fā)井端頭影響始發(fā)范圍內(nèi)(掘進方向與盾構長度相同,寬度方向為盾構機直徑外2m),采用攪拌樁對隧道下部2m以上地層進行加固,周邊旋噴樁止水。注漿法則由于不具備地面加固條件而在暗挖隧道內(nèi)采用水平袖閥管注漿加固。盾構井端頭加固的目的:一是增強端頭地層的穩(wěn)定和止水,保證端頭在鑿除圍護結構時保持自穩(wěn);二是防止盾構機由始發(fā)托架進入土體時發(fā)生掉頭或地面沉降等現(xiàn)象。這2種方式都需要在盾構刀盤頂上開挖面前,事先鑿除用作盾構井圍護結構或隧道內(nèi)的堵頭墻,為了防止圍護結構鑿除后加固體暴露時間過長而坍塌,在盾構機組裝調(diào)試完成前,不允許提前鑿除圍護結構。同時為保證盾構機刀盤能快速頂上開挖面,刀盤距開挖面也不宜過遠,一般在1~1.5m,由于空間受限,多采用人工鑿除,不但影響進度,而且容易發(fā)生端頭失穩(wěn)、坍塌等事故,是盾構法施工的一個重要風險點。

      因此,結合工程實踐,提出采用1種新工法、新材料來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的盾構始發(fā)工法,要求新材料能替代連續(xù)墻或圍護樁,即抗壓強度、抗拉強度、剛度等物理特性指標均能滿足圍護結構受力條件,具有良好的切削性能,即較低的抗剪強度,能被盾構機刀具切削,這樣就可以取消端頭加固和洞門鑿除的繁瑣工序,加快施工進度和安全。這種新工法就是采用FFU新材料的SEW工法。

2 SEW工法
      SEW工法(ShieldEarthRetainingWallSystem)的工作原理是在盾構始發(fā)洞門范圍內(nèi)的圍護結構上,預先埋設1種玻璃纖維材料FiberReinforcedFormedUrethane(簡稱FFU),FFU材料能被盾構機刀具順利的切削,FFU材料部件的形狀大小結合圍護結構形式進行預制,利用部件兩端的鋼結構與圍護結構的鋼筋連接,保證部件與圍護結構鋼筋籠的整體性,在圍護結構施工時隨鋼筋籠一起放入槽段(孔)內(nèi),然后澆注混凝土。這樣,在盾構始發(fā)時直接切削FFU,從而免除洞門鑿除的工序,考慮到其強度足以保證洞門的穩(wěn)定性,在盾構始發(fā)前,也可適當取消部分端頭加固。

      SEW工法在國外,尤其在日本已得到了大量的推廣和使用,FFU材料由日本積水化學公司開發(fā)生產(chǎn),國內(nèi)引進主要應用于軌道減震道床。SEW工法在廣州地鐵5號線大坦沙南~中山八站盾構區(qū)間進行了應用,旨在對廣州乃至全國推廣使用該工法獲取一定的指導經(jīng)驗。該區(qū)間屬珠江三角洲沖積平原,所處地面為大坦沙島、珠江、青年公園和中山八路,地形略有起伏,沿線地面高程
6.67~8.47m,隧道洞身地層主要為<2-1A>淤泥、<2-2>淤泥質(zhì)砂層和<3-2>中粗砂層。盾構井位于大坦沙島上,圍護結構采用地下連續(xù)墻,周圍場地開闊,50m內(nèi)無建筑物,采用2臺日本三菱泥水盾構機掘進,區(qū)間縱坡為55‰下坡,始發(fā)120m后就下穿珠江,過江段隧道全斷面砂層,底部存在少量的<3-3>卵石層、<7>、<8>紅層巖的強、中風化層。隧道的覆土層為<2-1A>淤泥層及<2-2>淤泥質(zhì)砂層。

3 SEW工法的應用

3.1 FFU材料部件的預制

      SEW工法需將盾構始發(fā)洞門范圍內(nèi)連續(xù)墻用FFU材料制成的部件來替代,根據(jù)圍護結構受力條件和FFU材料的物理力學指標,采用了柱列式部件,在洞門范圍內(nèi)布置了6條由FFU材料制成的柱形部件,如圖1所示。FFU部件由日本積水化學公司生產(chǎn),部件與連續(xù)墻鋼筋的連接器生產(chǎn)好后運至國內(nèi)施工現(xiàn)場將連接器與連續(xù)墻鋼筋焊接。

