SEW工法在地铁盾构隧道施工中的应用.doc

SEW工法在地铁盾构隧道施工中应用
SEW工法在地铁盾构隧道施工中应用

摘　要　中国地铁盾构隧道始发工法多采取搅拌桩端头加固法,技术成熟,工艺简单,但需占用地面场地,人工凿除洞门,安全性较差。介绍一个从日本引进新盾构隧道始发工法—SEW工法及工法所用FFU材料,并在中国地铁盾构隧道施工中首次进行了应用。针对SEW工法应用效果进行了分析和总结,提出了SEW工法适宜条件,以供在盾构法隧道设计和施工中借鉴。
关键词　SEW工法　盾构　应用

1 引言
      为适应中国城市轨道交通快速发展,盾构法挖掘隧道愈加广泛。盾构始发加固关键采取搅拌桩端头加固、 注浆和冷冻法等,应用最多是搅拌桩端头加固(即搅拌桩加固和旋喷桩止水相结合),其次是注浆法(在暗挖隧道内始发时),冷冻法等则极少使用。
      搅拌桩端头加固,是在盾构始发井端头影响始发范围内(掘进方向与盾构长度相同,宽度方向为盾构机直径外2m),采取搅拌桩对隧道下部2m以上地层进行加固,周围旋喷桩止水。注浆法则因为不含有地面加固条件而在暗挖隧道内采取水平袖阀管注浆加固。盾构井端头加固目:一是增强端头地层稳定和止水,确保端头在凿除围护结构时保持自稳;二是预防盾构机由始发托架进入土体时发生掉头或地面沉降等现象。这2种方法都需要在盾构刀盘顶上开挖面前,事先凿除用作盾构井围护结构或隧道内堵头墙,为了预防围护结构凿除后加固体暴露时间过长而坍塌,在盾构机组装调试完成前,不许可提前凿除围护结构。同时为确保盾构机刀盘能快速顶上开挖面,刀盘距开挖面也不宜过远,通常在1~1.5m,因为空间受限,多采取人工凿除,不仅影响进度,而且轻易发生端头失稳、 坍塌等事故,是盾构法施工一个关键风险点。
      所以,结合工程实践,提出采取1种新工法、 新材料来替换传统盾构始发工法,要求新材料能替换连续墙或围护桩,即抗压强度、 抗拉强度、 刚度等物理特征指标均能满足围护结构受力条件,含有良好切削性能,即较低抗剪强度,能被盾构机刀具切削,这么就能够取消端头加固和洞门凿除繁琐工序,加紧施工进度和安全。这种新工法就是采取FFU新材料SEW工法。

