姿态可控式沉井施工技术及其应用

近年来，为提高城市地下空间利用率，缓解老城区停车困难的问题，地下筒仓式停车库的建设逐渐增多。地下筒仓式停车库的修建多采用人工或人工操作机械开挖的传统沉井工法，沉井下沉姿态不可控，会对施工人员带来安全隐患。同时，传统沉井工法的工作效率和经济性较差，随着未来城市地下空间开发速度的提升，传统沉井工法已不能满足工程建设的需求。因此，急需开展姿态可控式沉井施工技术的相关研究，以保证沉井施工安全、提高沉井施工速度。针对姿态可控式沉井施工技术的研究，国外开展较早，主要为日本鸿池的SOCS工法以及德国海瑞克VSM竖井掘进机的配套施工技术，两种技术分别通过在沉井井口处安装压入和提吊设备来控制沉井下沉过程。国内对该项技术的研究起步较晚，厦门海沧城建集团首次在国内尝试修建预制装配沉井式智能停车库，但施工工法依然选取传统沉井工法，沉井下沉姿态不可控。然而，沉井式停车库的开挖直径一般较大（10 m以上），如若沉井姿态不可控，将会对沉井施工造成很大的困难。该技术依靠穿芯式液压缸提吊沉井井壁，在下放过程中不断监控调整井壁姿态，实现了沉井可控式下沉。这对于打破国外技术垄断、提高工程安全性、减少工程建设时间等均具有重要意义。1 姿态可控式沉井装备姿态可控式沉井装备为一套井壁下放系统，主要由穿芯式液压缸、液压泵站、钢绞线、无动力式钢绞线放线盘、倾斜传感器和控制系统组成（图1）。6个穿芯式液压缸的提吊总能力为350 t，油缸行程400 mm，系统功率90 kW。（a）（b）图1 姿态可控式沉井装备示意（a）平面布置示意；（b）立面布置示意穿芯式液压缸置于沉井井口处，每个液压缸附近配套1个液压泵站与1个钢绞线放线盘，所有液压缸由1套控制系统统一控制。液压缸上下各安装1个自动工具锚，用于井壁下放时根据需要轮流锚固钢绞线完成井壁下放工作。在井壁下放过程及停止时始终有一个工具锚处于锁紧状态，保证井壁下放工作的安全。多根钢绞线穿过自动工具锚、穿芯式液压缸后与沉井井壁最下部的刃脚相连，用于提吊沉井结构的重量，实现沉井的姿态可控式下沉。钢绞线与沉井刃脚的连接必须采用专门的锚板锁紧，为了使每组液压缸的各根钢绞线在使用时应力水平相当，需在钢绞线与沉井刃脚锚固后进行预紧工作。钢绞线随井壁进入已开挖的竖井中，施工完成后留在井内，不再回收利用。倾斜传感器安置于沉井刃脚处，用于检测沉井井壁下放时的姿态，同时控制各油缸的下放速度、调整沉井姿态。该套装备设计紧凑、轻便，方便城市运输和快速安装，能适应城市地下空间狭小的施工场地和复杂的道路条件，可实现城市竖井的安全、快速施工和低成本建造。2 姿态可控式沉井技术及其应用2.1 姿态可控式沉井技术2.1.1 工艺流程施工整体工艺流程为：基坑开挖→锁口制作→刃脚制作→井壁下放系统安装→提吊钢绞线穿束锚固→竖井开挖、出土→井壁制作与下沉、触变泥浆同步注浆→置换泥浆，注浆固井。2.1.2 施工关键技术（1）锁口制作。锁口需预留提吊钢绞线孔道、预埋钢绞线导向钢板和千斤顶地脚螺栓。锁口中的预埋件应根据千斤顶的设计位置准确定位。提吊钢绞线孔道可采用木盒或钢框制作，钢绞线导向钢板应采用弧形钢板制作。地脚螺栓的型号、位置、数量应严格按照设计选用。（2）刃脚制作。刃脚可分段制作，首段制作时，由于未与井壁下放系统相连接，首段刃脚的自重由其下垫层与下卧层土体直接承担。因此，首段刃脚的高度直接决定了其下垫层的厚度以及对下卧层土体承载力的要求。从刃脚制作的技术性和经济性来说，一般要求制作高度不宜超过6 m。同时，若刃脚高度太小，穿束锚固后井壁下放系统则无法进行提吊和下放操作，因此要求刃脚制作高度不小于3 m。同时刃脚钢绞线孔道和储浆台阶处须做好止浆措施防止泥浆渗漏。（3）井壁下沉。每次井壁下沉前，应检查钢绞线的出线位置是否一致，刃脚底部钢绞线是否拉紧，井壁结构是否倾斜，以避免发生意外。2.2 姿态可控式沉井施工试验为确定姿态可控式沉井技术的可行性，检验井壁下放系统与沉井工法能否良好配合，开展城市地下空间姿态可控式沉井施工试验。2.2.1 试验工程概况试验工程位于成都市成华区青龙路527号，施工现场如图2所示。场地地表以下依次为10 m左右粘土层、1.0~1.5 m含卵石粘土层和下覆风化泥岩层。场地内及附近无丰富地表水存在，地下水以上层滞水和基岩裂隙水为主。图2 施工现场实景2.2.2 试验井设计方案试验井分为锁口、井壁、刃脚三部分。锁口为环形现浇钢筋混凝土结构（图3），作为井壁下放设备的基座，同时起到加强竖井井口的作用。

