玻璃纤维钢连续墙接头在盾构始发与接收施工技术应用.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2024 年 01 月 09 日 作者简介：刘强（1984），男，汉族，陕西渭南人，学历本科，单位中铁七局第三工程有限公司，职称高级工程师。-101-玻璃纤维钢连续墙接头在盾构始发与接收施工技术应用 刘 强 冯晓哲 中铁七局集团第三工程有限公司，陕西 西安 710000 摘要：摘要：在承压水层地质条件下，盾构机始发时围护结构连续墙采取传统锁口管接头的形式，会导致基坑出现较大的安全风险。因此采取更为高效安全的连续墙接头形式代替传统接头管已成为地下盾构施工的难题，本文依托福州市滨海快线闽都站项目，采用玻璃纤维工字钢接头来代替传统的锁口管接头，为盾构套筒始发与接收施工创造了有利条件，实现了机械化施工的高效性和安全性。关键词：关键词：玻璃纤维筋工字钢；连续墙接头；盾构套筒始发；接收；安全 中图分类号：中图分类号：U455 0 引言 当前，地下车站盾构始发时，需要对地下连续墙围护结构进行破除。传统工程中，以锁口管为接头的地下连续墙主要采用人工破除的手段，其施工过程复杂，安全性差。在连续墙破除时，还需时刻进行观察，防止土体坍塌以及地下水涌入等现象发生，施工作业耗时耗力，经济性差安全风险高。因此更为高效安全的连续墙接头形式代替传统接头管已成为地下盾构施工的燃眉之急。玻璃纤维筋材料作为一种新型施工材料在盾构区间洞门围护结构上已经广泛应用，其材料强度和刚度稳定且易碎，在盾构机掘进至洞门的围护结构时，无需提前进行人工破除。以玻璃纤维筋为材料的玻璃纤维工字钢接头构件不仅强度高、性能好，且不需要人工拆除，可以有效提高盾构施工效率和安全性。本文依托福州市滨海快线闽都站项目，在洞口范围内采用玻璃纤维工字钢接头来代替传统的锁口管接头，洞外采用钢板工字钢接头。该接头连接形式通过焊接和栓接固定连接，很好的发挥了两种接头的优势，不仅有效的避免了连续墙接头渗漏水的风险，同时解决了盾构机切削围护结构的难题，为盾构套筒始发与接收施工创造了有利条件，实现了机械化施工的高效性和安全性。1 工程概况 1.1 工程简介 福州市滨海快线闽都站为地下二层车站，大里程设置一处单渡线，车站外包总长336m，标准段宽22.4m，车站采用明挖顺作法施工，车站主体标准段挖深约17.904m，小里程端头井挖深 19.4m，大里程端头井挖深 20.0m。标准段围护结构采用 800mm 厚地连墙，端头井采用 1000mm 厚地连墙，连续墙深度为 3742 米。车站小里程端为东门站闽都站区间盾构始发，大里程端为闽都站南公园站盾构接收。图 1 闽都站大里程盾构接收端围护平面图 根据设计文件说明，围护结构连续墙采取工字钢接头，盾构铣削洞门处地下连续墙 A11、A12、A16、A17、A24、A25、A27、A28 地连墙设置 GFRP 筋（玻璃纤维筋）；当盾构穿越洞门处的围护结构为地下连续墙时，接头采用锁口管施工。1.2 地质水文情况 车站涉及地层至上而下依次为：杂填土、淤泥、（含泥）中砂、（含泥）中砂、(含泥)砾砂等，车站底板位于（含泥）中砂地层，地质如图 4 所示。