2 SEW工法
      SEW工法(ShieldEarthRetainingWallSystem)工作原理是在盾构始发洞门范围内围护结构上,预先埋设1种玻璃纤维材料FiberReinforcedFormedUrethane(简称FFU),FFU材料能被盾构机刀具顺利切削,FFU材料部件形状大小结合围护结构形式进行预制,利用部件两端钢结构与围护结构钢筋连接,确保部件与围护结构钢筋笼整体性,在围护结构施工时随钢筋笼一起放入槽段(孔)内,然后浇注混凝土。这么,在盾构始发时直接切削FFU,从而免去洞门凿除工序,考虑到其强度足以确保洞门稳定性,在盾构始发前,也可合适取消部分端头加固。
      SEW工法在国外,尤其在日本已得到了大量推广和使用,FFU材料由日本积水化学企业开发生产,中国引进关键应用于轨道减震道床。SEW工法在广州地铁5号线大坦沙南~中山八站盾构区间进行了应用,意在对广州乃至推广使用该工法获取一定指导经验。该区间属珠江三角洲冲积平原,所处地面为大坦沙岛、 珠江、 青年公园和中山八路,地形略有起伏,沿线地面高程6.67~8.47m,隧道洞身地层关键为<2-1A>淤泥、 <2-2>淤泥质砂层和<3-2>中粗砂层。盾构井位于大坦沙岛上,围护结构采取地下连续墙,周围场地开阔,50m内无建筑物,采取2台日本三菱泥水盾构机掘进,区间纵坡为55‰下坡,始发120m后就下穿珠江,过江段隧道全断面砂层,底部存在少许<3-3>卵石层、 <7>、 <8>红层岩强、 中风化层。隧道覆土层为<2-1A>淤泥层及<2-2>淤泥质砂层。
3 SEW工法应用
3.1 FFU材料部件预制
      SEW工法需将盾构始发洞门范围内连续墙用FFU材料制成部件来替换,依据围护结构受力条件和FFU材料物理力学指标,采取了柱列式部件,在洞门范围内部署了6条由FFU材料制成柱形部件,如图1所表示。FFU部件由日本积水化学企业生产,部件与连续墙钢筋连接器生产好后运至中国施工现场将连接器与连续墙钢筋焊接。
3.2 连续墙施工
      在施工SEW(FFU部件)地下连续墙时,因为FFU材料特点对连续墙施工提出了以下要求:
      (1)连续墙成槽。确保沟壁挖掘精度在1/500以上;挖掘时1个槽段宽度约为7m,要控制泥浆比重和挖掘速度,预防沙质地基在挖掘沟壁时坍塌。
      (2)组装钢筋笼。在FFU部件连接部将钢筋(日本标准)拧入连接器中固定;将FFU部件配置在钢筋笼要求位置(盾构机经过部分);使用气焊或电焊时,注意保护FFU部件,避免溅落上火花。FFU部件重量约为10,t安装时使用扁钢或角钢加固在钢筋笼上。组装钢筋笼时要考虑到混凝土导管配置。
      (3)吊放钢筋笼。吊起FFU部件时,为预防给FFU部件造成损伤,不使用铁丝而使用尼龙绳。考虑FFU部件、 钢筋、 加固材料、 吊具等重量,起重机要确保有充足大臂长度和吊起能力,吊起钢筋笼时要避免FFU部件周围钢筋笼变形或扭曲。
      (4)安装钢筋笼。钢筋笼安装前清除底部沉淀物,不然会堆积在FFU部件下面,一旦漏渗水就极难堵住,假如伴有泥沙流出,会造成后面地基塌陷等重大事故。装在钢筋笼上FFU部件表面上假如有加固材料(钢材),埋入时必需将其拆除。在浇筑混凝土时FFU部件会产生很大浮力,要采取方法预防浮起或倾斜。
      (5)配置混凝土导管和浇筑混凝土。在要求位置安装3根混凝土导管,准备三套混凝土浇筑用漏斗,1根混凝土导管配1台搅拌车;混凝土导管前端要保持埋入混凝土中2.0~6.0m位置;混凝土浇筑高度要常常见检尺检验,尤其是在浇筑FFU部件部分混凝土时,严格控制FFU部件间浇筑高度;FF部件部分混凝土浇筑速度应在4m/h以下。
3.3 盾构始发掘进
      因为盾构隧道为55‰下坡,而且是泥水平衡盾构机,在应用SEW工法时存在以下风险:
      (1)盾构机平行隧道轴线始发。刀盘与连续墙内FFU板材墙壁形成一定夹角(如图2)。在刀盘切削过程中,FFU上端先被切削,以后便处于单侧悬臂状态,因为盾构机推力作用,FFU材料部件在上部被切削完后会出现块状瓦解(板状、 块状破碎片)。

