淺談沉井施工方法研究及新工藝設(shè)計

韓雅海

（上海隧道工程有限公司，上海 201103）

1 沉井施工發(fā)展及現(xiàn)狀

1.1 沉井工藝的發(fā)展

沉井施工工藝是一種目前較為成熟的豎井施工方法，該工藝自20 世紀(jì)40 ～70 年代起便由日本先采用噴射高壓空氣(即氣囊法)的方法降低井壁與土層之間的摩阻力,而使沉井下沉深度超過200m。而如今經(jīng)過一個世紀(jì)的技術(shù)發(fā)展，目前沉井施工已發(fā)展成熟，為適應(yīng)在不同地質(zhì)情況及施工環(huán)境下的施工要求，沉井施工方法及設(shè)備已經(jīng)過數(shù)次更新迭代。目前，在深豎井施工方法中已成為主流的深豎井施工方法，管材形式也已不再僅限于混凝土管節(jié)，可采用鋼管節(jié)、管片、現(xiàn)場澆筑等形式。目前國內(nèi)最大規(guī)模的沉井結(jié)構(gòu)為滬通鐵路大橋主橋墩，尺寸已能達到底部長86.9m，底寬58.7m，總高56m，29 號墩鋼沉井自重約11257t。

1.2 沉井工藝適用范圍及優(yōu)勢

隨著我國近數(shù)十年來的高度城市化發(fā)展，城市內(nèi)各類地下結(jié)構(gòu)的建設(shè)需求旺盛，而大多數(shù)地下結(jié)構(gòu)都需要設(shè)計豎井結(jié)構(gòu)作為通風(fēng)井、施工井等功能性構(gòu)筑物，而傳統(tǒng)的明挖豎井施工方法對施工環(huán)境造成的影響較大，已無法滿足城市中心繁華地段的環(huán)保要求，而沉井工藝作為一種適用于松軟含水底層的工法在我國沿海區(qū)域城市內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，相比傳統(tǒng)的明挖豎井施工方式，沉井工藝具有以下優(yōu)勢：（1）在下沉過程中不需要大面積開挖，因此僅需較小的場地；（2）下沉過程中無須開挖大量土體極大減少了對周邊已有建筑的影響；（3）施工過程中使用的機械設(shè)備所產(chǎn)生的的噪音也較小，不會對周邊居民造成影響。

1.3 沉井工藝主要施工方法

目前，沉井工藝主要原理為采用人工及半自動化機械的方法對土體進行開挖，并將預(yù)制井體放置于刃腳上隨土體開挖逐步依靠結(jié)構(gòu)自重下沉，最后，對井底澆筑封底完成整個豎井結(jié)構(gòu)施工。而隨著近年來施工行業(yè)機械化、智能化的發(fā)展，沉井工藝也得到了改進，目前應(yīng)用較多、比較先進的市政沉井工藝方式有以下幾種工法方法及裝備。

（1）自重下沉式沉井。這種沉井施工方法是最傳統(tǒng)有效的沉井施工方法，一般主要由套井、井壁和刃腳這3 個部分組成，首先，在靠近地表預(yù)先作好的一段滿足設(shè)計要求的套井以保護井口，并在套井周圍安設(shè)導(dǎo)向鋼板并搭設(shè)潤滑泥漿注漿設(shè)備。作為下沉主體的井筒即可作為沉井的永久井壁，同時考慮到井筒在下壓需要較大的自重及整體剛度，井筒一般為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，并隨沉井下沉不斷在井口澆筑接長。最下部的鋼制刃腳則位于井筒下方，承受井筒整個重量切削土體下沉，刃腳下沉后在井壁四周形成一個環(huán)形空間，達到下沉深度以后停止排土并澆筑混凝土封底阻止再次下沉，完成整個沉井施工。目前，國內(nèi)最大的陸地沉井連鎮(zhèn)鐵路五峰山長江特大橋北錨碇的超大沉井，其北錨碇沉井長100.7m、寬72.1m、高56m，建成后重量達133 萬噸。

