姿態(tài)可控式沉井施工技術(shù)及其應(yīng)用

近年來，為提高城市地下空間利用率，緩解老城區(qū)停車?yán)щy的問題，地下筒倉式停車庫的建設(shè)逐漸增多。地下筒倉式停車庫的修建多采用人工或人工操作機(jī)械開挖的傳統(tǒng)沉井工法，沉井下沉姿態(tài)不可控，會對施工人員帶來安全隱患。同時(shí)，傳統(tǒng)沉井工法的工作效率和經(jīng)濟(jì)性較差，隨著未來城市地下空間開發(fā)速度的提升，傳統(tǒng)沉井工法已不能滿足工程建設(shè)的需求。因此，急需開展姿態(tài)可控式沉井施工技術(shù)的相關(guān)研究，以保證沉井施工安全、提高沉井施工速度。針對姿態(tài)可控式沉井施工技術(shù)的研究，國外開展較早，主要為日本鴻池的SOCS工法以及德國海瑞克VSM豎井掘進(jìn)機(jī)的配套施工技術(shù)，兩種技術(shù)分別通過在沉井井口處安裝壓入和提吊設(shè)備來控制沉井下沉過程。國內(nèi)對該項(xiàng)技術(shù)的研究起步較晚，廈門海滄城建集團(tuán)首次在國內(nèi)嘗試修建預(yù)制裝配沉井式智能停車庫，但施工工法依然選取傳統(tǒng)沉井工法，沉井下沉姿態(tài)不可控。然而，沉井式停車庫的開挖直徑一般較大（10?m以上），如若沉井姿態(tài)不可控，將會對沉井施工造成很大的困難。該技術(shù)依靠穿芯式液壓缸提吊沉井井壁，在下放過程中不斷監(jiān)控調(diào)整井壁姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)了沉井可控式下沉。這對于打破國外技術(shù)壟斷、提高工程安全性、減少工程建設(shè)時(shí)間等均具有重要意義。1?姿態(tài)可控式沉井裝備姿態(tài)可控式沉井裝備為一套井壁下放系統(tǒng)，主要由穿芯式液壓缸、液壓泵站、鋼絞線、無動(dòng)力式鋼絞線放線盤、傾斜傳感器和控制系統(tǒng)組成（圖1）。6個(gè)穿芯式液壓缸的提吊總能力為350?t，油缸行程400?mm，系統(tǒng)功率90?kW。（a）（b）圖1?姿態(tài)可控式沉井裝備示意（a）平面布置示意；（b）立面布置示意穿芯式液壓缸置于沉井井口處，每個(gè)液壓缸附近配套1個(gè)液壓泵站與1個(gè)鋼絞線放線盤，所有液壓缸由1套控制系統(tǒng)統(tǒng)一控制。液壓缸上下各安裝1個(gè)自動(dòng)工具錨，用于井壁下放時(shí)根據(jù)需要輪流錨固鋼絞線完成井壁下放工作。在井壁下放過程及停止時(shí)始終有一個(gè)工具錨處于鎖緊狀態(tài)，保證井壁下放工作的安全。多根鋼絞線穿過自動(dòng)工具錨、穿芯式液壓缸后與沉井井壁最下部的刃腳相連，用于提吊沉井結(jié)構(gòu)的重量，實(shí)現(xiàn)沉井的姿態(tài)可控式下沉。鋼絞線與沉井刃腳的連接必須采用專門的錨板鎖緊，為了使每組液壓缸的各根鋼絞線在使用時(shí)應(yīng)力水平相當(dāng)，需在鋼絞線與沉井刃腳錨固后進(jìn)行預(yù)緊工作。鋼絞線隨井壁進(jìn)入已開挖的豎井中，施工完成后留在井內(nèi)，不再回收利用。傾斜傳感器安置于沉井刃腳處，用于檢測沉井井壁下放時(shí)的姿態(tài)，同時(shí)控制各油缸的下放速度、調(diào)整沉井姿態(tài)。該套裝備設(shè)計(jì)緊湊、輕便，方便城市運(yùn)輸和快速安裝，能適應(yīng)城市地下空間狹小的施工場地和復(fù)雜的道路條件，可實(shí)現(xiàn)城市豎井的安全、快速施工和低成本建造。2?姿態(tài)可控式沉井技術(shù)及其應(yīng)用2.1?姿態(tài)可控式沉井技術(shù)2.1.1?工藝流程施工整體工藝流程為：基坑開挖→鎖口制作→刃腳制作→井壁下放系統(tǒng)安裝→提吊鋼絞線穿束錨固→豎井開挖、出土→井壁制作與下沉、觸變泥漿同步注漿→置換泥漿，注漿固井。2.1.2?施工關(guān)鍵技術(shù)（1）鎖口制作。