其中（含泥）中砂土体主要呈灰黄色，密实度以稍密中密为主，部分（含泥）中砂为密实，土体主要成分为中细粒石英颗粒和云母，大于 0.25mm 粒径含量平均占总质量的 57.4%，中国科技期刊数据库 工业 A-102-级配良好，分选性较差，粒间含粉粘粒，局部夹薄层淤泥。细粒土含量占 7.2-30.7%，平均值为 21.58%。由于车站范围软土具有含水量高、压缩性强、强度低、灵敏度高易触变等特点，地铁施工时，如过度降水或对软土的加固处理不当，以及地面超载等都易产生固结变形，引起地面沉降，导致路面、房屋开裂等地质灾害，并产生潜在的影响和危害，危害性较大。图 2 闽都站小里程盾构始发端围护平面图 图 3 闽都站围护结构连续墙接头形式示意图 图 4 端头井地质剖面图 由于(含泥)中砂与(含泥)砾砂之间粉质黏土层缺失，(含泥)中砂、(含泥)中砂、(含泥)砾砂、(含泥)卵石联合形成的含水层，各层存在水力联系。该承压水层对工程建设的影响较大，特别是对连续墙施工和基坑开挖有较大影响。在围护结构施工时，如连续墙接头处理不当，基坑开挖、盾构始发阶段过程中容易涌水涌砂，并引起地表不均匀沉降或者坍陷事故，导致市政管线、路面和建筑物等开裂，对车站周边区域产生严重的影响，造成难于预计的后果。2 连续墙接头形式选择 该工程盾构始发及接收采取800mm厚素砼墙+5.2m三轴搅拌桩+钢套筒始发与接收，车站洞口围护结构采用玻璃纤维筋。其接缝处采用玻璃纤维工字钢接头形式。传统接缝采用锁口管，素砼墙接缝距车站围护结构接缝位置不小 2m。这种施工接头的优点是，构造简单，施工方便，刷壁易行，易清除干净墙段侧壁泥浆，并保证了接头混凝土质量，且后施工槽段中钢筋笼的施工更为高效，节约成本。缺点是，接头刚度较低，整体性较差，抗剪能力较差，受力易变形，接头呈圆弧光面，无拐点，抗渗止水性能差，接头处墙面易渗水。因此，在福州市滨海地区承压水层丰富地层的环境下不易使用此类接头。为规避该锁口管接头带来施工风险，在其他类似车站施工单位采取了工字钢接头形式，工字钢在围护结构中承受垂直方向的力矩与水平方向上的剪力，并作为两槽段之间的结合构件，对连续墙接缝渗漏水防治效果更为明显。但是采取该接头，在盾构始发与接收需提前凿除连续墙工字钢，不能采取盾构机直接破除。如若加固失效很容易发生涌水涌砂安全事故，对采取钢套筒密闭始发与接收安全风险控制失去了意义。为此该项目部结合以上连续墙接头优缺点，并调研借鉴相关经验，提出玻璃纤维钢连续墙接头作为地下连续墙的接头形式。玻璃纤维筋与玻璃纤维工字钢类似，是一种性能优异的无机非金属材料。玻璃纤维筋具有良好的耐酸、耐盐腐蚀性能，强度与刚度稳定，具有较好的抗冻融性，但其缺陷是比较脆，且耐磨性较差。玻璃纤维筋的纵向抗拉强度高，易被盾构或其他挖掘机械磨碎。中国科技期刊数据库 工业 A-103-作为地下盾构洞口处围护结构的材料，在盾构始发时可直接进行盾构机破除。因此，将这种独特的各向异性高强材料应用于连续墙配筋和接头时，能显著提高地下盾构法隧道施工的速度，与使用传统的钢筋连续墙相比，极大地优化了盾构法隧道施工（始发和到达）中的机械化挖掘进程。3 玻璃纤维工字钢接头的应用 3.1 玻璃纤维工字钢在连续墙的设置 闽都站端头的围护结构采用1000mm厚的地下连续墙，其中盾构隧道外径 8.3m，内径 7.5m，预埋盾构钢环内径 8.9m，洞门处设置了两幅玻璃纤维筋连续墙，每幅宽 5m。