VSM 豎井施工質量控制要點探析

孫凱

（上海市水務建設工程安全質量監督中心站，上海 200237）

1 前言

傳統地下連續墻、鉆孔灌注樁、咬合樁、沉井法、氣壓沉箱法等建造圍護設施或沉井的方法受限于施工場地、開挖深度等條件的限制，難以滿足當前城市地下空間開發的高要求。VSM 豎井施工技術其掘進、下沉完全受鋼絞線控制，解決了傳統沉井存在的突沉、穩定性問題，安全性好；一次掘進和下沉循環總計需要的時間約為1h，一天可完成2 ～3 環掘進下沉，最快下沉速度達到4.4m/d，施工效率高；設備高度集成化，井壁采用預制管片形式，占地面積小；能適用于強度80MPa 以下各類土層，地層適應性廣；采用不排水下沉方式，周邊地層無需采取降水措施，坑底突涌風險低，掘進下沉過程中井壁采用泥漿護壁，對周邊建構筑物、道路、管線影響小。VSM 豎井施工技術的這些優勢，使得在市區狹小場地具有廣闊的應用前景。

VSM豎井施工技術在國內僅有少量文獻介紹和研究。柳獻等研究了VSM 豎井下沉和姿態控制原理，得出了懸吊力計算方法和姿態控制措施；張振光等等介紹了VSM豎井施工技術在南京某地下停車設施的應用實例；黃銘亮等等開展了VSM 豎井施工受力實測研究，得出了井壁下沉過程中受力特性和結構響應規律；卞超等通過建立裝配式沉井數值模型和縮尺模型，分析了井壁受力情況。目前，對于VSM 豎井施工重點環節的質量控制研究尚不足，現場監督管理也沒有現成的經驗可以借鑒。

2 工程概況

2.1 工程簡介

上海市某初雨調蓄管線項目9 號盾構接收井采用VSM 豎井施工技術建造。井內徑12m，外徑12.8m，地面標高4.69m，開挖至-28.75m，盾構管徑為DN4000。井位位于市區道路交叉口，井位東南側1 倍基坑深度范圍內為在建工地，2 倍基坑深度范圍為鐵路軌道。

2.2 水文地質情況

承壓水主要為分布在⑤2A、⑤2B、⑤32土層中的微承壓水和⑦層中的承壓水。③T、⑤2A、⑤2B層為粉性土，滲透性較好，在一定的水頭壓力下易產生流砂、管涌現象。

2.3 工程特點

9 號盾構接收井采用VSM 豎井施工技術建造，與傳統的圍護結構以及沉井存在較大不同，且該工藝在國內應用較少，其管片拼裝、掘進、下沉、姿態控制及糾偏是確保豎井施工質量的關鍵環節。

3 VSM 豎井施工技術概述

3.1 VSM 系統組成

主要由豎井掘進機、沉降單元、回收卷揚和泥水分離系統等部分組成，見圖1。

圖1 VSM 系統組成

（1）豎井掘進機。豎井掘進機是VSM 系統的核心設備，包括伸縮臂、機架和夾具，伸縮臂兩端分別連接機架和銑機頭。在整個掘進下沉過程中,豎井掘進機在豎井底部通過伸縮臂驅動銑機頭切削地層，實現土層開挖。

（2）沉降單元。共4 組沉降單元，每組沉降單元由1 個用于驅動鋼絞線行程的伸縮千斤頂和2 套夾片裝置組成。鋼絞線下部與井壁底部鋼刃腳相連，井壁自重、豎井掘進機荷載主要通過沉降單元傳導到井壁周邊環梁，進而傳導到環梁底部的樁基礎。

（3）回收卷揚。由設置于環梁上的3 臺卷揚機組成。掘進完成后或者施工過程中需要檢修、更換刀具時，用于將豎井掘進機吊起回收至地面。

（4）泥水分離系統。系統由振動篩、旋流器及離心機等部件組成，銑機頭切削下來的含渣泥水通過銑機頭底部的泥漿泵泵送到地面上的泥水分離系統，進行泥水和渣土分離。

3.2 基本原理

豎井采用預制鋼筋混凝土管片拼裝而成，管片之間通過環向和縱向螺栓連接，接口處設置橡膠密封墊，起到防水密封作用。管片拼裝在豎井頂部離地面高度約1.5m 的位置進行，環向螺栓手孔置于管片外側，作業人員在掘進全程無須進入井筒內。