（2）壓入下沉沉井。壓入式沉井法主要是通過控制刃腳土體開挖量再配以輔助下沉措施進行壓入下沉，結(jié)構(gòu)采用分節(jié)澆筑、多次下沉，可分為排水開挖和不排水開挖方式。通過采用灌砂法、射水法、泥漿套法及空氣幕法等來實現(xiàn)減阻及糾偏，另外，還采用穿心千斤頂、反力樁等措施實現(xiàn)主動控制的壓入式下沉，通過保證坑內(nèi)留土，可減小周邊沉降變形。壓入法最早應(yīng)用于沉箱法施工橋梁基礎(chǔ)中，早在1989 年，于日本西高島平高架橋下部工程施工時，為解決場地狹小的問題就采用了壓入開口沉箱法。近年來，隨著施工機械設(shè)備的發(fā)展，一些市政工程也采用了壓入式沉井工法，其規(guī)模和深度呈不斷增大趨勢。國外方面，Allenby 等介紹了蘇格蘭某污水處理工程中4 個采用壓入法施工的沉井案例。Newman 等介紹了倫敦泰晤士環(huán)城水道延伸工程中隧道兩端采用壓入式沉井工法施工的工作井案例。國內(nèi)直到近幾年才出現(xiàn)了采用壓入式沉井施工的工程。采用頂管法施工的上海市污水處理白龍港片區(qū)南線東段輸送管道工程，也在其中1 個工作井采用了壓入式沉井工法。

（3）VSM 豎井掘進。VSM（下沉式豎井掘進機）是由德國海瑞克公司最新研發(fā)的下沉式豎井掘進機，最早于2012 年在北美地區(qū)首次應(yīng)用，其主要組成包括預(yù)制拼裝管節(jié)、伸縮銑挖臂、下沉控制裝置、泥水分離站、動力裝置、控制裝置等。是采用內(nèi)部結(jié)構(gòu)預(yù)制化管節(jié)，通過配有伸縮銑挖臂進行機械式切削,土渣通過土轉(zhuǎn)液裝置排至地面。地面配有泥水分離裝置，通過地面動力裝置控制管節(jié)的吊裝、下沉。在掘進下沉期間，銑挖頭在水下切削豎井底部土體，待刃腳下方土體掏空后，井身處于懸吊狀態(tài)，刃腳下部土體依靠泥漿護壁穩(wěn)定，隨后通過下沉裝置放松鋼絲繩，完成井身下沉。我國使用此類裝備的起步時間較晚，在2020 年南京市建鄴區(qū)沉井式地下智能停車庫(一期)工程項目中首次進行應(yīng)用，這也是此設(shè)備到目前為止在我國唯一一次應(yīng)用。而且，目前，國內(nèi)沒實際應(yīng)用的國產(chǎn)化設(shè)備，主要完全依靠進口設(shè)備，價格高昂。

2 沉井施工方法對比

2.1 各工藝優(yōu)勢及使用范圍

各類沉井施工工藝基本都是依靠井筒下沉完成整個沉井的施工，但在沉井結(jié)構(gòu)、下沉及挖掘方式等方面都有不同的特點及適用地質(zhì)，一般情況下，會根據(jù)不同的施工環(huán)境及地質(zhì)條件，選擇最適合的沉井工藝方法，各工法具體對比分析如表1。

表1

2.2 各工藝局限性

由于工程所處的地質(zhì)條件及施工環(huán)境大相徑庭，因此，在不同的情況下，一般會選擇最適合的施工方法，充分考慮各類工藝是否能夠適應(yīng)技術(shù)及成本要求，以充分發(fā)揮各類施工方法各自的優(yōu)勢。但以上主流工藝方法都具有一定的局限性，自重下沉式沉井由于主要依靠自重下沉，因此，下沉過程可控性較差，在實際施工中常會發(fā)生下沉困難的問題；壓入下沉沉井避免了刃腳切削力量不足的問題，但挖土過程中也可能發(fā)生突沉及超沉的情況，下沉精度控制能力較差；VSM 裝備通過懸掛式下方解決了突沉問題，但更適用于硬質(zhì)底層豎井施工，且全套設(shè)備由于進口價格很高，對項目成本有嚴(yán)格的要求。

