張振光， 徐 杰,*， 汪 盛， 蔣海里， 郝 亮， 付武榮

(1. 上海公路橋梁(集團(tuán))有限公司， 上海 200433； 2. 上海城市基礎(chǔ)設(shè)施更新工程技術(shù)研究中心， 上海 200032； 3. 南京市建鄴區(qū)高新科技投資集團(tuán)有限公司， 江蘇 南京 210019)

0 引言

近年來，開發(fā)利用深層地下空間成為熱點(diǎn)，一系列應(yīng)用場景隨之被提出。傳統(tǒng)的豎井建造工藝如地下連續(xù)墻、樁基等受場地及環(huán)境保護(hù)等級限制，其局限性愈發(fā)凸顯。

沉井工藝作為豎井常用的施工工藝，依靠豎井自身重力，或額外施加的外力克服井壁摩阻力，或同時借助空氣幕、觸變泥漿套等措施使豎井下沉到設(shè)計標(biāo)高。沉井構(gòu)造簡單、施工場地較小，但因其是一個動態(tài)施工的基礎(chǔ)工程，在施工過程中往往會出現(xiàn)諸如偏斜、突沉、滯沉、超沉等問題[1-6]。

在應(yīng)用時，沉井工法被質(zhì)疑最多的是其下沉過程對周圍土體造成的較大且不可控的擾動破壞[7]。國內(nèi)外諸多學(xué)者采用數(shù)值模擬對沉井井周的土層變形量進(jìn)行了預(yù)測，其中，戴根寶等[8]采用三維有限差分方法，張玉生[9]選用黏彈性的擴(kuò)展的開爾文模型，馮兆祥等[10]采用ABAQUS，鄧友生等[11]采用Midas/GTS，萬昌中等[12-13]利用ADINA，Li等[14]采用Plaxis3D，Lai等[15]采用歐拉-拉格朗日耦合法，Sun等[16]采用Mohr-Coulomb模型，Wang等[17]基于離散單元法、采用顆粒流程序進(jìn)行變形預(yù)測。

對豎井結(jié)構(gòu)本身，基于“時空效應(yīng)”，需要在下沉過程中實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的快速建造，因此，裝配式理念被引入，并衍生出多種裝配形式，比較成熟的應(yīng)用有澳大利亞Humes公司以及英國FP McCann公司的產(chǎn)品。但是，現(xiàn)有的裝配式管片設(shè)計包含諸多特殊功能塊，連接形式不易操作，且傳統(tǒng)沉井助沉措施與裝配式管片拼裝存在沖突。

為解決傳統(tǒng)沉井下沉阻力大、姿態(tài)不受控、對環(huán)境擾動大等缺點(diǎn)，本文介紹一種全新的全自動機(jī)械式豎井掘進(jìn)技術(shù)，其采用不排水開挖、沉井整體懸吊下沉、機(jī)械臂搭配銑筒切削地層、井筒預(yù)制裝配式拼裝等理念，對于諸多軟弱或擾動易失穩(wěn)的工況具有極強(qiáng)的適應(yīng)性。同時，以南京市建鄴區(qū)超深裝配式豎井工程為例，詳細(xì)介紹富水地層超深裝配式豎井不排水施工關(guān)鍵技術(shù)；并基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析新型豎井掘進(jìn)技術(shù)對周邊地層的影響，為后續(xù)采取相應(yīng)的控制措施提供技術(shù)支持，以期開拓沉井施工新的應(yīng)用時代。

1 工程概況

南京某沉井式停車設(shè)施建設(shè)項目采用水下全自動機(jī)械式豎井掘進(jìn)技術(shù)施工預(yù)制裝配式豎井。豎井橫斷面為圓形，內(nèi)徑12 m，外徑12.8 m，壁厚0.4 m；豎井結(jié)構(gòu)縱向尺寸為63 m，包括3 m的刃腳以及40環(huán)管節(jié)；豎井不排水、素混凝土一次封底厚度為6 m，其中刃腳底以下封底厚度為3 m；豎井頂部為2 m高的后澆結(jié)構(gòu)，因此，豎井實(shí)際掘進(jìn)深度為68 m；豎井頂部設(shè)置圈梁，用于承載豎井結(jié)構(gòu)和豎井掘進(jìn)機(jī)的有效自重。裝配式豎井結(jié)構(gòu)剖面如圖1所示。