掘進下沉過程中，在豎井底部，豎井掘進機通過伸縮臂驅動銑機頭切削地層。伸縮臂可按設定自動執行上轉、下轉和旋轉動作，完成整個豎井斷面的挖掘以及側壁超挖。借助銑機頭底部的泥漿泵，將含渣泥漿泵送至地面上的泥水分離系統，泥水分離后泥漿輸送到井內再次利用。

采用不排水下沉方式，掘進過程保持井筒內的液位始終高于周邊地層地下水位。豎井掘進機通過掛靴架設在井壁上，隨井筒一起下沉。超挖形成的豎井外壁與地層之間的環狀間隙以膨潤土漿液填充,與井筒內的泥漿（相對密度控制在1.18 以上）共同作用，來平衡地層壓力。

沉降單元的伸縮千斤頂和夾片裝置協同作用，驅動鋼絞線運動，帶動豎井下沉，保證豎井施工的位置、垂直度。施工過程中，需要檢修或施工完成后,可通過地面的回收卷揚將主機回收至地面以上。通過以上的一系列操作,可實現豎井的水下全自動機械式掘進下沉施工。

下沉到設計標高后進行水下混凝土封底，養護期間同步進行壁后漿液置換。待水泥漿液硬化達到設計強度后，割斷鋼絞線并拆除沉降單元。井筒上部抗浮現澆結構與環梁、管片連接形成整體結構并達到設計強度要求后，實施井內抽水工作。后續進行底板施工。

3.3 主要施工工藝流程

VSM 豎井主要施工工藝流程如圖2 所示。

圖2 VSM 豎井施工技術主要工藝流程

4 VSM 豎井施工質量控制要點

4.1 管片拼裝

豎井結構底部為鋼刃腳，有切削土體、承托上部混凝土管片作用。刃腳以上為混凝土管片，混凝土管片每一環由6 塊管片組成，環高1.5m，管片厚度0.4m，單塊環片質量約9.8t。同一環內管片之間通過環向螺栓連接,上下環間管片通過縱向螺栓連接，環間設置剪力銷，起抗剪作用。環片采用通用管片形式，不設置楔形環，管片型式均一致，上下翻轉180 度即可互換使用，見圖3。

圖3 井壁管片形式

井壁防水除了結構自防水外，還有三道防水層，第一道防水是井壁外側水泥漿置換層；第二道防水是環縫和縱縫問隙聚氨酯材料嵌縫；第三道防水是管片的內弧面側設置一道三元乙丙橡膠。

施工過程中重點關注混凝土管片實體質量、拼裝偏差控制、螺栓緊固、防水處理等環節。管片運抵現場現場應進行逐塊驗收；吊放管片應輕吊經放，防止管片現場損壞，有缺損時應及時修補；應注意對橡膠密封圈的保護，防止受損及老化；按照設計力矩要求做好螺栓緊固，環向螺栓緊固完成后及時做好手孔防水處理；嚴格控制管片拼裝精度，每環管片拼裝完成后，應測量錯臺、橢圓度、拼縫張開情況等參數，具體要求見表1。

表1 管片拼裝精度要求

4.2 掘進控制

掘進時，銑機頭以一定的轉速轉動切削土層，見圖4，機械臂帶動銑機頭同時從中間向外擺動，到達預設超挖位置后，即完成一個幅面開挖。此時，旋轉機械臂，到下一幅面重復上述操作，直至完成一個開挖斷面上的全部26 個幅面的開挖。

圖4 銑機頭切削土層

豎井正式掘進前，要針對不同土層，設定超挖量、銑挖深度、單幅銑挖次數、單次下沉量、銑機頭轉速等掘進參數。正式掘進時，最初幾環要慢掘進、少下沉，充分了解土質情況。一般來講，對于軟土地基，側壁超挖量2 ～3cm，每次掘進下沉20cm 左右，對于堅硬土層，需要采取增大側壁超挖量（側壁超挖量5cm 以上），減少單次掘進深度，增大銑機頭扭矩等措施。掘進過程中，要加強銑機頭扭矩的觀測記錄，以識別地層變化，及時調整掘進參數。

