SEW 工法原理及其國(guó)內(nèi)應(yīng)用效果分析

韓延飛

(廣東省環(huán)境工程裝備總公司，廣東廣州 510635)

地鐵土建施工中，盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)安全是涉及工程成敗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前國(guó)內(nèi)主要是通過(guò)始發(fā)端與到達(dá)端地層的加固來(lái)達(dá)到洞口鑿除后掘進(jìn)面地層的穩(wěn)定，端頭地層的加固方法通常采用固結(jié)注漿法、攪拌樁或旋噴樁法、冷凍法等。上述加固方法必須保證有足夠的加固場(chǎng)地，另外在加固效果、環(huán)境保護(hù)、工程成本等方面各自存在著一些問(wèn)題，因此人們迫切希望能有一種工期短、造價(jià)低、施工安全性高的盾構(gòu)新工法問(wèn)世。SEW工法就是在化學(xué)合成復(fù)合材料ffu基礎(chǔ)上誕生的一種滿足盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)需求的新工法。

1 SEW工法理論基礎(chǔ)分析

1．1 SEW工法技術(shù)要求

SEW工法是在圍護(hù)結(jié)構(gòu)洞門(mén)范圍內(nèi)預(yù)先安裝ffu材料部件來(lái)替代傳統(tǒng)墻材，可使盾構(gòu)直接切削ffu部件進(jìn)行始發(fā)、到達(dá)的施工工法。作為替代墻體材料，ffu部件顯然應(yīng)具備以下技術(shù)要求:

1)ffu部件的厚度不大于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的厚度;2)ffu部件應(yīng)保持圍護(hù)結(jié)構(gòu)的性能，即其強(qiáng)度＞外側(cè)土體壓力+水壓力;3)ffu部件應(yīng)具備可切削性。即用一般的盾構(gòu)機(jī)刀具切削時(shí)，對(duì)刀具壽命無(wú)影響。

在滿足上述要求同時(shí)，ffu材料還具備較高的止水性能，所以SEW工法不僅能夠免除洞門(mén)鑿除給工程帶來(lái)的端頭地層失穩(wěn)、涌水等風(fēng)險(xiǎn)，還能在一定程度上減小端頭加固范圍，甚至取消端頭加固，降低了周邊環(huán)境條件、管線條件對(duì)工程的制約。SEW工法ffu部件布置示意圖見(jiàn)圖1。

1．2 ffu材料性能

從表1可知，用于SEW工法的ffu部件在物理性能上具有以下幾方面特點(diǎn):1)具有較輕的單位質(zhì)量，約為混凝土的1/3．4;2)具有較高的彎曲強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度;3)具有較低的剪切強(qiáng)度。

SEW工法正是利用了ffu部件作為替代墻材所具備的高彎曲強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度來(lái)保持圍護(hù)結(jié)構(gòu)的性能，利用其較低的剪切強(qiáng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)時(shí)刀具對(duì)墻體的直接切削。

1．3 SEW工法墻體類別

地鐵施工中，盾構(gòu)井圍護(hù)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式主要有地下連續(xù)墻、鉆(沖)孔樁、SMW樁等，結(jié)構(gòu)形式不同，SEW工法ffu部件的連接方式與施工方法也不同。

表1 SEW工法用ffu部件物理性能

為保證SEW工法墻體具有良好的止水能力，一般推薦在連續(xù)性好的地下連續(xù)墻與SMW樁結(jié)構(gòu)中使用。SEW工法在地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)中應(yīng)用時(shí)，除ffu部件外，其他部位的芯材均為鋼筋籠。

SEW工法在SMW樁結(jié)構(gòu)中應(yīng)用時(shí)，除ffu部件外，其他部位的芯材均為H型鋼，因此，應(yīng)考慮ffu部件與H型鋼的連接問(wèn)題，即連接后芯材能夠順利插入水泥土中的問(wèn)題。

1．4 SEW工法設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1)ffu部件斷面尺寸。

SMW樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)中:

ffu部件壁厚=H型鋼高度;ffu部件寬度=H型鋼翼板寬度。

連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)中:

ffu部件壁厚=連續(xù)墻厚度－50 mm×2－連接部鋼板厚度×2;ffu部件寬度不小于400 mm。

2)彎曲應(yīng)力的計(jì)算。

為保證盾構(gòu)始發(fā)或到達(dá)前，ffu部件在正常水土壓力下的抗彎能力，需在圍護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩計(jì)算的基礎(chǔ)上，進(jìn)行ffu部件的彎曲應(yīng)力核算。

