摘 要 國內地鐵盾構隧道始發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工法—SEW工法及工法所用的FFU材料,并在國內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。
1引言
為適應我國城市軌道交通的快速發展,盾構法挖掘隧道更加廣泛。盾構始發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(在暗挖隧道內始發時),冷凍法等則很少使用。
攪拌樁端頭加固,是在盾構始發井端頭影響始發范圍內(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定和止水,保證端頭在鑿除圍護結構時保持自穩;二是防止盾構機由始發托架進入土體時發生掉頭或地面沉降等現象。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,而且容易發生端頭失穩、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、新材料來代替傳統的盾構始發工法,要求新材料能替代連續墻或圍護樁,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洞門范圍內的圍護結構上,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,然后澆注混凝土。這樣,在盾構始發時直接切削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定性,在盾構始發前,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生產,國內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驗。該區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墻,周圍場地開闊,50m內無建筑物,采用2臺日本三菱泥水盾構機掘進,區間縱坡為55‰下坡,始發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工法需將盾構始發洞門范圍內連續墻用FFU材料制成的部件來替代,根據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,部件與連續墻鋼筋的連接器生產好后運至國內施工現場將連接器與連續墻鋼筋焊接。
3.2連續墻施工
在施工SEW(FFU部件)的地下連續墻時,由于FFU材料的特點對連續墻施工提出了如下要求:
(1)連續墻成槽。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。考慮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。刀盤與連續墻內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,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塊狀崩潰(板狀、塊狀的破碎片)。
(2)盾構機始發時不鑿除洞門。直接切削連續墻內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)由于連續墻背后地層為淤泥質砂和砂層,為避免在盾構機切削過程中,FFU材料出現塊狀崩潰,在緊貼連續墻側,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)為防止在刀盤轉動時破壞洞門處的橡膠止水布簾,在原設計始發洞門后增設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懸浮在泥漿上面,難于排出土倉時,可采用逆循環方式的環流狀態,把FFU懸浮物排出后,再采用正常模式掘進。
始發時的掘進參數管理: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。
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。當刀具切削FFU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,土倉內除了碎屑外還出現了較多的長條狀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部件的連續墻是豎直的,盾構機平行隧道軸線始發,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,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工法與傳統的始發工法相比具有相當大的優越性,FFU材料性能能夠完全替代傳統的圍護結構,被切削能力強,解決了盾構機不能直接始發掘進的難題,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材料能國產化,工程造價將會比傳統工法更為經濟。
(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,能基本與連續墻垂直,避免切削時FFU部件出現懸臂狀態而被刀具折斷。另在連續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,當地面不具備端頭加固條件時,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。