豎井結(jié)構(gòu)采用預(yù)制混凝土管片拼裝而成，每一環(huán)由6塊管片通過環(huán)向螺栓連接，環(huán)高1.5 m；環(huán)間通過縱向螺栓連接，設(shè)置剪力銷增強(qiáng)豎井抗剪能力；每塊管片中心分塊角度為60°，質(zhì)量約為9.7 t。由于豎井結(jié)構(gòu)軸線方向完全垂直，管片的寬度方向不設(shè)楔形量，即保持1.5 m環(huán)寬不變，管片拼裝示意如圖2所示。

圖2 管片拼裝示意圖

本工程豎井結(jié)構(gòu)水平方向只受周邊水土壓力，在理想狀態(tài)下圓環(huán)受到均勻壓力的作用，只產(chǎn)生軸力，沒有彎矩。考慮到土層性質(zhì)的不均勻性對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，假定在互成90°的2點(diǎn)處土體的內(nèi)摩擦角差值為10°，以此為背景，選用合適的參數(shù)進(jìn)行計算。

管片計算選取埋深較大的第3環(huán)為對象，管片深度為58.3 m，位于⑤1強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖中。地層抗力取3 000 kN/m3，通過有限元模擬得出彎矩最大值為212 kN·m、軸力最大值為5 060 kN。根據(jù)上述工況的內(nèi)力，按結(jié)構(gòu)裂縫和強(qiáng)度雙控進(jìn)行配筋計算。彎矩調(diào)整系數(shù)ξ取0.3，荷載分項系數(shù)恒載取1.35，重要性系數(shù)取1.1。

經(jīng)計算，裂縫為控制因素，主筋面積為3 810 mm2，實(shí)配鋼筋為4φ25 mm+6φ22 mm，面積為4 244 mm2，滿足要求。因此，400 mm厚的管片在滿足上述配筋的條件下，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計要求。

封底混凝土設(shè)計厚度為6 m，地下水位考慮標(biāo)高為5.300 m，封底混凝土底標(biāo)高為-61.950 m，水深為67.25 m?？紤]封底混凝土與刃腳接觸面位置封底混凝土本身抗剪，為受力最薄弱處。此處封底混凝土厚度約為4 200 mm，剪力設(shè)計值安全系數(shù)取1.27，根據(jù)混凝土受剪承載力計算公式計算封底混凝土抗剪能力，計算結(jié)果如表1所示。由表1可知，計算結(jié)果滿足要求。

表1 封底混凝土抗剪能力計算結(jié)果

2 工程概況及水文地質(zhì)情況

2.1 地質(zhì)概況

本工程所在區(qū)域地貌單元屬長江漫灘，豎井向下穿越地層較多，包括上覆的②2軟弱淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，巨厚的②3、②5粉細(xì)砂層帶微承壓水，粒徑10～100 mm的④卵礫石層，下伏的⑤強(qiáng)—中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖，為典型的軟硬差異較大的復(fù)合地層。掘進(jìn)過程中，對于豎井的姿態(tài)控制、掘進(jìn)設(shè)備的參數(shù)設(shè)置等提出較高要求。豎井掘進(jìn)穿越段各土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表2。

表2 土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

2.2 水文地質(zhì)

場地地下水類型主要為潛水和承壓水。潛水主要賦存于①1、①2層表層填土及第四系沉積的②2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土中，穩(wěn)定水位埋深為3.50～3.60 m。承壓水主要賦存于②3層粉細(xì)砂，②5層粉細(xì)砂，②6層粉土、粉砂夾粉質(zhì)黏土，④1層中粗砂混卵礫石和④2層卵礫石中，以②2層為頂部隔水層，基巖為底部隔水層。承壓水含水層水量豐富、透水性較好、厚度大，以上部潛水垂向越流補(bǔ)給、長江等地表水系的側(cè)向徑流補(bǔ)給為主要來源，以側(cè)向徑流形式為主要排泄方式。

3 豎井水下機(jī)械法掘進(jìn)設(shè)備系統(tǒng)及主要施工工序

3.1 掘進(jìn)設(shè)備系統(tǒng)組成

全自動機(jī)械式豎井掘進(jìn)系統(tǒng)主要包括豎井掘進(jìn)機(jī)、沉降單元、供給卷揚(yáng)塔、回收卷揚(yáng)及泥水分離系統(tǒng)，如圖3所示。

