SEW 工法原理及其國內(nèi)應用效果分析

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，盾構始發(fā)與到達安全是涉及工程成敗的關鍵環(huán)節(jié)。目前國內(nèi)主要是通過始發(fā)端與到達端地層的加固來達到洞口鑿除后掘進面地層的穩(wěn)定，端頭地層的加固方法通常采用固結注漿法、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地，另外在加固效果、環(huán)境保護、工程成本等方面各自存在著一些問題，因此人們迫切希望能有一種工期短、造價低、施工安全性高的盾構新工法問世。SEW工法就是在化學合成復合材料ffu基礎上誕生的一種滿足盾構始發(fā)與到達需求的新工法。

1 SEW工法理論基礎分析

1．1 SEW工法技術要求

SEW工法是在圍護結構洞門范圍內(nèi)預先安裝ffu材料部件來替代傳統(tǒng)墻材，可使盾構直接切削ffu部件進行始發(fā)、到達的施工工法。作為替代墻體材料，ffu部件顯然應具備以下技術要求:

1)ffu部件的厚度不大于圍護結構的厚度;2)ffu部件應保持圍護結構的性能，即其強度＞外側(cè)土體壓力+水壓力;3)ffu部件應具備可切削性。即用一般的盾構機刀具切削時，對刀具壽命無影響。

在滿足上述要求同時，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鑿除給工程帶來的端頭地層失穩(wěn)、涌水等風險，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、管線條件對工程的制約。SEW工法ffu部件布置示意圖見圖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:1)具有較輕的單位質(zhì)量，約為混凝土的1/3．4;2)具有較高的彎曲強度與抗壓強度;3)具有較低的剪切強度。

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度與抗壓強度來保持圍護結構的性能，利用其較低的剪切強度來實現(xiàn)盾構始發(fā)與到達時刀具對墻體的直接切削。

1．3 SEW工法墻體類別

地鐵施工中，盾構井圍護結構的結構形式主要有地下連續(xù)墻、鉆(沖)孔樁、SMW樁等，結構形式不同，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樁結構中使用。SEW工法在地下連續(xù)墻結構中應用時，除ffu部件外，其他部位的芯材均為鋼筋籠。

SEW工法在SMW樁結構中應用時，除ffu部件外，其他部位的芯材均為H型鋼，因此，應考慮ffu部件與H型鋼的連接問題，即連接后芯材能夠順利插入水泥土中的問題。

1．4 SEW工法設計要點

1)ffu部件斷面尺寸。

SMW樁圍護結構中:

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)墻圍護結構中:

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)彎曲應力的計算。

為保證盾構始發(fā)或到達前，ffu部件在正常水土壓力下的抗彎能力，需在圍護結構彎矩計算的基礎上，進行ffu部件的彎曲應力核算。

其中，σfb為作用在 ffu部件上的彎曲應力值，N/mm2;σfba為ffu部件的彎曲應力容許值;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)剪切應力的計算。

為保證盾構始發(fā)或到達前，ffu部件在正常水土壓力下的抗剪能力，需在圍護結構剪力計算的基礎上，進行ffu部件的剪切應力核算。

其中，τf2為作用在ffu部件上的剪切應力值，N/mm2;τf2a為ffu部件的容許剪切應力值，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。

對墻后地層進行一定范圍加固在SEW工法中有時也是必要的，加固的目的主要是解決以下問題:a．盾構始發(fā)端。防止進行墻體切削前，墻體背后地層受擾動造成墻體產(chǎn)生過大變形;為盾構切削作業(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．盾構接收端。防止進行墻體切削前，墻體背后地層受擾動造成墻體產(chǎn)生過大變形;降低盾構在SEW工法施工前的推進速度。通常盾構正常推進速度在20 mm/min以上，但SEW工法在墻體切削時為了達到對墻體良好的切削效果，要求推進速度控制在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為盾構機外徑長度，加固寬度的確定同傳統(tǒng)方法。

2 廣州地鐵應用實施效果分析

SEW工法在五號線大坦沙～西場區(qū)間的泥水盾構始發(fā)施工雖然最終取得了成功，但實施過程中出現(xiàn)了一些未曾預料到的情況，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(最大長度約為800 mm)，由于無法順利隨泥漿排出，曾造成泥漿管路堵塞;切削作業(yè)完成后進行檢查時，發(fā)現(xiàn)泥水艙內(nèi)有更大的ffu切削碎片(長度約為1 200 mm)，且艙下方聚積有混凝土塊?？紤]到降低盾構穿越珠江施工風險(江底下方約5 m)，提前對ffu切削碎片及混凝土塊進行了開艙清除。

2．1．1 成因分析

1)盾構刀具配置上中心先行刀比齒刀長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)間線路設計縱坡高達55‰，造成刀盤面板與SEW墻面形成夾角，雖然有可能通過措施彌補這一情況造成的影響，但從現(xiàn)場切削效果看，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)在不影響對區(qū)間全段工程適應性基礎上，刀具選型配置盡可能考慮與SEW工法的協(xié)調(diào)性;2)減小盾構的推力，并降低切削速度;3)將ffu部件側(cè)面設計成凹凸狀，提高構件與混凝土的附著力，使其結合成一體易于切削;4)在滿足ffu部件對背后水土壓力具有足夠的抵抗力前提下，在ffu部件背面切入等長預切切口。

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隨泥漿進入泥漿管路中。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)泥漿流動不暢時進行回流處理，如無效，則查清阻塞是發(fā)生在艙內(nèi)還是管路中，然后進行開艙或拆管清除;2)為防止大塊的ffu及混凝土塊碎屑在排泥管中造成堵塞，在盾構機附近設置一個裝有濾網(wǎng)的采石箱。濾網(wǎng)設計成令圓形ffu碎屑難通過的結構;3)安裝一臺攪動器，分散集中在排泥口處的ffu構件的碎片及混凝土塊;4)在切削刀頭的背面安裝一個攪拌棒，攪動聚積在室內(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計比SEW工法在日本使用時的泥漿池大幾倍以上，且泥漿泵吸水口設置于泥漿槽下方，預計即使產(chǎn)生少量泡沫，也不會堵塞泥漿泵。但施工中產(chǎn)生的泡沫量遠超預料，導致停止盾構作業(yè)，進行泡沫清除。

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，小粉末的形狀復雜多樣，在水中攪拌時，很多氣泡會附著在粉末上產(chǎn)生泡沫，在泥漿中產(chǎn)生的泡沫量會更多。

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，選用有效的去泡劑加入泥漿中進行除泡。

3 結語

通過國內(nèi)SEW工法的實踐，可以看出由ffu材料為主構成的盾構井臨時墻體，其力學性能是能夠滿足工程需要的。對今后SEW工法的使用，應事先分析其對工程和設備的適應性。從盾構形式上看，土壓盾構對SEW工法的適應性要更強一些。SEW工法在大深度盾構隧道始發(fā)中較傳統(tǒng)方法更為安全、經(jīng)濟，規(guī)避了端頭加固效果不理想所帶來的工程風險。隨著ffu材料的國產(chǎn)化以及產(chǎn)品價格的降低，在施工場地受限、臨近建筑物及管線條件復雜或環(huán)保要求高的盾構始發(fā)及到達工程中，SEW工法應能發(fā)揮其優(yōu)點。

[1] シールド発進到達用土留め壁(SEW)工法設計·施工指針(案)．日本:積水化學株式會社，1999．

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

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

[4] 中鐵隧道勘測設計院有限公司．廣州地鐵5號線大坦沙—西場盾構區(qū)間施工設計[Z］．2006．