玻璃纤维筋布置在正对盾构刀盘中心 10m11.3m 范围内，且两幅连续墙接头的洞门范围内设置有玻璃纤维工字钢接头，洞门以外范围为钢板工字钢接头，具体设置详见图 5。图 5 端头井地连墙玻璃纤维工字钢接头设置示意图 3.2 施工技术控制要点（1）玻璃纤维工字钢技术参数（力学性能）经试验检测，玻璃纤维工字钢材料试件抗拉强度平均值为 453MPa，拉伸弹性模量平均值为 23GPa，断裂伸长率为 2.14%；型号为 I 型，符合 GB/T1447-2005标准要求。（2）玻璃纤维工字钢预制及检查 玻璃纤维工字钢长度为 12m，玻璃纤维工字钢厚度为 12mm，具体尺寸同钢板工字钢形式。玻璃纤维工字钢采用工厂预制的方式，在工厂提前加工，其长度以6m 为一节。玻璃纤维工字钢需提前与厂家联系加工，应根据地连墙厚度，钢筋笼骨架、玻璃纤维钢筋长度，盾构区间隧道直径等参数进行加工，按照本工程案例，玻璃纤维工字钢总长度为 12m，玻璃纤维工字钢厚度为12mm，具体尺寸同钢板工字钢形式，具体尺寸详见图 5，为方便运输及现场按照，玻璃纤维工字钢分两节预制加工，每节长度为 6m。（3）玻璃纤维工字钢的运输及复核 应根据施工现场的施工进度情况合理的安排预制工字钢的运输计划，保证现场的高效施工。预制工字钢需采用专业车辆进行运输，并安装可靠的构件稳定措施，用钢丝进行紧固，防止运输过程中出现磕碰导致构件受损。同时需提前做好临时道路准备，保证运输道路畅通，运输车辆在运输过程中应均匀行驶，严禁超速、猛拐和急刹车。在预制构件出厂以及运输至施工现场卸车前需派专业的质量管理人员对玻璃纤维工字钢进行检查，确保构件合格满足施工要求，不合格构件须立即进行返厂处理，不能用于施工，避免因材料质量导致安全事故的发生。3.3 玻璃纤维工字钢连接大样（1）玻璃纤维工字钢之间连接 玻璃纤维工字钢总长度为 12m，分两节预制加工，每节长度为 6m，因玻璃纤维钢无法实现焊接加固，需在接头位置通过加强玻璃纤维板+高强螺栓进行连接，分别对玻璃纤维工字钢腹板，翼板同时加强固定。腹板加强玻璃纤维板尺寸为 700mm*800mm，螺栓间距200mm*200mm；翼 板 加 强 玻 璃 纤 维 板 尺 寸 为150mm*800mm，螺栓间距 200mm；螺栓统一采用规格M20M24，10.9S 高强度螺栓进行连接。连接大样详见图 6。（2）玻璃纤维工字钢与钢板工字钢连接 连续墙接头洞门范围设置玻璃纤维工字钢接头，洞门以外范围为钢板工字钢接头，为此两种类型的工字钢需进行有效的连接加固，确保钢筋笼吊装安全；接头位置则通过加强钢板和高强度螺栓进行连接，接中国科技期刊数据库 工业 A-104-触位置接触面侧边满焊，并分别对工字钢的腹板和翼板同时加强固定。腹板加强钢板尺寸为 700mm*800mm，螺栓间距 200mm*200mm；翼板加强玻璃纤维板尺寸为150mm*800mm，螺栓间距 200mm；螺栓统一采用规格M20M24，10.9S 高强度螺栓进行连接。连接大样详见图 7。图 6 玻璃纤维工字钢之间连接大样示意图 图 7 玻璃纤维工字钢与钢板工字钢连接实物图（3）玻璃纤维工字钢与玻璃纤维筋连接 钢筋笼常规钢筋与工字钢采用焊接形式进行固定，在洞门范围设置玻璃纤维筋与玻璃纤维工字钢连接固定采取在玻璃纤维板翼板钻孔，通过 14#铁丝进行捆绑固定。连接大样详见图 8 细部做法。