裝配式豎井設計與施工技術應用研究
——以南京某沉井式地下車庫項目為例

姜 弘， 包鶴立， 林詠梅

(上海市城市建設設計研究總院(集團)有限公司， 上海 200125)

0 引言

豎井是人類向地下爭取空間的重要工程，在地下空間開發和利用過程中發揮了不可替代的作用[1]。根據豎井的深度、直徑和地層條件的不同，其開挖方法多種多樣。軟土地區常見的明挖豎井建造方式通常采用地下連續墻、鉆孔灌注樁、咬合樁等圍護結構。除此之外，沉井法、氣壓沉箱法也是建造豎井的工法選擇。傳統的豎井施工方法遇到施工場地狹小、開挖深度有限等諸多限制，難以滿足當前城市地下空間開發的高要求，新型高效的建設方式亟需開發[2-3]。

日本研發了采用水中自動反鏟挖掘機的自動化沉井工法(SOCS工法)，并在井筒外壁面和地層之間的間隙中充填卵礫，減小井壁摩阻力,實現了沉井的高精度姿態控制[4]。和云紅等[5]研制了目前國內最大的豎井掘進機，通過支撐裝置定位支撐，通過動力頭驅動錐體刀盤旋轉破巖；動力頭沿四導向立柱，在垂直油缸推進作用下，實現綜合機械化鑿井。楊成蛟[6]提出了一種裝配式圓形豎井支護結構方案，直接利用盾構區間的管片作為豎井井壁結構，具有受力好、方便施工等優點。劉方宇等[7]建立沉井式預制拼裝結構接縫的四環殼—接頭模型，并利用管片接頭試驗進行模型驗證。卞超等[8]對裝配式沉井的下沉過程及受力特性進行了分析，計算得出沉井幾何參數、 下沉阻力、 下沉深度以及懸吊力之間的關系。

總的來說，沉井工法朝著設備集約化、預制裝配式方向發展。國內以往的研究主要偏于理論，尚未有基于實際工程的裝配式豎井技術的系統性介紹。本文以南京市兒童醫院沉井式停車設施建設項目(1期)工程為背景，介紹新型深層裝配式豎井建造技術的研究及應用。

1 停車豎井案例

1.1 案例1——杭州密渡橋立體車庫

2016年建成并投入使用的杭州湖墅南路密渡橋地下立體車庫，采用3座矩形連體式筒式混凝土地下結構形式。該工程采用φ1 200 mm@1 600 mm鉆孔灌注樁作為圍護，850 mm厚的水泥土連續墻(TRD)作為止水帷幕，開挖深度約34.2 m，設置8道水平內支撐。內部結構長21.2 m，寬9.6 m。停車設備1梯2位，地下19層，每個井筒38輛車，共114個車位。密渡橋車庫項目基坑如圖1所示。

采用明挖方式施工豎井開挖深度有限，且施工占地影響相對較大，對于城市邊角零星用地的適應性還不夠強。

1.2 案例2——廈門海滄沉井式車庫

2017年，廈門海滄區建成了國內首個沉井式地下機械車庫，地下共分5層，每層有10個停車泊位，一共可以停放50輛普通汽車。豎井結構內徑20.6 m，外徑22 m，地下占地面積380 m2，總深度約17 m。廈門海滄沉井式車庫如圖2所示。

圖1 杭州密渡橋車庫項目基坑

圖2 廈門海滄沉井式車庫

豎井采用半預制裝配式結構形式。井筒沿高度拆分成6層，底層為刃腳層，其余5層為標準層，每層拆分為10塊，每塊內、外側墻通過連接肋相互固結。將預制塊運往現場拼裝，在內、外側墻之間的內腔澆筑鋼筋混凝土，保證裝配式井筒連接性及安全性。開挖出土，安裝井筒其他層，直至井筒逐層下沉到預設的深度。

采用半預制裝配形式，一定程度上加快了施工效率，但建造成本相對較高、沉井下沉深度有限，如遭遇高地下水位或承壓水時施工難度大。

2 裝備與施工技術

2.1 豎井挖掘設備

2003年，德國海瑞克公司基于裝配式豎井挖掘沉降的理念，開發了1套集約化程度更高的豎井施工裝備(vertical shaft sinking machine，VSM)[9-10]。VSM設備主要由豎井挖掘設備、泥水分離系統和沉降單元組成，見圖3。