3.2 連續(xù)墻施工

      在施工SEW(FFU部件)的地下連續(xù)墻時,由于FFU材料的特點對連續(xù)墻施工提出了如下要求:

      (1)連續(xù)墻成槽。確保溝壁的挖掘精度在1/500以上;挖掘時1個槽段的寬度約為7m,要控制泥漿的比重和挖掘速度,防止沙質(zhì)地基在挖掘溝壁時坍塌。

      (2)組裝鋼筋籠。在FFU部件的連接部將鋼筋(日本標準)擰入連接器中固定;將FFU部件配置在鋼筋籠的規(guī)定位置(盾構機通過部分);使用氣焊或電焊時,注意保護FFU部件,避免濺落上火花。FFU部件的重量約為10,t安裝時使用扁鋼或角鋼加固在鋼筋籠上。組裝鋼筋籠時要考慮到混凝土導管的配置。

      (3)吊放鋼筋籠。吊起FFU部件時,為防止給FFU部件造成損傷,不使用鐵絲而使用尼龍繩?？紤]FFU部件、鋼筋、加固材料、吊具等的重量,起重機要保證有充分的大臂長度和吊起能力,吊起鋼筋籠時要避免FFU部件附近的鋼筋籠變形或扭曲。

      (4)安裝鋼筋籠。鋼筋籠安裝前清除底部沉淀物,否則會堆積在FFU部件的下面,一旦漏滲水就很難堵住,如果伴有泥沙流出,會導致背面地基塌陷等重大事故。裝在鋼筋籠上的FFU部件表面上如果有加固材料(鋼材),埋入時必須將其拆除。在澆筑混凝土時FFU部件會產(chǎn)生很大的浮力,要采取措施防止浮起或傾斜。

      (5)配置混凝土導管和澆筑混凝土。在規(guī)定位置安裝3根混凝土導管,準備三套混凝土澆筑用漏斗,1根混凝土導管配1臺攪拌車;混凝土導管的前端要保持埋入混凝土中2.0~6.0m的位置;混凝土的澆筑高度要經(jīng)常用檢尺檢查,特別是在澆筑FFU部件部分的混凝土時,嚴格控制FFU部件間的澆筑高度;FF部件部分的混凝土澆筑速度應在4m/h以下。

3.3 盾構始發(fā)掘進

      由于盾構隧道為55‰的下坡,而且是泥水平衡盾構機,在應用SEW工法時存在以下風險:

      (1)盾構機平行隧道軸線始發(fā)。刀盤與連續(xù)墻內(nèi)FFU板材墻壁形成一定的夾角(如圖2)。在刀盤切削過程中,FFU上端先被切削,此后便處于單側懸臂狀態(tài),由于盾構機推力作用,FFU材料部件在上部被切削完后會出現(xiàn)塊狀崩潰(板狀、塊狀的破碎片)。

　   (2)盾構機始發(fā)時不鑿除洞門。直接切削連續(xù)墻內(nèi)FFU,切削時要建立起泥水平衡,因此要保證橡膠簾不被刀盤破壞,確保切口水壓建立和洞門橡膠簾止水效果。

      (3)由于FFU材料比重小,被刀具切削后,易在土倉內(nèi)懸浮在泥漿上部,難以從底部排泥管排出土倉。

      (4)刀盤切削FFU時,在每根FFU之間仍存有C30混凝土,在盾構始發(fā)時尤其注意控制好對盾構的掘進管理。

      針對上述風險應采取以下措施:

      (1)由于連續(xù)墻背后地層為淤泥質(zhì)砂和砂層,為避免在盾構機切削過程中,FFU材料出現(xiàn)塊狀崩潰,在緊貼連續(xù)墻側,采用1排Ф1000@600的三管旋噴樁,其后采用Ф500@400的攪拌樁加固,加固范圍為9.5m(如圖3),為刀具切削FFU時在背面提供足夠的反力。

