国内地铁盾构隧道始发工法多采用搅拌桩端头加固法,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。介绍一种从日本引进的新的盾构隧道始发工法—SEW工法及工法所用的FFU材料,并在国内地铁盾构隧道施工中首次进行了应用。针对SEW工法的应用效果进行了分析和总结,提出了SEW工法的适宜条件,以供在盾构法隧道设计和施工中借鉴。
1引言
为适应我国城市轨道交通的快速发展,盾构法挖掘隧道更加广泛。盾构始发加固主要采用搅拌桩端头加固、注浆和冷冻法等,应用最多的是搅拌桩端头加固(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),冷冻法等则很少使用。
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),采用搅拌桩对隧道下部2m以上地层进行加固,周边旋喷桩止水。注浆法则由于不具备地面加固条件而在暗挖隧道内采用水平袖阀管注浆加固。盾构井端头加固的目的:一是增强端头地层的稳定和止水,保证端头在凿除围护结构时保持自稳;二是防止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种方式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的堵头墙,为了防止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,不允许提前凿除围护结构。同时为保证盾构机刀盘能快速顶上开挖面,刀盘距开挖面也不宜过远,一般在1~1.5m,由于空间受限,多采用人工凿除,不但影响进度,而且容易发生端头失稳、坍塌等事故,是盾构法施工的一个重要风险点。
因此,结合工程实践,提出采用1种新工法、新材料来代替传统的盾构始发工法,要求新材料能替代连续墙或围护桩,即抗压强度、抗拉强度、刚度等物理特性指标均能满足围护结构受力条件,具有良好的切削性能,即较低的抗剪强度,能被盾构机刀具切削,这样就可以取消端头加固和洞门凿除的繁琐工序,加快施工进度和安全。这种新工法就是采用FFU新材料的SEW工法。
2 SEW工法
SEW工法(ShieldEarthRetainingWallSystem)的工作原理是在盾构始发洞门范围内的围护结构上,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的切削,FFU材料部件的形状大小结合围护结构形式进行预制,利用部件两端的钢结构与围护结构的钢筋连接,保证部件与围护结构钢筋笼的整体性,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。这样,在盾构始发时直接切削FFU,从而免除洞门凿除的工序,考虑到其强度足以保证洞门的稳定性,在盾构始发前,也可适当取消部分端头加固。
SEW工法在国外,尤其在日本已得到了大量的推广和使用,FFU材料由日本积水化学公司开发生产,国内引进主要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,旨在对广州乃至全国推广使用该工法获取一定的指导经验。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,隧道洞身地层主要为<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,围护结构采用地下连续墙,周围场地开阔,50m内无建筑物,采用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,底部存在少量的<3-3>卵石层、<7>、<8>红层岩的强、中风化层。隧道的覆土层为<2-1A>淤泥层及<2-2>淤泥质砂层。
3 SEW工法的应用
3.1 FFU材料部件的预制
SEW工法需将盾构始发洞门范围内连续墙用FFU材料制成的部件来替代,根据围护结构受力条件和FFU材料的物理力学指标,采用了柱列式部件,在洞门范围内布置了6条由FFU材料制成的柱形部件,如图1所示。FFU部件由日本积水化学公司生产,部件与连续墙钢筋的连接器生产好后运至国内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)的地下连续墙时,由于FFU材料的特点对连续墙施工提出了如下要求:
(1)连续墙成槽。确保沟壁的挖掘精度在1/500以上;挖掘时1个槽段的宽度约为7m,要控制泥浆的比重和挖掘速度,防止沙质地基在挖掘沟壁时坍塌。
(2)组装钢筋笼。在FFU部件的连接部将钢筋(日本标准)拧入连接器中固定;将FFU部件配置在钢筋笼的规定位置(盾构机通过部分);使用气焊或电焊时,注意保护FFU部件,避免溅落上火花。FFU部件的重量约为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的配置。
(3)吊放钢筋笼。吊起FFU部件时,为防止给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、吊具等的重量,起重机要保证有充分的大臂长度和吊起能力,吊起钢筋笼时要避免FFU部件附近的钢筋笼变形或扭曲。