從機頭刀片配置上來講，理論上在軟土地基中只要設置刮刀就可滿足掘進需求，但是出于對可能遇到的灌注樁坍孔、異常地質情況等相關因素的考量，機頭也設置了能夠切削堅硬土層的撕裂刀。撕裂刀片可以轉動，以形成對堅硬土層的擠壓破碎效果。

掘進過程中應注意開挖面的穩定性。掘進施工前，在井壁外圍設置監測土體水平位移的測斜管，施工過程中要加強監測，如果發現開挖面局部坍塌的趨勢，應及時調整泥漿比重、掘進、下沉相關參數，保證開挖面穩定。

4.3 下沉控制

一個開挖斷面銑挖完成后，豎井要立即下沉，下沉高度與銑挖高度一致。下沉前沉降單元上下夾片裝置全部閉合,松開上部夾片裝置，伸縮千斤頂向上伸長，此時,井筒的質量全部作用在下部夾片裝置上，使伸縮千斤頂緩慢下移,直至將井筒降低到先前設定的深度。閉合2 個夾緊裝置，完成一次下沉。

為了減少下沉阻力，防止側壁塌孔導致地面塌陷，豎井外壁與周圍地層之間的環狀間隙填充膨潤土泥漿。鋼刃腳設置止漿板，防止膨潤土泥漿與井壁泥漿貫通，同時為了防止膨潤土發生滲漏，在止漿板上部填充木屑，進一步增強密封堵漏效果。

針對可能出現的井筒卡滯情況，應做好應急預案，按以下步驟，采取相應的處理措施。觀察銑機頭扭矩變化，判別井筒下部是否存在土質異常、欠挖等情況，致使井壁正常下沉受到阻礙；嘗試降低鋼絞線負載，增大井筒向下的合力，利用井筒自重下沉；井壁外側注入壓縮空氣，或在井筒上施加額外的側向力，進一步降低井壁與土體摩擦力。

4.4 姿態控制及糾偏

下沉過程中的最重要的豎井姿態監控方式是通過井壁上設置的測斜管，監測豎井的偏移。由于主機與井壁底部通過掛靴連接固定，因此，也可通過主機內安裝的傾角計進行豎井姿態監測。還可通過沉降單元鋼絞線長度、油缸千斤頂受力計算出井壁偏移；通過地面環梁和井壁之間限位裝置的擠壓情況，可定性判斷豎井傾斜情況。

雖然豎井下沉為受控下沉，理論上只要每個沉降單元鋼絞線行程一致，即可確保豎井的垂直度，但是實際施工中可能難免存在井壁偏斜的情況。如果井壁下部向一側偏斜（A 側），可以增大A 側的鋼絞線行程，減少B 的鋼絞線行程。也可減小A 側的超挖，甚至變超挖為欠挖，適當增大B 側的超挖,使得豎井在地層側向壓力的作用下,緩慢地向中心糾正，見圖5。在一些特殊情況下，如欠挖遇到孤石擠壓等情況時，也可將井筒上提，對局部區域重新銑挖，重新下沉。

圖5 井壁姿態控制示意圖

由于豎井深度較大,且為不排水開挖，因此豎井姿態不能直接測量讀取，只能間接獲得，因此，偏移監測的時效性以及糾偏的及時性是施工監督管理的重點。

5 結語

VSM 豎井施工技術是一種全新的豎井施工方式，其管片拼裝質量、掘進控制、下沉控制、姿態控制和糾偏對于豎井施工質量至關重要。

（1）加強拼裝過程中管片實體質量、拼裝偏差量測、螺栓緊固環節質量控制，保證井體施工質量。

（2）豎井掘進過程中要確保開挖面土體穩定。掘進前，應針對不同土層設定相應的掘進參數，合理配置刀頭；掘進過程中，要加強銑筒的扭矩觀測記錄，及時調整掘進參數，加強土體水平位移監測。

（3）做好下沉應急預案，遇井筒卡滯情況時，要按步驟采取降低局部鋼絞線負載，空氣助沉，施加側向力助沉等措施。

（4）加強下沉過程中井壁姿態監測，通過控制沉降單元鋼絞線長度、局部欠挖等措施進行姿態糾偏，保證豎井垂直度。