裝配式豎井設(shè)計(jì)與施工技術(shù)應(yīng)用研究
——以南京某沉井式地下車庫項(xiàng)目為例

姜 弘， 包鶴立， 林詠梅

(上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))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(fā)和利用過程中發(fā)揮了不可替代的作用[1]。根據(jù)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(qū)常見的明挖豎井建造方式通常采用地下連續(xù)墻、鉆孔灌注樁、咬合樁等圍護(hù)結(jié)構(gòu)。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(tǒng)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(dāng)前城市地下空間開發(fā)的高要求，新型高效的建設(shè)方式亟需開發(fā)[2-3]。

日本研發(fā)了采用水中自動反鏟挖掘機(jī)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(shí)現(xiàn)了沉井的高精度姿態(tài)控制[4]。和云紅等[5]研制了目前國內(nèi)最大的豎井掘進(jìn)機(jī)，通過支撐裝置定位支撐，通過動力頭驅(qū)動錐體刀盤旋轉(zhuǎn)破巖；動力頭沿四導(dǎo)向立柱，在垂直油缸推進(jìn)作用下，實(shí)現(xiàn)綜合機(jī)械化鑿井。楊成蛟[6]提出了一種裝配式圓形豎井支護(hù)結(jié)構(gòu)方案，直接利用盾構(gòu)區(qū)間的管片作為豎井井壁結(jié)構(gòu)，具有受力好、方便施工等優(yōu)點(diǎn)。劉方宇等[7]建立沉井式預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)接縫的四環(huán)殼—接頭模型，并利用管片接頭試驗(yàn)進(jìn)行模型驗(yàn)證。卞超等[8]對裝配式沉井的下沉過程及受力特性進(jìn)行了分析，計(jì)算得出沉井幾何參數(shù)、 下沉阻力、 下沉深度以及懸吊力之間的關(guān)系。

總的來說，沉井工法朝著設(shè)備集約化、預(yù)制裝配式方向發(fā)展。國內(nèi)以往的研究主要偏于理論，尚未有基于實(shí)際工程的裝配式豎井技術(shù)的系統(tǒng)性介紹。本文以南京市兒童醫(yī)院沉井式停車設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目(1期)工程為背景，介紹新型深層裝配式豎井建造技術(shù)的研究及應(yīng)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(jié)構(gòu)形式。該工程采用φ1 200 mm@1 600 mm鉆孔灌注樁作為圍護(hù)，850 mm厚的水泥土連續(xù)墻(TRD)作為止水帷幕，開挖深度約34.2 m，設(shè)置8道水平內(nèi)支撐。內(nèi)部結(jié)構(gòu)長21.2 m，寬9.6 m。停車設(shè)備1梯2位，地下19層，每個(gè)井筒38輛車，共114個(gè)車位。密渡橋車庫項(xiàng)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(yīng)性還不夠強(qiáng)。

1.2 案例2——廈門海滄沉井式車庫

2017年，廈門海滄區(qū)建成了國內(nèi)首個(gè)沉井式地下機(jī)械車庫，地下共分5層，每層有10個(gè)停車泊位，一共可以停放50輛普通汽車。豎井結(jié)構(gòu)內(nèi)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(xiàng)目基坑

圖2 廈門海滄沉井式車庫

豎井采用半預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)形式。井筒沿高度拆分成6層，底層為刃腳層，其余5層為標(biāo)準(zhǔn)層，每層拆分為10塊，每塊內(nèi)、外側(cè)墻通過連接肋相互固結(jié)。將預(yù)制塊運(yùn)往現(xiàn)場拼裝，在內(nèi)、外側(cè)墻之間的內(nèi)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(yù)設(shè)的深度。

采用半預(yù)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(shí)施工難度大。

2 裝備與施工技術(shù)

2.1 豎井挖掘設(shè)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(fā)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(shè)備主要由豎井挖掘設(shè)備、泥水分離系統(tǒng)和沉降單元組成，見圖3。