挖掘設備架設在井壁上，隨井筒一起下沉，通過銑挖刀頭在豎井底部進行水下削挖土體；借助潛水泵，以液壓方式將渣土泵送到地面上的泥水分離系統出渣；沉降單元通過鋼絞線與豎井刃腳環相連，將整個豎井結構拉住，待底部開挖完成后進行下沉；井筒可在地面上采用預制裝配式管片拼裝而成，實現掘進和拼裝同步進行。對于有特殊需求的工程，例如盾構或頂管的工作井，局部管節段也可靈活采用現澆方式實施。

圖3 VSM設備示意圖

2.2 施工技術

采用不排水下沉方式，通過在井筒內充滿水或泥漿來平衡地層壓力。豎井下沉過程中采用泥漿套減摩措施，減小對土體的擾動。在豎井下沉的整個過程中，沉降單元拉住豎井結構，使得整個下沉過程處于可控的狀態，保證豎井建造在準確的位置和具有精確的垂直度。適用于80 MPa以下的各類地層，開挖直徑4.5～18 m。

豎井在下沉過程中由沉降單元通過鋼絞線懸吊，相對于傳統沉井工法，豎井不存在突沉問題[11]。豎井下沉時井內充滿泥漿，避免了傳統基坑開挖承壓水突涌的問題。銑挖刀頭在井壁外形成一定的超挖空間，通過及時注入膨潤土泥漿，保證豎井順利下沉的同時也能控制地表沉降穩定[12]。

采用VSM設備開挖優勢在于施工快速、安全、噪音小、占地面積少。其已在歐洲、中東、美國、新加坡等地的80多個豎井工程中得到應用，主要應用于地鐵通風井、盾構工作井、頂管工作井等，最大開挖深度115.2 m，總計開挖深度超過4 630 m。VSM設備在國內外工程中的應用如表1所示。

表1 VSM設備在國內外的工程應用

3 南京沉井式地下車庫工程概況

本工程為南京市建鄴區沉井式停車設施建設項目(1期)工程。場地位于南京市兒童醫院(河西分院)東北角，鄰近醫院4號口，場地現狀為公交車停車場，北鄰雙閘社區中心，西鄰環境保護部華東督察局，南側為保東路，東側為宜悅街。場地周邊有停車需求，考慮到公交場站無法搬遷，因此需要在原地塊功能屬性不缺失的前提下，新建地下停車庫。場地總平面如圖4所示。

現場公交車站長60 m，寬25 m。采用VSM設備施工豎井作為停車庫主體結構，占地面積少，對周邊影響小，是一種合適的選擇。南京建鄴區沉井式停車設施建設項目(1期)工程是VSM設備在國內的首次應用，也是該設備在世界上首次與地下停車庫工程的結合。

本工程豎井最大開挖深度約68 m，穿越地層按從上到下的順序大致分為5層： 第1層為雜填土層，含雜填土層和素填土層，厚度為2.8～4.2 m； 第2層為淤泥質粉質黏土層，厚度為2.9～5.2 m； 第3層為粉細砂層，含粉細砂、粉質黏土、粉土粉砂夾粉質黏土層，厚度為41.1～43.1 m； 第4層為卵礫石層，含中粗砂混卵礫石層和卵礫石層，粒徑10～100 mm，局部最大粒徑大于100 mm，厚度為7.8～8.5 m； 第5層為砂質泥巖層，含強風化砂質泥巖層和中等風化砂質泥巖層，遇水軟化，巖體基本質量等級為Ⅴ級，厚度為13.9～14.8 m，以中等風化砂質泥巖層作為持力層。

圖4 場地總平面圖

工程設置2個地下豎井，每座豎井設有100個機械車位，一共可停放200輛車。每個豎井停車層共25層，其中上部8層為SUV車位，層高2.5 m，其余17層為普通小型車位，層高2 m。

停車層車架機械系統為方形，中心設置有旋轉升降機，每層停放4輛汽車，沿井壁環向排列，限界尺寸為直徑11.8 m，圓形豎井結構和方形車架內布置送排風立管、橫管、檢修梯等。根據使用功能需求，實際豎井結構內直徑定為12.0 m。停車層平面見圖5。

圖5 停車層平面圖(單位： mm)

本工程地面建筑高度為11.4 m，其中地上1—3層層高均為3.6 m。地面1層主要為停車設備出入層平面，布置出庫間、入庫間、車輛提升裝置、消防水泵房、消防水池、控制室、設備井等； 地上2層為設備層，布置有檢修間、配電間、新風機房、排風機房、設備機房、立管、設備井等； 地上3層為辦公樓層，布置有還建公交站管理用房、本項目車庫的管理用房、衛生間及疏散樓梯。豎井地下室層高55.35 m，為機械停車層，停車層數為25層，實際開挖深度68 m。工程剖面如圖6所示。