1)沉降單元。通過鋼絞線與刃腳相連，在豎井下沉過程中負(fù)荷豎井及豎井掘進(jìn)機(jī)的有效自重，可使豎井結(jié)構(gòu)按預(yù)控值穩(wěn)定受控下沉。沉降單元由一個用于驅(qū)動鋼絞線行程的活塞油缸和2套夾緊裝置組成，并固定于圈梁之上。

2)回收卷揚(yáng)。用于將豎井掘進(jìn)機(jī)從井筒底部回收至地面。

3)供給卷揚(yáng)塔。由具有制動功能的液壓驅(qū)動裝置和能量鏈組成，主要作用是在豎井下沉過程中通過能量鏈向豎井掘進(jìn)機(jī)輸送液壓油、電力、潤滑油和循環(huán)泥漿。

豎井掘進(jìn)機(jī)吊裝至井筒內(nèi)，由3條可伸縮鋼梁通過預(yù)埋件固定于第1、2環(huán)管片內(nèi)壁之上。豎井掘進(jìn)機(jī)底部的可旋轉(zhuǎn)伸縮臂可伸長1 000 mm，并可沿垂直軸旋轉(zhuǎn)±190°；伸縮臂端部安裝有銑筒，可配置適合不同地質(zhì)條件的截齒。豎井掘進(jìn)機(jī)詳細(xì)技術(shù)參數(shù)如表3所示。

圖3 全自動機(jī)械式豎井掘進(jìn)系統(tǒng)概覽

表3 豎井掘進(jìn)機(jī)技術(shù)參數(shù)

3.2 水下機(jī)械法掘進(jìn)施工原理

豎井掘進(jìn)機(jī)采用全密封形式與外部水環(huán)境相隔，能在高水壓下工作。在整個掘進(jìn)下沉過程中，豎井掘進(jìn)機(jī)始終在豎井底部通過伸縮臂驅(qū)動銑筒切削地層。伸縮臂可按設(shè)定自動執(zhí)行上轉(zhuǎn)、下轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)動作，可完成整個豎井?dāng)嗝娴耐诰蛞约耙欢ǔ?。借助銑筒底部的大功率吸漿泵，將泥漿泵送至地面上的泥水分離系統(tǒng)。掘進(jìn)過程保持井筒內(nèi)的液位始終高于周邊地層地下水位2～3 m。

超挖形成的豎井外壁與地層之間的環(huán)狀間隙以膨潤土漿液填充，與井筒內(nèi)的泥漿(相對密度控制在1.18以上)、地下水位共同形成一種穩(wěn)定的水力狀態(tài)。

豎井依靠自重下沉，同時通過沉降單元帶動鋼絞線使下沉處于受控狀態(tài)；豎井始終懸浮于泥漿池中，可忽略側(cè)摩阻力。預(yù)制混凝土管片始終在豎井頂部拼裝，且環(huán)向螺栓手孔置于管片外側(cè)，作業(yè)人員在掘進(jìn)全程無需進(jìn)入井筒內(nèi)。豎井掘進(jìn)機(jī)施工過程中，可通過回收卷揚(yáng)自豎井底部回收至地面以上進(jìn)行檢修以及更換刀具。通過以上的一系列操作，可實(shí)現(xiàn)豎井的水下全自動機(jī)械式掘進(jìn)下沉施工，施工原理如圖4所示。

圖4 豎井不排水施工原理圖

3.3 裝配式豎井不排水施工工序

裝配式豎井不排水施工工序如圖5所示。

3.3.1 地基加固

由于全自動機(jī)械式掘進(jìn)施工需要圈梁承載豎井結(jié)構(gòu)和豎井掘進(jìn)機(jī)的有效自重，因此圈梁下方的地基需要有足夠的承載力，當(dāng)原狀地基承載力不足時需進(jìn)行地基加固。地基加固可采用水泥土攪拌樁，也可采用鉆孔灌注樁或管樁，以應(yīng)對較軟弱的地基。

3.3.2 刃腳施工

刃腳高度3 m，內(nèi)徑12 m，厚度與管片一致，為400 mm，底部為45°向外的楔形結(jié)構(gòu)，起一定的切削地層的作用。刃腳采用鋼刃腳加預(yù)制管片組合形式。鋼刃腳設(shè)計高度為1.5 m，利用鋼肋條代替鋼筋籠，整合錨固盒、預(yù)埋件、內(nèi)部螺桿、環(huán)形鋼板等構(gòu)件。