图 8 玻璃纤维工字钢与玻璃纤维筋连接实物图 中国科技期刊数据库 工业 A-105-3.4 钢筋笼吊装 钢筋笼吊装为危险系数较高的工程，需编制专项方案，完善审批流程，并经专家评审通过后实施。由于玻璃纤维筋的刚度比普通钢筋低，因此需要通过对临时钢支架进行操作，来加固钢筋与吊装玻璃纤维筋，以此确保吊装安全性。另外，还需要使用 U 形螺栓对钢架和玻璃纤维筋笼进行加固。此时，绑扎完成的钢筋和玻璃纤维筋就会形成连续墙钢筋笼，保证了起吊的稳定性与笼架的完整性。在现场实际操作时，应当根据现场实际情况进行分析后，安装起吊机，并合理分配起吊点。一般情况下，连续墙的起吊都会设立两台吊机协同工作。而吊点也平均分布在主吊机和辅吊机间，值得注意的是，在玻璃纤维筋和钢筋相连的位置应设立吊点。然后由相关施工人员进行起吊指挥作业，起吊时，应当严格控制起吊速度，以免过快的起吊速度造成危险和损失。接着，起重机将连续墙钢筋笼提升到合理的竖向高度上，并移动墙幅，在钢筋笼放入槽段前撤出临时支撑架，确保钢筋笼顺利入槽。图 9 钢筋笼吊装入槽 3.5 应用效果分析 地铁隧道盾构施工始发及接收处，围护结构接头形式多样，质量性能要求较高。本文查阅大量资料，分析有关工程案例，综合对比得出不同围护结构接头形式的应用效果，如表 1 所示。由结果可知，为保证地下盾构隧道施工的效率，及施工安全性，以玻璃纤维为材料的工字钢接头形式可以满足施工需要，很好的解决了盾构施工中的一系列难题，应用效果显著。表 1 应用效果分析 序号 连续墙接头形式 优点 缺点 1 锁口管接头 施工简单，成本低。抗剪能力较差，受力后易变形；接头呈圆弧光面，无拐点，抗渗止水性能差，易发生接头处墙面渗水，安全风险较大。2 钢板工字钢接头 施工较简单，成本较低。盾构始发或接收前需采用人工进行连续墙凿除，切除钢板工字钢，如端头加固失效容易涌水涌砂从而发生安全事故。3 玻璃纤维工字钢接头 盾构始发或接收前无需进行连续墙凿除，采取套筒密闭始发或接收，安全可控。施工工艺复杂，成本高。4 结论 本文以福州滨海快线闽都站为工程依托，详细介绍了玻璃纤维钢连续墙接头在盾构始发或接收施工技术应用以及质量控制，对比不同接头形式的优缺点，得到了以下结论：（1）在存在承压水层的地质工况下，玻璃纤维工字钢连续墙接头的成功应用，规避了连续墙施工和基坑开挖期间接缝渗漏水的风险，解决了盾构始发或接收施工时切削围护结构的难题。（2）以玻璃纤维筋材料施工的围护结构，其材料强度及刚度稳定且易碎，可以避免盾构始发接收时进行的人工凿除围护结构，切断钢筋作业，可直接进行盾构机破除，减少了大量的人力物力的消耗，提高盾构施工效率，达到高效绿色施工的效果。（3）在进行玻璃纤维钢筋笼吊装时，需采用临时钢支架加固钢筋与吊装玻璃纤维筋，以此确保吊装安全性。同时使用 U 形螺栓对钢架和玻璃纤维筋笼进行加固，保证了起吊的稳定性与笼架的完整性。连续墙的起吊需设立两台吊机协同工作，吊点平均分布在主吊机和辅吊机间，在玻璃纤维筋和钢筋相连的位置也应设立吊点。（4）采用套筒始发与接收，减少了涌水涌砂风险，确保盾构安全施工。（5）根据施工案例调研，玻璃纤维工字钢连续墙接头施工技术已多次应用于盾构始发与接收的洞门连中国科技期刊数据库 工业 A-106-续墙，但目前针对该技术的系统总结仍较少。参考文献 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