豎井掘進施工中井筒中心位置偏差控制技術的研究

摘要：以京白區間盾構井為案例，深入闡述了管片拼裝控制、主機掘進控制、井筒下沉控制、管片垂直度監測、銑挖斷面控制、設備導向系統控制、井壁間隙控制、側向注漿控制等多重井筒中心位置姿態控制措施。通過采用上述采用措施，保證了VSM豎井掘進施工井筒中心位置偏差在可控范圍，有效提高了整體工程的工期及經濟效益，并為后期豎井施工糾偏工作控制提供了參考。

關鍵詞：機械法豎井；井筒偏差；開挖掘進；管片拼裝；姿態控制

0" "引言

豎井掘進機（VSM）可實現在下部工作條件不明或缺失的情況下精準開挖井筒施工，是施工建設的新型裝備。在掘進過程中，地層的差異性、現場的施工條件、設備操作水平、施工工藝技術、現場人為因素等，都會干擾豎井掘進機掘進過程中的姿態，導致掘進過程中鉆頭和巖石接觸鉆進方向偏離設計井筒軸線，產生位移或角度偏斜，影響工程質量，甚至會威脅豎井掘進施工的安全。為此豎井掘進機在施工過程中，須嚴格落實各項管控措施，并對偏差原因進行分析與處置，保證井筒姿態可控。

針對廣花城際項京白2#盾構井機械法豎井施工中，面臨著全斷面豎井掘進機姿態偏差的風險，本文在分析圍巖穩定性及設備可靠性基礎上，現場采取了一系列相關管控措施，并對管控效果和施工工效進行分析。

1" "工程概況

1.1" "工程基本狀況

廣花城際京白區間2#盾構井機械法豎井，為國內首次將沉井式豎井掘進機技術應用到城市軌道工程的項目。機械法豎井采用垂直掘進機開挖，斷面直徑14m，深度28m，下段采用明挖法施工，開挖尺寸為8.7m×9.4m×14.76m。工作井采用機械法豎井掘進機（VSM）進行施工，開挖直徑14.2m，斷面形式為圓形。豎井采用預制管片襯砌結構，采用強度等級為C50的預制混凝土管片，抗滲等級為P12，管片厚度500mm，管片寬度1.5m。

1.2" "地質狀況

機械法豎井開挖范圍內的主要地層為人工填土層、粉細砂層、礫砂層、粉質黏土層、河湖相沉積淤泥質土層、殘積砂質黏性土層，全風化花崗巖、強風化花崗巖、中風化花崗巖、微風化花崗巖層。底部巖面起伏大，巖面傾角達17°，起伏高差約6m。旁邊有河流，地下水位高。圍巖地質如圖1所示。

2" "井筒施工工藝流程

按照平整場地、設備安裝調試、開挖掘進、井筒下沉、管片拼裝、間隙注漿等一系列流程開展豎井掘進施工。井筒施工工藝流程如圖2所示。

3" "控制井筒位置偏差措施

3.1" "管片拼裝控制

管片拼裝過程中，每一次掘進距離滿足管片環寬時，需要及時拼裝一環管片距離。吊放管片要輕吊輕放。拼裝管片時，要間隔拼裝，使其受力均勻，確保井壁不偏移不傾斜。對錯臺、橢圓度、拼縫張開情況等參數進行檢測，并嚴格控制拼裝精度。井筒管片拼裝順序如圖3所示。

3.2" "主機掘進控制

豎井掘進前，針對不同地質情況、含水率等情況，設定符合要求的超挖系數、最大注漿量值、單次銑頭最大下沉量、機頭扭矩及轉速等掘進參數。

針對不同地層設置不同超挖量，軟土地基的超挖量較小，堅硬地層的超挖量需加大。掘進過程中，根據機頭實時扭矩值，及時判斷實際地層與施工圖的符合情況，保證掘進平穩。掘進過程中應控制開挖面的穩定性，如發現開挖掌子面局部出現坍塌趨勢，應及時停止掘進，調整泥漿比重，加強各項掘進數據參數分析，做好掌子面注漿加固措施的準備工作。

3.3" "井筒下沉控制

井筒下沉主要依靠設備和井筒自重擠壓土體實現進尺，開挖斷面開挖完成后，豎井要及時進行下沉，避免出現土體坍塌的風險，確保下沉高度與開挖高度一致。為減少井筒下沉過程中產生的阻力，同時避免下沉時間過長或碰撞周邊土體而導致側壁土體發生塌陷，需在管片與地層之間間隙填充飽滿的膨潤土泥漿。在鋼刃腳位置處設置止漿板，避免泥漿出現外漏。針對可能出現的井筒卡滯，應做好應急預案。先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。再嘗試降低鋼絞線負載，增大井筒向下的合力。

3.4" "管片垂直度監測

管片垂直度監測采用光纖光柵傾角傳感器進行測量，各測點分別布置在B1分塊、B2分塊、B3分塊的管片內側。鋼筋及混凝土內力監測點沿沉井深度方向實行隔環布置，各測點沿深度方向間距約為3m。各測點在沿井深方向應盡量在同一直線上，且應避開掘進機導軌。管片垂直度監測布置圖如圖4所示。