3.3.3 高精度設(shè)備安裝

承重圈梁施工時，同步安裝沉降單元、回收卷揚(yáng)、供給卷揚(yáng)塔設(shè)備預(yù)埋件。

首先，安裝沉降單元，連接鋼絞線，使刃腳、第1～2環(huán)管片、圈梁形成一個協(xié)同受力整體。當(dāng)鋼絞線穿束完成并夾緊后，進(jìn)行鋼絞線預(yù)張拉，使其具備一定預(yù)應(yīng)力，以使豎井始發(fā)結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)。沉降單元根據(jù)其安裝數(shù)量，在環(huán)井筒均勻分布。通常采用4個沉降單元，呈十字形分布在4個方向。

圖5 裝配式豎井不排水施工工序

值得注意的是，整套全自動機(jī)械式掘進(jìn)系統(tǒng)需要在井口密布8個配套設(shè)備。在進(jìn)行設(shè)備精確定位時，需要復(fù)核回收卷揚(yáng)的軸線以及供給卷揚(yáng)塔的邊緣與管片的中心線是否沖突，避免因定位誤差導(dǎo)致后續(xù)管片拼裝困難。豎井掘進(jìn)機(jī)及配套設(shè)備布置如圖6所示。

圖6 豎井掘進(jìn)機(jī)及配套設(shè)備布置

3.3.4 大承載力錨固體系

全自動機(jī)械式豎井掘進(jìn)技術(shù)需要將井筒通過鋼絞線始終保持懸吊狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)受控下沉的目的。因此，需要在豎井刃腳中預(yù)埋大承載力的鋼絞線錨固裝置，防止鋼絞線滑脫造成沉井姿態(tài)失控。

大承載力錨固體系由錨固盒、錨板、壓板以及夾片構(gòu)成。將鋼絞線穿過沉降單元的活塞油缸，沿井筒外壁與地層之間的空隙自上而下穿入錨固盒內(nèi)的鋼絞線通道，隨后將鋼絞線分別穿入錨板上的對應(yīng)鋼絞線孔道，將夾片包裹鋼絞線，楔入鋼絞線孔道；對單個錨固盒中的所有鋼絞線施加一向上的力，使得錨板緊緊貼住錨固盒內(nèi)的法蘭板，夾片內(nèi)側(cè)的齒紋緊緊咬住鋼絞線，同時牢牢楔入外大內(nèi)小的鋼絞線孔道中。至此，整套錨固體系構(gòu)建完成，如圖7所示。

圖7 錨固體系側(cè)視圖

待4個錨固盒內(nèi)的鋼絞線全部穿束到位后，應(yīng)對每一根鋼絞線進(jìn)行預(yù)張拉，保證所有鋼絞線能夠均勻受力。

3.3.5 素混凝土封底施工

豎井下沉到設(shè)計標(biāo)高，使用銑筒對底部開挖面進(jìn)行反復(fù)銑挖，清除浮渣使得輪廓清晰；隨后回收豎井掘進(jìn)機(jī)，采用高揚(yáng)程排污泵對底部泥漿進(jìn)行循環(huán)以降低泥漿相對密度，待底部泥漿相對密度降至1.05以下，視為清底完成。

在豎井頂部架設(shè)封底作業(yè)平臺，安裝導(dǎo)管。水下混凝土澆筑采用導(dǎo)管法對角澆筑，澆筑半徑為4.5 m左右，導(dǎo)管上頂端安裝方形漏斗?；炷撂涠纫鬄?20～240，并添加緩凝劑和微膨劑，和易性能良好，泌水率小于4%，初凝時間不低于6 h，導(dǎo)管插入到離豎井底部300～400 mm處。封底澆筑示意如圖8所示。

3.3.6 超挖間隙水泥漿液置換填充

當(dāng)封底混凝土實(shí)施完成，并達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度要求后，對井壁外作潤滑用的膨潤土漿液采用水泥漿液進(jìn)行置換。水泥漿液水灰比為1∶1，注漿量控制在理論空隙的110%～130%。置換時首先采用1環(huán)和3環(huán)的預(yù)埋注漿管，置換過程需連續(xù)，直至觀察到新鮮的水泥漿液從井口溢出為止。若注入理論注漿量的130%仍無新鮮的水泥漿液溢出，則酌情啟用21環(huán)和30環(huán)的預(yù)埋注漿管。

圖8 封底澆筑示意圖(單位： mm)