挖掘設(shè)備架設(shè)在井壁上，隨井筒一起下沉，通過銑挖刀頭在豎井底部進(jìn)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(tǒng)出渣；沉降單元通過鋼絞線與豎井刃腳環(huán)相連，將整個(gè)豎井結(jié)構(gòu)拉住，待底部開挖完成后進(jìn)行下沉；井筒可在地面上采用預(yù)制裝配式管片拼裝而成，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)和拼裝同步進(jìn)行。對于有特殊需求的工程，例如盾構(gòu)或頂管的工作井，局部管節(jié)段也可靈活采用現(xiàn)澆方式實(shí)施。

圖3 VSM設(shè)備示意圖

2.2 施工技術(shù)

采用不排水下沉方式，通過在井筒內(nèi)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(gè)過程中，沉降單元拉住豎井結(jié)構(gòu)，使得整個(gè)下沉過程處于可控的狀態(tài)，保證豎井建造在準(zhǔn)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(tǒng)沉井工法，豎井不存在突沉問題[11]。豎井下沉?xí)r井內(nèi)充滿泥漿，避免了傳統(tǒng)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(shí)注入膨潤土泥漿，保證豎井順利下沉的同時(shí)也能控制地表沉降穩(wěn)定[12]。

采用VSM設(shè)備開挖優(yōu)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(gè)豎井工程中得到應(yīng)用，主要應(yīng)用于地鐵通風(fēng)井、盾構(gòu)工作井、頂管工作井等，最大開挖深度115.2 m，總計(jì)開挖深度超過4 630 m。VSM設(shè)備在國內(nèi)外工程中的應(yīng)用如表1所示。

表1 VSM設(shè)備在國內(nèi)外的工程應(yīng)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(qū)沉井式停車設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目(1期)工程。場地位于南京市兒童醫(yī)院(河西分院)東北角，鄰近醫(yī)院4號口，場地現(xiàn)狀為公交車停車場，北鄰雙閘社區(qū)中心，西鄰環(huán)境保護(hù)部華東督察局，南側(cè)為保東路，東側(cè)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(xiàn)場公交車站長60 m，寬25 m。采用VSM設(shè)備施工豎井作為停車庫主體結(jié)構(gòu)，占地面積少，對周邊影響小，是一種合適的選擇。南京建鄴區(qū)沉井式停車設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目(1期)工程是VSM設(shè)備在國內(nèi)的首次應(yīng)用，也是該設(shè)備在世界上首次與地下停車庫工程的結(jié)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(zhì)粉質(zhì)黏土層，厚度為2.9～5.2 m； 第3層為粉細(xì)砂層，含粉細(xì)砂、粉質(zhì)黏土、粉土粉砂夾粉質(zhì)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(zhì)泥巖層，含強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖層和中等風(fēng)化砂質(zhì)泥巖層，遇水軟化，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ級，厚度為13.9～14.8 m，以中等風(fēng)化砂質(zhì)泥巖層作為持力層。

圖4 場地總平面圖

工程設(shè)置2個(gè)地下豎井，每座豎井設(shè)有100個(gè)機(jī)械車位，一共可停放200輛車。每個(gè)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(jī)械系統(tǒng)為方形，中心設(shè)置有旋轉(zhuǎn)升降機(jī)，每層停放4輛汽車，沿井壁環(huán)向排列，限界尺寸為直徑11.8 m，圓形豎井結(jié)構(gòu)和方形車架內(nèi)布置送排風(fēng)立管、橫管、檢修梯等。根據(jù)使用功能需求，實(shí)際豎井結(jié)構(gòu)內(nèi)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(shè)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(shè)備井等； 地上2層為設(shè)備層，布置有檢修間、配電間、新風(fēng)機(jī)房、排風(fēng)機(jī)房、設(shè)備機(jī)房、立管、設(shè)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(xiàng)目車庫的管理用房、衛(wèi)生間及疏散樓梯。豎井地下室層高55.35 m，為機(jī)械停車層，停車層數(shù)為25層，實(shí)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 豎井基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