　   (2)盾构机始发时不凿除洞门。直接切削连续墙内FFU,切削时要建立起泥水平衡,所以要确保橡胶帘不被刀盘破坏,确保切口水压建立和洞门橡胶帘止水效果。
      (3)因为FFU材料比重小,被刀具切削后,易在土仓内悬浮在泥浆上部,难以从底部排泥管排出土仓。
      (4)刀盘切削FFU时,在每根FFU之间仍存有C30混凝土,在盾构始发时尤其注意控制好对盾构掘进管理。
      针对上述风险应采取以下方法:
      (1)因为连续墙背后地层为淤泥质砂和砂层,为避免在盾构机切削过程中,FFU材料出现块状瓦解,在紧贴连续墙侧,采取1排Ф1000@600三管旋喷桩,其后采取Ф500@400搅拌桩加固,加固范围为9.5m(如图3),为刀具切削FFU时在后面提供足够反力。
　   (2)为预防在刀盘转动时破坏洞门处橡胶止水布帘,在原设计始发洞门后增设1个800mm长钢套筒,如图2,以增加刀盘到止水布帘距离,使得盾构机始发时不会破坏橡胶帘布,尽早建立起泥水平衡。
      (3)FFU材料被切削后在土仓内悬浮在泥浆上面,难于排出土仓时,可采取逆循环方法环流状态,把FFU悬浮物排出后,再采取正常模式掘进。
      始发时掘进参数管理:①从刀具开始切削FFU材料开始,至切削FFU材料结束为止,盾构机推进速度不宜过快,使盾构缓慢稳步前进,推进速度控制在2.5~3mm/min。②将切削FFU材料时开挖面切口水压设定在50~70kPa之间,推力控制在400~600T范围之内。
4 SEW工法应用效果与分析
      因为增设了钢套筒,当盾构刀盘开始切削FFU时,洞门橡胶止水帘布没有被刀具切割坏,很好建立了切口水压。当刀具切削FFU时,切削碎屑没有象之前所担心因为其比重较轻而不能排出情况。当FFU部件被切削了二分之一时开仓检验了切削效果,土仓内除了碎屑外还出现了较多长条状FFU,最长达成了830mm,较难从排泥管排出,采取了人工捡出。当FFU部件被全部切削完了时,再次开仓进行了检验,土仓内充满了长条状FFU材料,泥浆表面被厚达40cm泡沫所覆盖。
      为了确保盾构过江时切口水压稳定,预防长条FFU材料堵管造成切口水压波动而击穿江底覆盖层,全部长条状FFU材料均被打捞出来,确保了盾构过江安全。
      经过SEW工法应用,分析造成出现长条状FFU材料可能是:
      (1)因为隧道呈55‰下坡,而安装有FFU部件连续墙是竖直,盾构机平行隧道轴线始发,刀盘与FFU板材形成一定夹角,刀盘直径Ф6280mm,FFU墙相对于刀盘而言,其上部提前35cm于下部被切削完,以后便处于下部悬臂状态,在刀具不均匀切削作用下,FFU从上而下被刀具拆断形成长条状。
      (2)盾构机推力过大,或掘进速度过快,造成FFU材料被刀具拉断而不是被切削。

5 结束语
      经过SEW工法应用,SEW工法与传统始发工法相比含有相当大优越性,FFU材料性能能够完全替换传统围护结构,被切削能力强,处理了盾构机不能直接始发掘进难题,免去了端头加固、 洞门凿除等工序,施工安全、 进度快,假如SEW工法应用多,FFU材料能国产化,工程造价将会比传统工法更为经济。
      (1)SEW工法在泥水盾构中应用时,关键考虑切削碎屑能否排出,不要出现大块FFU材料,预防堵管造成切口水压波动过大,尤其是过江掘进时。要求隧道纵坡不要太大,能基础与连续墙垂直,避免切削时FFU部件出现悬臂状态而被刀具折断。另在连续墙后进行搅拌桩加固,给FFU部件后面提供足够反力,避免FFU部件被刀具推力直接推断。
      (2)SEW工法更适适用于盾构抵达井,当地面不含有端头加固条件时,不须考虑FFU材料排出风险。
      (3)SEW工法更适合于土压平衡式盾构。
      (4)假如后续隧道不是过江段,或覆盖层较厚,则更适合采取SEW工法。
      (5)SEW工法对于隧道埋深较深盾构法隧道更适宜,其相对于从地面进行搅拌桩和旋喷桩加固而言,会更经济、 更安全、 进度愈加快。因为后者伴随深度加深,其加固效果更差而成本会更高,而SEW工法则基础不会增加成本。