4 超深豎井水下機(jī)械法掘進(jìn)施工技術(shù)

4.1 施工主要風(fēng)險

在采用了水下全自動機(jī)械式豎井掘進(jìn)技術(shù)以后，傳統(tǒng)沉井施工中的沉井突沉、超沉或卡滯等問題已不是風(fēng)險點(diǎn)，影響施工質(zhì)量及安全的主要風(fēng)險如下：

1)需縱向穿越從軟到硬的復(fù)合地層，掘進(jìn)過程無既有經(jīng)驗(yàn)可參考，如何針對不同的地質(zhì)情況調(diào)整不同的施工參數(shù)(超挖量、單次掘進(jìn)深度、掘進(jìn)速度、下沉量等)是關(guān)鍵。

2)正常下沉階段底部為超挖狀態(tài)，在軟土層中開挖較深時應(yīng)注意開挖面的穩(wěn)定性。

3)穿越承壓水層時，注意地下水滲流對側(cè)壁以及開挖面穩(wěn)定性的影響。

4)采用管片拼裝結(jié)構(gòu)應(yīng)注意施工過程中的豎井垂直度控制，避免因軟土層側(cè)壓力系數(shù)較大引起土體發(fā)生明顯的橫向位移，導(dǎo)致豎井垂直度偏差較大，進(jìn)而產(chǎn)生較大垂直向彎矩，致使管片連接螺栓節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生較大應(yīng)力。

5)豎井下沉姿態(tài)糾偏的時效性。由于豎井深度過大，且為不排水開挖，只能通過設(shè)備內(nèi)置的傾角儀和井壁上安裝的側(cè)斜管間接觀測豎井姿態(tài)，因此偏移監(jiān)測的時效性以及糾偏的及時性需保證。

6)卵礫石層卵礫石體積分?jǐn)?shù)為40%～60%，粒徑為10～100 mm，局部最大粒徑大于100 mm，骨架顆粒分布疏密不均，極易堵塞吸漿泵的泥漿管路，掘進(jìn)過程需時刻注意吸漿泵壓力，及時調(diào)整吸漿泵流量，防止堵管。

7)切削巖石地層時，應(yīng)避免銑筒推力、轉(zhuǎn)矩過大導(dǎo)致設(shè)備受損及刀具崩壞。

8)對周邊環(huán)境的影響。傳統(tǒng)沉井對周邊沉降控制效果較差，本文介紹的新型施工工藝對環(huán)境影響的控制效果有待實(shí)際工程驗(yàn)證。

4.2 掘進(jìn)

豎井掘進(jìn)機(jī)伸縮臂銑筒寬1.5 m，本工程井筒外徑12.8 m，豎井掘進(jìn)機(jī)在開挖過程中會根據(jù)地層屬性徑向超挖50～100 mm，因此機(jī)械臂向外擺動開挖26幅，開挖幅面搭接15 cm，即可確保整個開挖面完全覆蓋。

在整個豎井充滿泥水后，無需降低地下水位，固定在伸縮臂上的銑筒在沉井的底部便可進(jìn)行地層開挖和破碎。此時，啟動泥水管路，將開挖出來的物料輸送到地面的泥水分離系統(tǒng)。泥水分離系統(tǒng)將泥水與渣土分離后，又將泥水循環(huán)注入豎井中。

豎井下沉過程中連續(xù)穿越軟硬不均的土層，分層掘進(jìn)參數(shù)如表4所示。正式掘進(jìn)時，各項參數(shù)也并非一成不變，需要在試掘進(jìn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)各參數(shù)變化規(guī)律、掘進(jìn)土層變化、實(shí)際施工需求等，由操作人員實(shí)時調(diào)整，調(diào)整邏輯如圖9所示。

表4 地層分層掘進(jìn)參數(shù)

圖9 豎井下沉掘進(jìn)施工工序

4.3 下沉

銑挖完成后立即下沉。下沉過程中，在閉合全部夾緊裝置的情況下，沉降單元內(nèi)的活塞油缸上部活塞向上延伸20 mm，以在鋼絞線上施加拉應(yīng)力，使下部夾緊裝置內(nèi)的夾片在鋼絞線摩擦力的作用下脫開釋放，此時，井筒的質(zhì)量全部作用在上部夾緊裝置之上。使油缸上部活塞緩慢下移，直至將井筒降低到先前設(shè)定的深度。完成此過程后，閉合2個夾緊裝置。