鎖口需預(yù)留提吊鋼絞線孔道、預(yù)埋鋼絞線導(dǎo)向鋼板和千斤頂?shù)啬_螺栓。鎖口中的預(yù)埋件應(yīng)根據(jù)千斤頂?shù)脑O(shè)計(jì)位置準(zhǔn)確定位。提吊鋼絞線孔道可采用木盒或鋼框制作，鋼絞線導(dǎo)向鋼板應(yīng)采用弧形鋼板制作。地腳螺栓的型號、位置、數(shù)量應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)選用。（2）刃腳制作。刃腳可分段制作，首段制作時(shí)，由于未與井壁下放系統(tǒng)相連接，首段刃腳的自重由其下墊層與下臥層土體直接承擔(dān)。因此，首段刃腳的高度直接決定了其下墊層的厚度以及對下臥層土體承載力的要求。從刃腳制作的技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性來說，一般要求制作高度不宜超過6?m。同時(shí)，若刃腳高度太小，穿束錨固后井壁下放系統(tǒng)則無法進(jìn)行提吊和下放操作，因此要求刃腳制作高度不小于3?m。同時(shí)刃腳鋼絞線孔道和儲漿臺階處須做好止?jié){措施防止泥漿滲漏。（3）井壁下沉。每次井壁下沉前，應(yīng)檢查鋼絞線的出線位置是否一致，刃腳底部鋼絞線是否拉緊，井壁結(jié)構(gòu)是否傾斜，以避免發(fā)生意外。2.2?姿態(tài)可控式沉井施工試驗(yàn)為確定姿態(tài)可控式沉井技術(shù)的可行性，檢驗(yàn)井壁下放系統(tǒng)與沉井工法能否良好配合，開展城市地下空間姿態(tài)可控式沉井施工試驗(yàn)。2.2.1?試驗(yàn)工程概況試驗(yàn)工程位于成都市成華區(qū)青龍路527號，施工現(xiàn)場如圖2所示。場地地表以下依次為10?m左右粘土層、1.0~1.5?m含卵石粘土層和下覆風(fēng)化泥巖層。場地內(nèi)及附近無豐富地表水存在，地下水以上層滯水和基巖裂隙水為主。圖2?施工現(xiàn)場實(shí)景2.2.2?試驗(yàn)井設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)井分為鎖口、井壁、刃腳三部分。鎖口為環(huán)形現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)（圖3），作為井壁下放設(shè)備的基座，同時(shí)起到加強(qiáng)豎井井口的作用。

（a）

（b）圖3?鎖口結(jié)構(gòu)示意（a）鎖口平面；（b）鎖口1–1剖面具體尺寸為：鎖口頂板外直徑12.44?m，內(nèi)直徑9.5?m，厚度0.2?m，油缸下加厚為1.0?m；鎖口頂板下為側(cè)板，于油缸處加厚。鎖口頂板環(huán)向雙層配筋，選取HRB?400，直徑20?mm，間距250?mm；箍筋選用HPB?300，直徑8?mm，間距250?mm。井壁為環(huán)形現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，高11.5?m，外直徑9.2?m，內(nèi)直徑8.5?m。井壁內(nèi)外側(cè)對稱配筋，具體方案為：環(huán)向鋼筋選取HRB?400，直徑20?mm，間距200?mm；豎向鋼筋選取HRB?400，直徑16?mm，間距200?mm。井壁結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖4?井壁結(jié)構(gòu)示意刃腳為環(huán)形現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)如圖5所示，高3.5?m，刃腳頂部外直徑9.2?m，內(nèi)直徑8.5?m。底部刃腳為尖刃腳，帶鋼板。外壁面設(shè)儲漿臺階，高0.97?m，寬0.15?m，則臺階處外直徑9.5?m，內(nèi)直徑8.5?m。圖5?刃腳結(jié)構(gòu)示意在刃腳內(nèi)部沿圓周均勻設(shè)置12個(gè)孔徑為50?mm的注漿孔，用以注入潤滑泥漿和固井水泥砂漿。