(4)安装钢筋笼。钢筋笼安装前清除底部沉淀物,否则会堆积在FFU部件的下面,一旦漏渗水就很难堵住,如果伴有泥沙流出,会导致背面地基塌陷等重大事故。装在钢筋笼上的FFU部件表面上如果有加固材料(钢材),埋入时必须将其拆除。在浇筑混凝土时FFU部件会产生很大的浮力,要采取措施防止浮起或倾斜。
(5)配置混凝土导管和浇筑混凝土。在规定位置安装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;混凝土导管的前端要保持埋入混凝土中2.0~6.0m的位置;混凝土的浇筑高度要经常用检尺检查,特别是在浇筑FFU部件部分的混凝土时,严格控制FFU部件间的浇筑高度;FF部件部分的混凝土浇筑速度应在4m/h以下。
3.3盾构始发掘进
由于盾构隧道为55‰的下坡,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板材墙壁形成一定的夹角(如图2)。在刀盘切削过程中,FFU上端先被切削,此后便处于单侧悬臂状态,由于盾构机推力作用,FFU材料部件在上部被切削完后会出现块状崩溃(板状、块状的破碎片)。
(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,因此要保证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)由于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的掘进管理。
针对上述风险应采取以下措施:
(1)由于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材料出现块状崩溃,在紧贴连续墙侧,采用1排Ф1000@600的三管旋喷桩,其后采用Ф500@400的搅拌桩加固,加固范围为9.5m(如图3),为刀具切削FFU时在背面提供足够的反力。
(2)为防止在刀盘转动时破坏洞门处的橡胶止水布帘,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的距离,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,可采用逆循环方式的环流状态,把FFU悬浮物排出后,再采用正常模式掘进。
始发时的掘进参数管理:①从刀具开始切削FFU材料开始,至切削FFU材料结束为止,盾构机的推进速度不宜过快,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材料时的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工法的应用效果与分析
由于增设了钢套筒,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,很好的建立了切口水压。当刀具切削FFU时,切削的碎屑没有象之前所担心的由于其比重较轻而不能排出的情况。当FFU部件被切削了一半时开仓检查了切削效果,土仓内除了碎屑外还出现了较多的长条状FFU,最长的达到了830mm,较难从排泥管排出的,采用了人工捡出。当FFU部件被全部切削完了时,再次开仓进行了检查,土仓内充满了长条状FFU材料,泥浆表面被厚达40cm的泡沫所覆盖。
为了保证盾构过江时切口水压的稳定,防止长条FFU材料堵管造成切口水压波动而击穿江底覆盖层,所有的长条状FFU材料均被打捞出来,保证了盾构过江的安全。
通过SEW工法的应用,分析导致出现长条状FFU材料的可能是:
(1)由于隧道呈55‰的下坡,而安装有FFU部件的连续墙是竖直的,盾构机平行隧道轴线始发,刀盘与FFU板材形成一定的夹角,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,此后便处于下部悬臂状态,在刀具的不均匀切削作用下,FFU从上而下被刀具拆断形成长条状。
(2)盾构机的推力过大,或掘进速度过快,导致FFU材料被刀具拉断而不是被切削。
5.结束语
通过SEW工法的应用,SEW工法与传统的始发工法相比具有相当大的优越性,FFU材料性能能够完全替代传统的围护结构,被切削能力强,解决了盾构机不能直接始发掘进的难题,免除了端头加固、洞门凿除等工序,施工安全、进度快,如果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,主要考虑切削的碎屑能否排出,不要出现大块的FFU材料,防止堵管导致切口水压波动过大,尤其是过江掘进时。要求隧道的纵坡不要太大,能基本与连续墙垂直,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部件后面提供足够的反力,避免FFU部件被刀具推力直接推断。
(2)SEW工法更适合用于盾构到达井,当地面不具备端头加固条件时,不须考虑FFU材料的排出风险。
(3)SEW工法更适合于土压平衡式盾构。
(4)如果后续隧道不是过江段,或覆盖层较厚,则更适合采用SEW工法。
(5)SEW工法对于隧道埋深较深的盾构法隧道更适宜,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、进度更快。因为后者随着深度加深,其加固效果更差而成本会更高,而SEW工法则基本不会增加成本。
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