3.5" "銑挖斷面控制

井筒在下沉開挖的過程中，側向約束力度較弱，容易產生較大的側向位移，故開挖過程中需要增加銑挖斷面，調節沉井姿態。同時減小偏移側環的超挖量，甚至需要改超挖為欠挖，利用土體的自身側向壓力將管片向中心方向擠壓推移。

3.6" "設備導向系統控制

豎井掘進機主機安裝雙軸傾角傳感器，可以及時準確監測掘進機水平姿態。通過導向系統監測得到的數據，可綜合分析判斷掘進過程中設備的實時姿態。當設備姿態與設定值發生偏移時，可通過調節單組井筒提升裝置的承載力來調節姿態。傾角傳感器監測水平姿態如圖5所示。

3.7" "井壁間隙控制

在設備安裝定位精確基礎上，可在圈梁和井壁之間沿圓周一圈設置若干墊塊，通過墊塊與井壁擠壓程度判斷井筒姿態，限制沉井傾斜程度。在圈梁和井壁之間超挖一部分地層，使井壁處于懸吊狀態，沒有土層給予的側摩阻力，對調節井筒姿態更加便捷。井壁間隙控制偏差如圖6所示。

3.8" "側向注漿控制

開挖過程中，沉井井筒下沉與周邊土體會形成空隙，采用雙泵四管路進行注漿處理。注漿根據需要采用自動控制或手動控制方式。自動控制方式即預先設定注漿壓力，由控制程序自動調整注漿速度，當注漿壓力達到設定值時，自行停止注漿。手動控制方式則由人工根據掘進情況隨時調整注漿流量、速度、壓力，并依據地層特點及監控量測結果及時調整各種參數，確保注漿質量。側向注漿控制原理如圖7所示。

4" "結果分析

4.1" "井筒開挖偏差效果分析

豎井連續掘進過程中，通過管片拼裝控制、主機掘進控制、姿態控制、側向注漿控制等方面的嚴格管控，使其掘進姿態得到了有效控制，井筒中心位置偏差均嚴格控制在2.5mm范圍內。井筒中心位置偏差數據統計如圖8所示。

由圖8可知，豎井掘進施工過程中井筒中心位置偏差橫向最大為2.35mm，縱向最大為1.35mm，各監測點未發現有異常變形，累積偏差量均在控制范圍內，說明井筒中心位置偏差控制效果好，達到了預期質量、安全控制目標。

4.2" 施工功效分析

豎井掘進過程中，井筒中線位置偏差通過各項措施得到保證后，整體掘進施工功效得到有效提升。豎井的日掘進速度及平均速度如圖9所示。不同的地層條件掘進功效均不同，該項目的豎井主要為3段不同地層，分別為雜填土和碎石地層、孤石層、強風化巖層。雜填土和碎石地層平均速度約為9.3m3/h，孤石層平均速度約為4.2m3/h，強風化層平均速度為5.5m3/h。原計劃整體施工掘進60d，實際施工掘進54d，節約工期6d。

5" "結束語

豎井掘進過程中垂直姿態的控制不是單方面的原因造成的，需要通過人機料法環多方面因素進行管控，才能確保姿態控制在規范要求范圍內。本文以廣花城際京白2#盾構井機械法豎井開挖為例，通過設備選擇、掘進過程控制、注漿管控、人員管理等綜合技術，對掘進垂直姿態控制效果進行分析。

通過對井筒中心位置姿態控制，可以有效提高施工質量，降低混凝土管片破損率，減少開挖塌孔造成注漿浪費及填充注漿的不飽滿。井筒中心位置姿態控制準確，可以有效提高整體工程的工期及經濟效益，減少返工及后期缺陷整改的工作，為后期豎井施工糾偏工作控制提供參考。

參考文獻

[1]" 王建，劉楊，張煜.沉井側壁摩阻力室內試驗研究[J].巖土力學，2013，34（3）：659-66.

[2]" 梁穡稼，徐偉，徐贊云.沉井下沉時土壓力和側壁摩阻力分析[J].同濟大學學報（自然科學版），2014，42（12）：1826-32.

[3]" 王新亮.全斷面豎井掘進機載荷辨識與姿態控制關鍵技術研究[D].北京：中國礦業大學（北京）.

[4]" 卞超，馮旭海，王建平.VSM 沉井下沉過程井壁受力規律研究[J].煤炭工程，2021，53（2）：41-7.

[5]" 袁敬強，陳衛忠，黃世武，等.全風化花崗巖注漿加固特性試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2016，35（S1）：2876-2882.DOI：10.13722/j.cnki.jrme.2015.0378.

[6]" 張玉生.地表微沉降沉井的信息化施工[J].結構工程師，2001（4）：30-35+24.

[7]" 黃建武.深厚軟土地基大型雙沉井結構設計及施工控制[D].浙江大學，2013.

[8]""""" 鄺健政.巖土注漿理論與工程實例[M].科學出版社，2001.