3 APM 工法設(shè)計

3.1 APM 施工工藝

由于各類施工方法具有一定局限性，為提升沉井施工效率及質(zhì)量的同時能夠降低成本，因此，以各類施工方法的優(yōu)勢為基礎(chǔ)，吸收各套自動化設(shè)備的先進技術(shù)，提出了APM 施工工藝的設(shè)計構(gòu)想。APM 工藝全稱為主動控制型裝配式沉井裝備（以下簡稱APM），結(jié)合了自動挖土系統(tǒng)及懸掛下沉系統(tǒng)的優(yōu)勢，并采用靈活的構(gòu)造結(jié)構(gòu)設(shè)計，可適用于各種結(jié)構(gòu)類型的沉井如鋼結(jié)構(gòu)沉井、混凝土沉井等。其主要工藝原理為通過水下開挖成井工藝，采用水下機械化開挖、預(yù)制井壁下沉、水下封底等設(shè)計，實現(xiàn)沉井高度機械化的施工。不同于傳統(tǒng)的水下沉井工藝需要抓斗取土，APM 工藝類似VSM 工藝的挖掘方式，采用了水下機器人進行挖掘，且機器人固定于水下十字梁上，可通過合理的布局及挖掘區(qū)域分配，即可適用于各類形狀的沉井結(jié)構(gòu)。APM 工藝施工裝備系統(tǒng)主要包括推進懸吊系統(tǒng)、取土系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、拼裝系統(tǒng)及控制系統(tǒng)。井身為預(yù)制管節(jié)拼裝，沉井井身外壁注入減摩泥漿，井口布置推進懸吊系統(tǒng)主動控制沉井下沉，井內(nèi)采用水下機器人取土施工。

3.2 APM 施工設(shè)備

（1）推進懸吊系統(tǒng)。在井口布置的推進懸吊系統(tǒng)主要由4 組提壓裝置、壓環(huán)和液壓控制系統(tǒng)組成，施工過程中，推進懸吊系統(tǒng)主動控制沉井井身下沉的速率和行程，保證沉井的下沉過程的穩(wěn)定。整個下沉過程中，4 組提壓設(shè)備所提供的拉力及壓力均由環(huán)梁下抗拔樁提供反力。

（2）取土系統(tǒng)。取土系統(tǒng)主要由十字梁上布置的水下機器人及相應(yīng)排泥漿管路等輔助設(shè)備組成，沉井取土采用十字梁上安裝的水下機器人在沉井內(nèi)水下絞吸取土，泥漿通過設(shè)備上泥漿泵及卷盤泥漿管路泵送至地面。

（3）潤滑系統(tǒng)。在沉井井身外壁注入減摩泥漿，減少沉井下沉摩擦阻力，對沉井下沉起到助沉效果，同時，隨著沉井下沉，泥漿套同步注漿補漿。

（4）拼裝系統(tǒng)。沉井井身采用預(yù)制管節(jié)進行拼裝，現(xiàn)場采用吊車吊裝管片，并在沉井管片周邊安裝管片緊固裝置，利用該套緊固裝置對管片縫處的彈性密封墊，輔助管片拼裝成環(huán)。

（5）控制系統(tǒng)。施工操作采用了一套可視化系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了裝備和施工的各項關(guān)鍵數(shù)據(jù)與信息，用可視化的方式向操作人員直觀地表達施工情況。它具有沉井結(jié)構(gòu)參數(shù)模塊、關(guān)鍵施工參數(shù)與施工進度模塊、三維虛擬開挖模塊、刀具挖掘軌跡模塊、注漿模塊、壓力矢量模塊、土體擾動模塊、報警模塊、輔助功能模塊等，功能完備，便于施工操作。

3.3 APM 工法主要施工要點

APM 工藝為水下開挖成井工藝，采用水下機械化開挖、預(yù)制井壁下沉、水下封底。主要施工流程如下。

（1）APM 設(shè)備基礎(chǔ)施工。根據(jù)設(shè)計圖紙及測量控制點，用全站儀測設(shè)出沉井中心和抗拔樁中心位置，然后按環(huán)梁尺寸測放出基坑圍護及開挖范圍，根據(jù)沉井平面尺寸定出沉井刃腳位置。并按照測量點位依次進行抗拔樁、鋼板樁圍護、基坑開挖及環(huán)梁施工，完成后進行鋼刃腳拼裝及十字環(huán)梁澆筑，最后安裝APM 設(shè)備。