圖6 工程剖面圖(單位： mm)

4 豎井結構設計

4.1 豎井基礎設計

采用VSM設備施工豎井前先對地基進行加固，提高地基承載力，同時澆筑鋼筋混凝土環梁。環梁寬3.0 m，局部擴大至4.6 m，深2.5 m，地基加固采用三軸攪拌樁施工工藝，樁長10 m。施工過程中VSM主要設備位于環梁上。環梁平面見圖7。

圖7 環梁平面圖(單位： mm)

4.2主體結構設計

豎井結構設計是本工程結構設計的核心。豎井結構采用預制管片拼裝而成。管片外徑12.8 m，壁厚0.4 m，環寬1.5 m，混凝土設計強度等級為C60。圓環分為形式完全相同的6塊，每塊管片中心分塊角度為60°。管片圓環構造見圖8。

圖8 管片圓環構造圖

管片塊與塊間以2根環向螺栓緊密相連，螺栓手孔設置于外弧面。管片環與環間通過縱向螺栓相連，既能適應一定的縱向變形，又能將隧道縱向變形控制在防水要求的范圍內。此外，管片環面設有剪力銷孔，在管片拼裝過程中起到了導向作用，同時在豎井結構成型后起到了抗剪作用。

實際設計考慮土層性質的不均勻性對結構內力的影響，假定在圓環結構互成90°的2點處土體的內摩擦角差值為10°。圖9示出最深處管片結構內力值，管片最大含鋼量為173 kg/m3。管片結構內力圖如圖9所示。

(a) 彎矩圖(單位： kN·m) (b) 軸力圖(單位： kN)

豎井在下沉過程中，開挖臂根據不同地層屬性對井壁外超挖50～100 mm，同時壁后及時填充膨潤土。大部分側壁摩阻力值在5 kPa以內，豎井可以順利下沉。同時豎井結構由4股鋼索懸吊，保證不會發生傳統沉井突沉現象。

豎井下沉到設計深度時進行水下封底混凝土澆筑(見圖10)。封底混凝土厚度由強度計算得到，為6.0 m，其中刃腳以下厚度為3.0 m。之后進行鋼筋混凝土結構底板澆筑。

圖10 封底混凝土澆筑(單位： mm)

當豎井下沉到位，封底混凝土實施完成后，對井壁外采用水泥漿置換膨潤土，增加井壁摩擦力，保證豎井結構抗浮穩定性。

4.3 結構防水設計

豎井主體結構為2級防水標準，以混凝土結構自防水為主，以接縫防水為重點，多道設防。

底板采用現澆混凝土施工，設計強度等級為C40，抗滲等級為P12。澆筑底板前，將底板范圍內管片內壁鑿毛處理，底板與井壁管片接觸面設置預埋注漿管及遇水膨脹止水膠[13]，沿豎井內壁布置一周構成封閉體系。同時，底板厚度范圍內2環管片內弧面設置槽口，加強底板混凝土與管片的咬合作用，同時延長滲流路徑，加強止水效果。底板防水示意圖見圖11。

圖11 底板防水示意圖

豎井采用裝配式管片結構施工，管片混凝土設計強度等級為C60，抗滲等級為P12。管片的抗滲和檢漏標準： 在0.8 MPa水壓力作用下，恒壓3 h，滲透深度小于50 mm。管片接縫采用彈性橡膠密封墊作為止水措施，依靠密封墊之間的壓密起到止水作用。密封墊的材質為三元乙丙橡膠。設計防水壓力為1.24 MPa，接縫變形控制指標取張開6 mm、錯臺10 mm，即接縫在此變形條件下滿足防水要求，不發生滲漏。

5 關鍵施工工藝

5.1 總體施工流程

一個完整的裝配式豎井施工流程包括： 地基加固及場地平整、圈梁基坑施工、刃腳及圈梁制作、初始環懸吊和拼裝、設備安裝及調試、掘進及管片拼裝、封底混凝土澆筑、置換砂漿、沉井抽水、底板施工。南京車庫工程施工場地見圖12。本工程實際施工圍場面積為1 430 m2。