為防止觸變泥漿套中的泥漿沿刃腳與巖土體縫隙間漏失，在刃腳臺階處設(shè)置橡膠阻漏帶。為方便豎井結(jié)構(gòu)與井壁下放系統(tǒng)的連接，沿刃腳圓周方向均勻設(shè)置6處鋼絞線孔道。孔道一端在刃腳臺階頂部開口，另一端與刃腳斜面凹槽連通。刃腳內(nèi)外側(cè)對稱配筋，具體方案為：豎向鋼筋選取HRB?400，直徑16?mm，間距200?mm；環(huán)向鋼筋選取HRB?400，直徑20?mm，間距200?mm。2.2.3?試驗(yàn)結(jié)果分析試驗(yàn)完成共用時(shí)62?d，其中井壁下放系統(tǒng)的安裝用時(shí)3?d，井壁平均下沉速度為1?m/d。試驗(yàn)期間，在井壁澆筑至3.5?m時(shí)，進(jìn)行一次提升測試，沉井結(jié)構(gòu)整體提升了80?cm，提升過程中，6臺千斤頂同步差小于1?mm。下放試驗(yàn)共進(jìn)行15次，每次平均下放約60?cm，下放過程中6臺千斤頂同步差小于2?mm，單臺千斤頂最大提升力為900?kN。每次下放開始前和結(jié)束后，若傾斜傳感器顯示的井壁傾斜度大于0.1°，需對井壁進(jìn)行糾偏。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，總共進(jìn)行了6次糾偏。其中，井壁最大傾斜角度為0.25°，通過糾偏操作，成功實(shí)現(xiàn)了井壁調(diào)平。由施工試驗(yàn)可知，井壁下放系統(tǒng)安全、平穩(wěn)、可控，與傳統(tǒng)沉井工法能夠良好配合。姿態(tài)可控式沉井技術(shù)安全可行。3?效益分析3.1?技術(shù)效益本工法在傳統(tǒng)沉井工法的基礎(chǔ)上對沉井結(jié)構(gòu)姿態(tài)控制技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化和創(chuàng)新，采用可控式沉井下放技術(shù)，通過對下沉速度、行程、傾斜度的精確控制，有效預(yù)防了沉井施工中常見的突發(fā)問題，如下沉過快、突沉、傾斜、超沉等，極大保障了施工人員的人身安全和工程質(zhì)量。同時(shí)，省去了后期糾偏等工序，縮短施工工期。并且本工法地層適應(yīng)性廣，不受地下水影響，可滿足多種環(huán)境下的施工作業(yè)需求，具有設(shè)備占地小、施工噪聲小及對城市環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，降低了由施工引起的在交通管制、環(huán)境修復(fù)等方面的人力、物力投入。此外，本工法采用的設(shè)備體積小、重量輕，方便模塊化拆卸運(yùn)輸，可在城市主城區(qū)等對施工環(huán)境要求較高的場地使用，減小了施工難度。3.2?經(jīng)濟(jì)效益硬質(zhì)土層地區(qū)，如成都的硬塑粘土、卵石土及強(qiáng)風(fēng)化泥巖層等，其摩阻力較大、承載力較高。在這樣的巖土層中使用傳統(tǒng)沉井工法施工將面臨下沉、切土困難等問題。因此，硬質(zhì)土層地區(qū)較常使用的施工方法為基坑大開挖+順作井壁結(jié)構(gòu)，但該工法臨時(shí)基坑支護(hù)工程量大、造價(jià)高、工期長。本工法采用的井壁下放系統(tǒng)及壁后潤滑技術(shù)能有效克服沉井在硬質(zhì)土層中的施工問題，使得沉井工藝在此種巖土層中能夠順利實(shí)施。本工法較傳統(tǒng)施工方法，本工法可節(jié)省工期約30%，節(jié)約工程成本約35%。4?結(jié)束語姿態(tài)可控式沉井施工技術(shù)依靠穿芯式液壓缸提吊沉井井壁，在下放過程中不斷監(jiān)控調(diào)整井壁姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)了沉井可控式下沉。沉井施工試驗(yàn)采用井壁下放系統(tǒng)對沉井進(jìn)行了提升、下放和糾偏試驗(yàn)。提升試驗(yàn)時(shí)，千斤頂同