其中，σfb為作用在 ffu部件上的彎曲應(yīng)力值，N/mm2;σfba為ffu部件的彎曲應(yīng)力容許值;Mmax為作用在ffu部件上的最大彎矩，kN·m;Nmax為作用在ffu部件上的最大軸力，kN;Z為斷面系數(shù);A為斷面面積。

3)剪切應(yīng)力的計(jì)算。

為保證盾構(gòu)始發(fā)或到達(dá)前，ffu部件在正常水土壓力下的抗剪能力，需在圍護(hù)結(jié)構(gòu)剪力計(jì)算的基礎(chǔ)上，進(jìn)行ffu部件的剪切應(yīng)力核算。

其中，τf2為作用在ffu部件上的剪切應(yīng)力值，N/mm2;τf2a為ffu部件的容許剪切應(yīng)力值，N/mm2;Vmax為作用在ffu部件上的最大剪力，kN。

4)墻后地層的加固。

對(duì)墻后地層進(jìn)行一定范圍加固在SEW工法中有時(shí)也是必要的，加固的目的主要是解決以下問(wèn)題:a．盾構(gòu)始發(fā)端。防止進(jìn)行墻體切削前，墻體背后地層受擾動(dòng)造成墻體產(chǎn)生過(guò)大變形;為盾構(gòu)切削作業(yè)提供足夠的背后抗力，防止切削面受力不均，產(chǎn)生較大的混凝土塊及ffu塊，造成排出困難。b．盾構(gòu)接收端。防止進(jìn)行墻體切削前，墻體背后地層受擾動(dòng)造成墻體產(chǎn)生過(guò)大變形;降低盾構(gòu)在SEW工法施工前的推進(jìn)速度。通常盾構(gòu)正常推進(jìn)速度在20 mm/min以上，但SEW工法在墻體切削時(shí)為了達(dá)到對(duì)墻體良好的切削效果，要求推進(jìn)速度控制在2 mm/min～3 mm/min。

SEW工法端頭地層的加固范圍在隧道縱向一般要求L≥D/2，D為盾構(gòu)機(jī)外徑長(zhǎng)度，加固寬度的確定同傳統(tǒng)方法。

2 廣州地鐵應(yīng)用實(shí)施效果分析

SEW工法在五號(hào)線大坦沙～西場(chǎng)區(qū)間的泥水盾構(gòu)始發(fā)施工雖然最終取得了成功，但實(shí)施過(guò)程中出現(xiàn)了一些未曾預(yù)料到的情況，給施工造成一定影響，如出現(xiàn)大塊的混凝土及ffu材料剝落、排漿管路堵塞、泥漿池產(chǎn)生大量泡沫。

2．1 大塊混凝土及ffu材料剝落分析

切削施工中，發(fā)現(xiàn)泥水艙有大塊ffu切削碎片(最大長(zhǎng)度約為800 mm)，由于無(wú)法順利隨泥漿排出，曾造成泥漿管路堵塞;切削作業(yè)完成后進(jìn)行檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)泥水艙內(nèi)有更大的ffu切削碎片(長(zhǎng)度約為1 200 mm)，且艙下方聚積有混凝土塊。考慮到降低盾構(gòu)穿越珠江施工風(fēng)險(xiǎn)(江底下方約5 m)，提前對(duì)ffu切削碎片及混凝土塊進(jìn)行了開(kāi)艙清除。

2．1．1 成因分析

1)盾構(gòu)刀具配置上中心先行刀比齒刀長(zhǎng)80 mm，刀具間刀頭差造成SEW墻體非均勻受力，而是先產(chǎn)生局部破裂;2)與ffu部件的高度韌性相比，ffu部件之間的混凝土壓縮強(qiáng)度高，但易碎，切削作業(yè)中混凝土先于ffu部件破裂，在切削后期ffu部件變薄，刀盤(pán)回轉(zhuǎn)方向的反作用力減小，ffu橫著折斷;3)SEW墻體為豎直，而本段區(qū)間線路設(shè)計(jì)縱坡高達(dá)55‰，造成刀盤(pán)面板與SEW墻面形成夾角，雖然有可能通過(guò)措施彌補(bǔ)這一情況造成的影響，但從現(xiàn)場(chǎng)切削效果看，上部先于下部切削完，這與ffu部件墻體纖維逐層均勻剝離的理想狀態(tài)相差較大。

2．1．2 工程解決措施

1)在不影響對(duì)區(qū)間全段工程適應(yīng)性基礎(chǔ)上，刀具選型配置盡可能考慮與SEW工法的協(xié)調(diào)性;2)減小盾構(gòu)的推力，并降低切削速度;3)將ffu部件側(cè)面設(shè)計(jì)成凹凸?fàn)睿岣邩?gòu)件與混凝土的附著力，使其結(jié)合成一體易于切削;4)在滿足ffu部件對(duì)背后水土壓力具有足夠的抵抗力前提下，在ffu部件背面切入等長(zhǎng)預(yù)切切口。