設(shè)備在掘進(jìn)過程中每50 min可開挖完成整個斷面，隨后的井筒下沉?xí)r間約為5 min，理論上可在1 h內(nèi)完成1次開挖掘進(jìn)過程。不斷重復(fù)以上流程，直至豎井下沉到設(shè)計標(biāo)高。

刃腳楔形設(shè)計，伸縮臂及銑筒在豎井刃腳以下的超挖，連同井壁外側(cè)環(huán)狀間隙中的膨潤土，共同降低了豎井外壁與周圍地層之間的摩阻力。

4.4 管片拼裝

利用預(yù)制管片進(jìn)行裝配可大大提高效率。通常，拼裝2環(huán)(即3 m高)管片用時約4 h，而施工同樣高度的現(xiàn)澆環(huán)則用時需增加數(shù)倍(包括鋼筋綁扎、鋼模安裝、混凝土澆筑及養(yǎng)護(hù)、拆模)，且用工數(shù)量前者也大大少于后者。同時，預(yù)制裝配式豎井整圓度也優(yōu)于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，這對隨后沉井下沉過程的均勻超挖將起到極大的作用。但是，相對而言，現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)的整體性以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度優(yōu)于裝配式結(jié)構(gòu)，因此，建議在不同應(yīng)用場景靈活選擇2種形式。

預(yù)制管片塊與塊間以2根M27的環(huán)向螺栓緊密相連。環(huán)與環(huán)間以18根M27的縱向螺栓相連，6塊管片以“3上3下”的形式進(jìn)行拼裝，如圖10所示。為了提高豎井結(jié)構(gòu)豎向及橫向的整體剛度，環(huán)間采用錯縫拼裝，相鄰環(huán)間的旋轉(zhuǎn)角度為20°。錯縫拼裝具有圓環(huán)管片接縫剛度分布趨于均勻、圓環(huán)整體剛度高、接縫及整體結(jié)構(gòu)變形小等優(yōu)點(diǎn)。

圖10 豎井管片拼裝

在管片的內(nèi)弧面?zhèn)仍O(shè)置1道三元乙丙橡膠止水帶。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，管片接縫在張開6 mm、錯臺10 mm的工況下，防水壓力依然能達(dá)到1.2 MPa以上，滿足結(jié)構(gòu)防水需求。

管片由起重機(jī)吊運(yùn)至指定位置，以剪力鞘為定位基準(zhǔn)，將上下管片對齊，并插入相應(yīng)縱向螺栓進(jìn)行臨時固定。相鄰2塊管片就位后，將環(huán)向螺栓依次插入相鄰管片拼縫處的手孔中進(jìn)行固定。

4.5 姿態(tài)控制及糾偏工藝

4.5.1 豎井多重姿態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)

豎井設(shè)置了多重姿態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，具體可以分為上部、下部、整體3個環(huán)節(jié)。深井的上部姿態(tài)監(jiān)控包含了井筒頂部各點(diǎn)位的高差、井筒外弧面與地面圈梁結(jié)構(gòu)內(nèi)弧面的間距、頂部管片的垂直度等；下部的姿態(tài)監(jiān)控則以豎井掘進(jìn)機(jī)內(nèi)的傾角計為主，由豎井掘進(jìn)機(jī)與豎井底部結(jié)構(gòu)連接固定，通過獲取x、y2個方向的傾斜角度讀數(shù)，可判斷豎井底部的傾斜度及走向；另外，井筒內(nèi)壁還設(shè)置了2道縱貫頂?shù)椎臏y斜管進(jìn)行整體的姿態(tài)監(jiān)控。

在實(shí)際施工中，時效性最強(qiáng)、最有參考價值的監(jiān)測數(shù)據(jù)來自測斜儀以及傾角計。2種判定豎井偏移的監(jiān)測手段如圖11所示。2組坐標(biāo)軸的正方向均指示豎井底部相對于頂部的偏移方向。因此，通過2組讀數(shù)的正負(fù)以及數(shù)值大小，即可綜合判定豎井偏移方向及程度。

圖11 豎井偏移判定標(biāo)準(zhǔn)