采用VSM設(shè)備施工豎井前先對地基進(jìn)行加固，提高地基承載力，同時(shí)澆筑鋼筋混凝土環(huán)梁。環(huán)梁寬3.0 m，局部擴(kuò)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(shè)備位于環(huán)梁上。環(huán)梁平面見圖7。

圖7 環(huán)梁平面圖(單位： mm)

4.2主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

豎井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心。豎井結(jié)構(gòu)采用預(yù)制管片拼裝而成。管片外徑12.8 m，壁厚0.4 m，環(huán)寬1.5 m，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級為C60。圓環(huán)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(huán)構(gòu)造見圖8。

圖8 管片圓環(huán)構(gòu)造圖

管片塊與塊間以2根環(huán)向螺栓緊密相連，螺栓手孔設(shè)置于外弧面。管片環(huán)與環(huán)間通過縱向螺栓相連，既能適應(yīng)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(nèi)。此外，管片環(huán)面設(shè)有剪力銷孔，在管片拼裝過程中起到了導(dǎo)向作用，同時(shí)在豎井結(jié)構(gòu)成型后起到了抗剪作用。

實(shí)際設(shè)計(jì)考慮土層性質(zhì)的不均勻性對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，假定在圓環(huán)結(jié)構(gòu)互成90°的2點(diǎn)處土體的內(nèi)摩擦角差值為10°。圖9示出最深處管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力值，管片最大含鋼量為173 kg/m3。管片結(jié)構(gòu)內(nèi)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(jù)不同地層屬性對井壁外超挖50～100 mm，同時(shí)壁后及時(shí)填充膨潤土。大部分側(cè)壁摩阻力值在5 kPa以內(nèi)，豎井可以順利下沉。同時(shí)豎井結(jié)構(gòu)由4股鋼索懸吊，保證不會發(fā)生傳統(tǒng)沉井突沉現(xiàn)象。

豎井下沉到設(shè)計(jì)深度時(shí)進(jìn)行水下封底混凝土澆筑(見圖10)。封底混凝土厚度由強(qiáng)度計(jì)算得到，為6.0 m，其中刃腳以下厚度為3.0 m。之后進(jìn)行鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)底板澆筑。

圖10 封底混凝土澆筑(單位： mm)

當(dāng)豎井下沉到位，封底混凝土實(shí)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(jié)構(gòu)抗浮穩(wěn)定性。

4.3 結(jié)構(gòu)防水設(shè)計(jì)

豎井主體結(jié)構(gòu)為2級防水標(biāo)準(zhǔn)，以混凝土結(jié)構(gòu)自防水為主，以接縫防水為重點(diǎn)，多道設(shè)防。

底板采用現(xiàn)澆混凝土施工，設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級為C40，抗?jié)B等級為P12。澆筑底板前，將底板范圍內(nèi)管片內(nèi)壁鑿毛處理，底板與井壁管片接觸面設(shè)置預(yù)埋注漿管及遇水膨脹止水膠[13]，沿豎井內(nèi)壁布置一周構(gòu)成封閉體系。同時(shí)，底板厚度范圍內(nèi)2環(huán)管片內(nèi)弧面設(shè)置槽口，加強(qiáng)底板混凝土與管片的咬合作用，同時(shí)延長滲流路徑，加強(qiáng)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(jié)構(gòu)施工，管片混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級為C60，抗?jié)B等級為P12。管片的抗?jié)B和檢漏標(biāo)準(zhǔn)： 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(zhì)為三元乙丙橡膠。設(shè)計(jì)防水壓力為1.24 MPa，接縫變形控制指標(biāo)取張開6 mm、錯(cuò)臺10 mm，即接縫在此變形條件下滿足防水要求，不發(fā)生滲漏。

5 關(guān)鍵施工工藝

5.1 總體施工流程

一個(gè)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(huán)懸吊和拼裝、設(shè)備安裝及調(diào)試、掘進(jìn)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(shí)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(guān)鍵施工工序

