SEW工法在地铁盾构隧道施工中的应用

SEW 工法在地铁盾构隧道施工中的应用 陈洪祥 河海大学 土木与交通学院 江苏省 南京市 210098 摘要 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 关键词 SEW 工法 盾构 应用 Application of SEW in the Construction of Metro Shield Tunnel Chen Hongxiang Hohai University Civil and Transportation Engineering NanJing JiangSu Province 210098 China Abstract This paper briefly in troduces a new shield tunnel constructing method SEW and its FFU material which is from Japan And it was applied in the construction of China s metro shield tunnel for the first time This paper also analyzes and summarizes the effects of SEW and puts forward the proper applying conditions of SEW which can be referred to in the future shield tunnel designing and construction Key words SEW shield tunnel application 0 前言 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 1 SEW 工法 SEW 工法 Shield Earth Retaining Wall System 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 Fiber Reinforced Formed Urethane 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淤泥 淤泥质砂 层和中粗砂层 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 底部存在少量的卵石层 红层岩的强 中风化层 隧道的覆土层为 淤泥层及淤泥质砂层 2 SEW 工法的应用 2 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 2 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 10t 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 2 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 1000 600 的三 管旋喷桩 其后采用 500 400 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 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 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 3 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 6280mm 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 4 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 参考文献 1 张军 何振华 等 FFU 在盾构施工中的应