　   (2)為防止在刀盤轉(zhuǎn)動時破壞洞門處的橡膠止水布簾,在原設計始發(fā)洞門后增設1個800mm長鋼套筒,如圖2,以增加刀盤到止水布簾的距離,使得盾構機始發(fā)時不會破壞橡膠簾布,盡早建立起泥水平衡。

      (3)FFU材料被切削后在土倉內(nèi)懸浮在泥漿上面,難于排出土倉時,可采用逆循環(huán)方式的環(huán)流狀態(tài),把FFU懸浮物排出后,再采用正常模式掘進。

      始發(fā)時的掘進參數(shù)管理:①從刀具開始切削FFU材料開始,至切削FFU材料結束為止,盾構機的推進速度不宜過快,使盾構緩慢穩(wěn)步前進,推進速度控制在2.5~3mm/min。②將切削FFU材料時的開挖面切口水壓設定在50~70kPa之間,推力控制在400~600T范圍之內(nèi)。

4 SEW工法的應用效果與分析

      由于增設了鋼套筒,當盾構刀盤開始切削FFU時,洞門橡膠止水簾布沒有被刀具切割壞,很好的建立了切口水壓。當?shù)毒咔邢鱂FU時,切削的碎屑沒有象之前所擔心的由于其比重較輕而不能排出的情況。當FFU部件被切削了一半時開倉檢查了切削效果,土倉內(nèi)除了碎屑外還出現(xiàn)了較多的長條狀FFU,最長的達到了830mm,較難從排泥管排出的,采用了人工撿出。當FFU部件被全部切削完了時,再次開倉進行了檢查,土倉內(nèi)充滿了長條狀FFU材料,泥漿表面被厚達40cm的泡沫所覆蓋。

      為了保證盾構過江時切口水壓的穩(wěn)定,防止長條FFU材料堵管造成切口水壓波動而擊穿江底覆蓋層,所有的長條狀FFU材料均被打撈出來,保證了盾構過江的安全。

      通過SEW工法的應用,分析導致出現(xiàn)長條狀FFU材料的可能是:

      (1)由于隧道呈55‰的下坡,而安裝有FFU部件的連續(xù)墻是豎直的,盾構機平行隧道軸線始發(fā),刀盤與FFU板材形成一定的夾角,刀盤直徑Ф6280mm,FFU墻相對于刀盤而言,其上部提前35cm于下部被切削完,此后便處于下部懸臂狀態(tài),在刀具的不均勻切削作用下,FFU從上而下被刀具拆斷形成長條狀。

      (2)盾構機的推力過大,或掘進速度過快,導致FFU材料被刀具拉斷而不是被切削。

5 結束語

      通過SEW工法的應用,SEW工法與傳統(tǒng)的始發(fā)工法相比具有相當大的優(yōu)越性,FFU材料性能能夠完全替代傳統(tǒng)的圍護結構,被切削能力強,解決了盾構機不能直接始發(fā)掘進的難題,免除了端頭加固、洞門鑿除等工序,施工安全、進度快,如果SEW工法應用多,FFU材料能國產(chǎn)化,工程造價將會比傳統(tǒng)工法更為經(jīng)濟。

      (1)SEW工法在泥水盾構中應用時,主要考慮切削的碎屑能否排出,不要出現(xiàn)大塊的FFU材料,防止堵管導致切口水壓波動過大,尤其是過江掘進時。要求隧道的縱坡不要太大,能基本與連續(xù)墻垂直,避免切削時FFU部件出現(xiàn)懸臂狀態(tài)而被刀具折斷。另在連續(xù)墻后進行攪拌樁加固,給FFU部件后面提供足夠的反力,避免FFU部件被刀具推力直接推斷。

      (2)SEW工法更適合用于盾構到達井,當?shù)孛娌痪邆涠祟^加固條件時,不須考慮FFU材料的排出風險。

      (3)SEW工法更適合于土壓平衡式盾構。

      (4)如果后續(xù)隧道不是過江段,或覆蓋層較厚,則更適合采用SEW工法。

      (5)SEW工法對于隧道埋深較深的盾構法隧道更適宜,其相對于從地面進行攪拌樁和旋噴樁加固而言,會更經(jīng)濟、更安全、進度更快。因為后者隨著深度加深,其加固效果更差而成本會更高,而SEW工法則基本不會增加成本。