圖12 南京車庫工程施工場地

5.2 關鍵施工工序

豎井刃腳環的拼裝精度決定了后續管片的拼裝質量。本工程刃腳環采用鋼混復合管片結構形式，提供了初始環定位銷的準確位置，也加快了施工效率。刃腳環施工見圖13。

圖13 刃腳環施工

初始2環管片拼裝完成后，即可進行主機設備的吊裝和調試，見圖14。豎井管片拼裝見圖15。

圖14 VSM主機安裝

圖15 豎井管片拼裝

井內灌入泥漿，液面需高于地下水位。準備工作就緒后，可以進行掘進和豎井下沉。

機械臂從中間向外擺動完成第1幅開挖，旋轉機械臂，到下一幅分塊開挖，重復步驟直至分塊全部開挖完成。為保證豎井的順利下沉，對井壁外側5～10 cm范圍進行超挖，機械臂向外擺動開挖26幅，開挖幅面搭接15 cm，即可確保整個開挖面完全覆蓋。

通過底部管片預留的注漿孔注入膨潤土，保持地層穩定的同時，減小豎井下沉過程中周邊摩擦力。豎井下沉連續穿越各土層，在黏性土中將每循環豎向開挖量控制在100 mm左右，可適當超挖；砂性土中則控制在80～100 mm，嚴禁超挖。泥漿相對體積質量應保持在1.1以上。

豎井掘進機底部的可旋轉伸縮臂頂端安裝有銑筒，銑筒配置有相應的刀具。本工程中砂質泥巖層強度不到10 MPa，因此整個下沉過程中刀具磨損不明顯，未進行換刀作業。借助設置于銑筒底部的大功率吸漿泵，將渣土以泥漿形式泵送到地面上的泥水分離站，最大出漿量300 m3/h。泥水分離系統將泥漿內的顆粒和水進行分離，達到土方外運的效果。

豎井結構下沉至設計標高時，開挖臂最大程度超挖，進行水下封底混凝土施工，保證形成瓶塞效應，基本阻隔地下水。當封底混凝土實施完成后，對井壁外膨潤土采用水泥漿進行置換，增加井壁摩擦力，保證后續豎井抗浮穩定性。結合實際工程情況，水泥漿注漿量控制在理論建筑空隙的110%～130%。待水泥漿置換完成后，抽干井內泥漿，并施工永久鋼筋混凝土底板，完成整個豎井主體結構施工。成型豎井結構見圖16。

5.3 豎井施工周期

首個豎井自2020年12月23日始發試掘進，于2021年2月7日下沉至設計標高，累計下沉深度為61.75 m，最大開挖深度為68 m。豎井平均下沉速度約為1.54 m/d，最快下沉速度為4 m/d，在砂性土層中下沉速度較快，在黏性土層、卵礫石層和泥巖層中下沉速度相對緩慢。根據監測結果，周邊地層沉降量不大于5 mm，影響較小。施工方在第1個豎井下沉中積累了經驗，第2個豎井的施工更為順利，僅用28 d完成了第2個豎井的下沉施工。豎井下沉曲線見圖17。

圖16 成型豎井結構

圖17 豎井下沉曲線

6 結論與討論

基于VSM設備的深層裝配式豎井工法是目前世界上高效安全的豎井施工工法，南京市建鄴區沉井式停車設施建設項目(1期)工程是其在國內的首次應用。該工程順利完成了外徑12.8 m、深度68 m的豎井施工。從實際實施效果看，施工占地面積小，對周邊環境影響也較小，施工效率遠高于其他工法。具體結論如下：

1)豎井掘進設備為高度集成化的機械設備，結構采用預制管片拼裝而成，刃腳采用鋼結構形式。豎井施工占地小，在保證精度的同時大大提高工效，是復雜地層深層豎井施工的趨勢。

2)豎井利用自重結合超挖的方式下沉，避免出現卡滯問題；采用膨潤土泥漿作減摩-護壁用，確保井筒順利下沉；采用4組沉降單元配合鋼絞線控制井筒下沉，避免了常規沉井突沉的可能性。

3)整環結構分成6塊形式完全相同的管片，真正實現了通用管片的設計，極大方便了施工現場的管理。管片環面設置剪力銷，起到了很好的定位和抗剪作用。

4)采用三元乙丙橡膠作為裝配式豎井管片接縫的防水材料是合理的，經分析和試驗證明可滿足設計要求，現場實施情況也達到了良好的防水效果。

裝配式豎井工法具有廣泛良好的應用前景，除了地下停車庫工程，未來必將在地鐵風井、盾構工作井、調蓄儲水井等工程中發揮更大的作用。某些特定工程需要在豎井結構上開孔，如何采用經濟合理的設計方案和施工措施是后續研究的重點。