4.5.2 豎井姿態(tài)控制措施

豎井的糾偏方法主要有2種，以圖12中的豎井偏移方向?yàn)槔?/p>

1)豎井下部向A側(cè)偏移，可以在井筒下沉?xí)r對沉降單元的油缸行程進(jìn)行控制，相對標(biāo)準(zhǔn)行程值，適當(dāng)增大A側(cè)鋼絞線行程，減少B側(cè)鋼絞線行程，直至最終監(jiān)測到偏移被消除為止。當(dāng)然這種適當(dāng)?shù)恼{(diào)整通常為每次下沉?xí)r設(shè)置1～2 mm的差值。

2)豎井掘進(jìn)機(jī)銑筒在進(jìn)行超挖時，可減小A側(cè)的超挖、適當(dāng)增大B側(cè)的超挖，使得豎井在A側(cè)地層阻力的作用下，緩慢地向B側(cè)糾正。

圖12 豎井姿態(tài)糾偏示意圖

4.6 沉降變形監(jiān)測及控制

超深裝配式豎井穿越富水復(fù)合地層的施工效果可以通過豎井周邊建筑及路面沉降監(jiān)測點(diǎn)的累積沉降量進(jìn)行分析。雙井先后下沉掘進(jìn)過程中，周邊建筑物及道路沉降值時程曲線見圖13。

(a) 沉降監(jiān)測點(diǎn)布置

(b) 沉降時程曲線

如圖13所示，將整個下沉掘進(jìn)過程劃分為6個階段： 階段Ⅰ為1#井掘進(jìn)施工，階段Ⅱ?yàn)槭┕和?，階段Ⅲ為1#井封底，階段Ⅳ為2#井導(dǎo)坑放坡開挖及無支護(hù)階段，階段Ⅴ為2#導(dǎo)坑圈梁支護(hù)階段，階段Ⅵ為2#井掘進(jìn)施工階段。由圖中可知，在2豎井的掘進(jìn)下沉階段，由于采用不排水開挖，且井筒內(nèi)液面及泥漿相對密度嚴(yán)格控制，因此，周邊幾乎不存在沉降；階段Ⅲ因?yàn)樾枰M(jìn)行封底前的降泥漿相對密度操作，破壞了井內(nèi)外水力平衡，因此出現(xiàn)相對明顯的沉降；階段Ⅳ，由于3 m深的導(dǎo)坑采用無支護(hù)開挖，且刃腳施工階段始終處于無支護(hù)狀態(tài)，因此周邊地面沉降相對較大。

總的來說，本文介紹的豎井水下機(jī)械法掘進(jìn)技術(shù)，在實(shí)際施工中對周邊環(huán)境的影響極小，推廣價值大。

5 結(jié)論與討論

本文所介紹的超深裝配式豎井的水下機(jī)械法掘進(jìn)施工工藝，施工周期短、豎井姿態(tài)控制好、對周邊環(huán)境影響小，驗(yàn)證了此種施工技術(shù)適合富水軟土地層中的超深豎井建造。具體結(jié)論如下：

1)超深豎井掘進(jìn)裝備為高度集成化的機(jī)械設(shè)備，按預(yù)設(shè)值自動化作業(yè)；豎井包括刃腳以及井壁結(jié)構(gòu)均采用預(yù)制裝配式，在保證精度的同時大大提高工效，是下一階段超深豎井設(shè)計及施工的趨勢。

2)豎井掘進(jìn)下沉過程中采用多重姿態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，能實(shí)時反映井筒的姿態(tài)，同時建立偏移判定標(biāo)準(zhǔn)及糾偏措施。

3)采用超挖配合自重下沉的模式，可完全避免井筒卡滯問題；采用4組沉降單元配合鋼絞線控制井筒下沉，有效避免軟弱土層井筒突沉的可能性。

4)采用不排水理念，有效控制側(cè)壁地層、開挖面的失穩(wěn)風(fēng)險以及周邊地面沉降。

5)相比常規(guī)的沉井施工工藝，本文所介紹的豎井水下機(jī)械法掘進(jìn)施工技術(shù)，在施工用地的集約化、施工影響的微擾動等方面明顯占優(yōu)勢，豎井姿態(tài)及軸線控制精度明顯提高。

目前，對于穿越淤泥質(zhì)軟黏土層、高承壓水層時的超挖控制、側(cè)壁地層側(cè)向位移、坑底隆起等尚無工程實(shí)例予以驗(yàn)證；軟弱土層中的封底技術(shù)、裝配式豎井結(jié)構(gòu)在不均勻側(cè)向土壓力作用下的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)以及連接形式的可靠性仍需深入研究。