（a）

（b）图3 锁口结构示意（a）锁口平面；（b）锁口1–1剖面具体尺寸为：锁口顶板外直径12.44 m，内直径9.5 m，厚度0.2 m，油缸下加厚为1.0 m；锁口顶板下为侧板，于油缸处加厚。锁口顶板环向双层配筋，选取HRB 400，直径20 mm，间距250 mm；箍筋选用HPB 300，直径8 mm，间距250 mm。井壁为环形现浇钢筋混凝土结构，高11.5 m，外直径9.2 m，内直径8.5 m。井壁内外侧对称配筋，具体方案为：环向钢筋选取HRB 400，直径20 mm，间距200 mm；竖向钢筋选取HRB 400，直径16 mm，间距200 mm。井壁结构如图4所示。图4 井壁结构示意刃脚为环形现浇钢筋混凝土结构如图5所示，高3.5 m，刃脚顶部外直径9.2 m，内直径8.5 m。底部刃脚为尖刃脚，带钢板。外壁面设储浆台阶，高0.97 m，宽0.15 m，则台阶处外直径9.5 m，内直径8.5 m。图5 刃脚结构示意在刃脚内部沿圆周均匀设置12个孔径为50 mm的注浆孔，用以注入润滑泥浆和固井水泥砂浆。为防止触变泥浆套中的泥浆沿刃脚与岩土体缝隙间漏失，在刃脚台阶处设置橡胶阻漏带。为方便竖井结构与井壁下放系统的连接，沿刃脚圆周方向均匀设置6处钢绞线孔道。孔道一端在刃脚台阶顶部开口，另一端与刃脚斜面凹槽连通。刃脚内外侧对称配筋，具体方案为：竖向钢筋选取HRB 400，直径16 mm，间距200 mm；环向钢筋选取HRB 400，直径20 mm，间距200 mm。2.2.3 试验结果分析试验完成共用时62 d，其中井壁下放系统的安装用时3 d，井壁平均下沉速度为1 m/d。试验期间，在井壁浇筑至3.5 m时，进行一次提升测试，沉井结构整体提升了80 cm，提升过程中，6台千斤顶同步差小于1 mm。下放试验共进行15次，每次平均下放约60 cm，下放过程中6台千斤顶同步差小于2 mm，单台千斤顶最大提升力为900 kN。每次下放开始前和结束后，若倾斜传感器显示的井壁倾斜度大于0.1°，需对井壁进行纠偏。在整个试验过程中，总共进行了6次纠偏。其中，井壁最大倾斜角度为0.25°，通过纠偏操作，成功实现了井壁调平。由施工试验可知，井壁下放系统安全、平稳、可控，与传统沉井工法能够良好配合。姿态可控式沉井技术安全可行。3 效益分析3.1 技术效益本工法在传统沉井工法的基础上对沉井结构姿态控制技术进行了优化和创新，采用可控式沉井下放技术，通过对下沉速度、行程、倾斜度的精确控制，有效预防了沉井施工中常见的突发问题，如下沉过快、突沉、倾斜、超沉等，极大保障了施工人员的人身安全和工程质量。同时，省去了后期纠偏等工序，缩短施工工期。并且本工法地层适应性广，不受地下水影响，可满足多种环境下的施工作业需求，具有设备占地小、施工噪声小及对城市环境影响小等优点，降低了由施工引起的在交通管制、环境修复等方面的人力、物力投入。此外，本工法采用的设备体积小、重量轻，方便模块化拆卸运输，可在城市主城区等对施工环境要求较高的场地使用，减小了施工难度。3.2 经济效益硬质土层地区，如成都的硬塑粘土、卵石土及强风化泥岩层等，其摩阻力较大、承载力较高。在这样的岩土层中使用传统沉井工法施工将面临下沉、切土困难等问题。因此，硬质土层地区较常使用的施工方法为基坑大开挖+顺作井壁结构，但该工法临时基坑支护工程量大、造价高、工期长。本工法采用的井壁下放系统及壁后润滑技术能有效克服沉井在硬质土层中的施工问题，使得沉井工艺在此种岩土层中能够顺利实施。本工法较传统施工方法，本工法可节省工期约30%，节约工程成本约35%。4 结束语姿态可控式沉井施工技术依靠穿芯式液压缸提吊沉井井壁，在下放过程中不断监控调整井壁姿态，实现了沉井可控式下沉。沉井施工试验采用井壁下放系统对沉井进行了提升、下放和纠偏试验。提升试验时，千斤顶同