2．2 排漿管路堵塞分析

2．2．1 成因分析

大塊的ffu及混凝土塊碎屑產(chǎn)生后，將根據(jù)其形狀的大小一部分留在泥水艙內(nèi)，另一部分與排漿管直徑接近的會(huì)隨泥漿進(jìn)入泥漿管路中。聚積在泥水艙內(nèi)的ffu及混凝土塊碎屑可能造成排漿口的堵塞;而進(jìn)入排漿管中的大塊ffu及混凝土塊碎屑則可能造成管路的堵塞。

2．2．2 工程解決措施

1)泥漿流動(dòng)不暢時(shí)進(jìn)行回流處理，如無(wú)效，則查清阻塞是發(fā)生在艙內(nèi)還是管路中，然后進(jìn)行開(kāi)艙或拆管清除;2)為防止大塊的ffu及混凝土塊碎屑在排泥管中造成堵塞，在盾構(gòu)機(jī)附近設(shè)置一個(gè)裝有濾網(wǎng)的采石箱。濾網(wǎng)設(shè)計(jì)成令圓形ffu碎屑難通過(guò)的結(jié)構(gòu);3)安裝一臺(tái)攪動(dòng)器，分散集中在排泥口處的ffu構(gòu)件的碎片及混凝土塊;4)在切削刀頭的背面安裝一個(gè)攪拌棒，攪動(dòng)聚積在室內(nèi)下面的混凝土塊。

2．3 泥漿池產(chǎn)生大量泡沫分析

本工程地面泥漿池設(shè)計(jì)比SEW工法在日本使用時(shí)的泥漿池大幾倍以上，且泥漿泵吸水口設(shè)置于泥漿槽下方，預(yù)計(jì)即使產(chǎn)生少量泡沫，也不會(huì)堵塞泥漿泵。但施工中產(chǎn)生的泡沫量遠(yuǎn)超預(yù)料，導(dǎo)致停止盾構(gòu)作業(yè)，進(jìn)行泡沫清除。

1)成因分析。施工中雖是采用的大型泥漿池，但由于中間被細(xì)小分割，加之ffu比重較輕(0．74)，切削成粉末狀后易與空氣混合堆積于泥漿表面，造成ffu匯集于泥漿排放口隔板處，從而產(chǎn)生大量泡沫。另外，盾構(gòu)切削的ffu既有較大的切削碎片也有小粉末，小粉末的形狀復(fù)雜多樣，在水中攪拌時(shí)，很多氣泡會(huì)附著在粉末上產(chǎn)生泡沫，在泥漿中產(chǎn)生的泡沫量會(huì)更多。

2)工程解決措施。為了防止泡沫產(chǎn)生造成泥漿泵阻塞，可在泡沫產(chǎn)生時(shí)，選用有效的去泡劑加入泥漿中進(jìn)行除泡。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)國(guó)內(nèi)SEW工法的實(shí)踐，可以看出由ffu材料為主構(gòu)成的盾構(gòu)井臨時(shí)墻體，其力學(xué)性能是能夠滿足工程需要的。對(duì)今后SEW工法的使用，應(yīng)事先分析其對(duì)工程和設(shè)備的適應(yīng)性。從盾構(gòu)形式上看，土壓盾構(gòu)對(duì)SEW工法的適應(yīng)性要更強(qiáng)一些。SEW工法在大深度盾構(gòu)隧道始發(fā)中較傳統(tǒng)方法更為安全、經(jīng)濟(jì)，規(guī)避了端頭加固效果不理想所帶來(lái)的工程風(fēng)險(xiǎn)。隨著ffu材料的國(guó)產(chǎn)化以及產(chǎn)品價(jià)格的降低，在施工場(chǎng)地受限、臨近建筑物及管線條件復(fù)雜或環(huán)保要求高的盾構(gòu)始發(fā)及到達(dá)工程中，SEW工法應(yīng)能發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)。

[1] シールド発進(jìn)到達(dá)用土留め壁(SEW)工法設(shè)計(jì)·施工指針(案)．日本:積水化學(xué)株式會(huì)社，1999．

[2] 許本安，李秀治．材料力學(xué)[M］．上海:上海交通大學(xué)出版社，1988．

[3] 張鳳祥，朱合華，傅德明．盾構(gòu)隧道[M］．北京:人民交通出版社，2004．

[4] 中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司．廣州地鐵5號(hào)線大坦沙—西場(chǎng)盾構(gòu)區(qū)間施工設(shè)計(jì)[Z］．2006．