（2）沉井管片拼裝。以本項目為例沉井結(jié)構(gòu)采用通用管片，每環(huán)由4 塊管片組成，分為上小下大正梯形A 型和上大下小倒梯形B 型兩種形式的管片，其中A 型管片兩塊，B 型管片兩塊。管片采用錯縫拼裝，縱縫設(shè)置有剪力銷及通長螺桿，確保管片鏈接緊密的同時能夠與懸掛下壓系統(tǒng)可靠鏈接。

（3）沉井下沉取土及泥漿套跟蹤：土體開挖采用分塊、分層、對稱開挖，先沉后挖，沉挖交替進行，限時完成開挖與沉井施工。沉井下沉取土施工順序為每次管節(jié)拼裝完成之后，利用主動控制系統(tǒng)控制沉井下沉至預(yù)定位置，每次下沉完成后，再操控取土設(shè)備進行沉井開挖取土。沉井開挖過程中，應(yīng)在井底根據(jù)十字梁邊界劃分的4 個分區(qū)內(nèi)對稱進行，如下圖所示，先施工1 區(qū)，再施工2區(qū)，以此類推。取土按照分層對稱開挖方式進行，每次分層開挖深度根據(jù)開挖控制表進行,當(dāng)需要刃腳下取土?xí)r，應(yīng)對稱均勻沖取刃腳下的土體，以保持沉井整體的平衡和均勻下沉。施工中沉井內(nèi)各格土面高差不得大于0.5m。沉井下沉取土交替進行。如果土層強度較高、絞吸難度較大時，可利用絞吸頭上安裝的高壓噴嘴，對土體進行高壓射流切削，以提高挖土效率。沉井初沉后，為減少土體與井筒間摩阻力，平衡沉井外地層壓力，通過環(huán)梁及管節(jié)上預(yù)埋的注漿管往井壁外環(huán)狀間隙注入觸變泥漿，每個注漿孔點均分配單獨管路，球閥獨立控制，采用壓力、注漿量雙控，在井筒外壁形成一圈泥漿套。觸變泥漿應(yīng)保證在施工期間要求泥漿不失水、不沉淀、不固結(jié)。同時，在環(huán)梁與外管壁位置安裝泥漿封閉裝置，保證孔口保壓，密封井口封閉形式為雙套盾尾刷加聚氨酯密封泥漿。

（4）水下混凝土封底施工準(zhǔn)備：沉井下沉到位后，將水下取土設(shè)備吊起至浮平臺處，在水下取土設(shè)備鉸刀頭安裝鋼絲刷。使用高壓水噴嘴配合鋼絲刷對刃腳及十字梁進行沖刷、清掃。清掃完成后，井內(nèi)注入清水，水下機器人抽取井內(nèi)底部沉渣。沉井混凝土封底采用垂直導(dǎo)管水下灌注法，利用每個象限區(qū)域設(shè)置一套導(dǎo)管進行封底，封底采用商品混凝土，利用汽車泵泵送進行分區(qū)、對稱灌注。

4 結(jié)語

沉井工藝具有對環(huán)境影響小、施工效率高、安全可靠的特點，在技術(shù)條件及施工環(huán)境日益嚴(yán)苛的市政及建筑施工行業(yè)中的豎井施工具有顯著的優(yōu)勢。沉井施工工藝經(jīng)過幾十年的發(fā)展也開發(fā)出各類施工工法及裝備，本文總結(jié)了各類施工方法的優(yōu)缺點并取其所長，結(jié)合各類工法的優(yōu)勢后設(shè)計了APM 施工工法，并自主研發(fā)了相應(yīng)的施工裝備及工藝，實現(xiàn)了全自動化施工，極大地提升了沉井施工的效率及安全可靠性。同時，由于設(shè)備全部為自主研發(fā)及生產(chǎn)，成本較低，具有很大的實踐及推廣價值。