豎井刃腳環(huán)的拼裝精度決定了后續(xù)管片的拼裝質(zhì)量。本工程刃腳環(huán)采用鋼混復(fù)合管片結(jié)構(gòu)形式，提供了初始環(huán)定位銷的準(zhǔn)確位置，也加快了施工效率。刃腳環(huán)施工見圖13。

圖13 刃腳環(huán)施工

初始2環(huán)管片拼裝完成后，即可進(jìn)行主機(jī)設(shè)備的吊裝和調(diào)試，見圖14。豎井管片拼裝見圖15。

圖14 VSM主機(jī)安裝

圖15 豎井管片拼裝

井內(nèi)灌入泥漿，液面需高于地下水位。準(zhǔn)備工作就緒后，可以進(jìn)行掘進(jìn)和豎井下沉。

機(jī)械臂從中間向外擺動完成第1幅開挖，旋轉(zhuǎn)機(jī)械臂，到下一幅分塊開挖，重復(fù)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(cè)5～10 cm范圍進(jìn)行超挖，機(jī)械臂向外擺動開挖26幅，開挖幅面搭接15 cm，即可確保整個(gè)開挖面完全覆蓋。

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

豎井掘進(jìn)機(jī)底部的可旋轉(zhuǎn)伸縮臂頂端安裝有銑筒，銑筒配置有相應(yīng)的刀具。本工程中砂質(zhì)泥巖層強(qiáng)度不到10 MPa，因此整個(gè)下沉過程中刀具磨損不明顯，未進(jìn)行換刀作業(yè)。借助設(shè)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(tǒng)將泥漿內(nèi)的顆粒和水進(jìn)行分離，達(dá)到土方外運(yùn)的效果。

豎井結(jié)構(gòu)下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，開挖臂最大程度超挖，進(jìn)行水下封底混凝土施工，保證形成瓶塞效應(yīng)，基本阻隔地下水。當(dāng)封底混凝土實(shí)施完成后，對井壁外膨潤土采用水泥漿進(jìn)行置換，增加井壁摩擦力，保證后續(xù)豎井抗浮穩(wěn)定性。結(jié)合實(shí)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(nèi)泥漿，并施工永久鋼筋混凝土底板，完成整個(gè)豎井主體結(jié)構(gòu)施工。成型豎井結(jié)構(gòu)見圖16。

5.3 豎井施工周期

首個(gè)豎井自2020年12月23日始發(fā)試掘進(jìn)，于2021年2月7日下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高，累計(jì)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(jù)監(jiān)測結(jié)果，周邊地層沉降量不大于5 mm，影響較小。施工方在第1個(gè)豎井下沉中積累了經(jīng)驗(yàn)，第2個(gè)豎井的施工更為順利，僅用28 d完成了第2個(gè)豎井的下沉施工。豎井下沉曲線見圖17。

圖16 成型豎井結(jié)構(gòu)

圖17 豎井下沉曲線

6 結(jié)論與討論

基于VSM設(shè)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(qū)沉井式停車設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目(1期)工程是其在國內(nèi)的首次應(yīng)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(shí)際實(shí)施效果看，施工占地面積小，對周邊環(huán)境影響也較小，施工效率遠(yuǎn)高于其他工法。具體結(jié)論如下：

1)豎井掘進(jìn)設(shè)備為高度集成化的機(jī)械設(shè)備，結(jié)構(gòu)采用預(yù)制管片拼裝而成，刃腳采用鋼結(jié)構(gòu)形式。豎井施工占地小，在保證精度的同時(shí)大大提高工效，是復(fù)雜地層深層豎井施工的趨勢。

2)豎井利用自重結(jié)合超挖的方式下沉，避免出現(xiàn)卡滯問題；采用膨潤土泥漿作減摩-護(hù)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(guī)沉井突沉的可能性。

3)整環(huán)結(jié)構(gòu)分成6塊形式完全相同的管片，真正實(shí)現(xiàn)了通用管片的設(shè)計(jì)，極大方便了施工現(xiàn)場的管理。管片環(huán)面設(shè)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(jīng)分析和試驗(yàn)證明可滿足設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)場實(shí)施情況也達(dá)到了良好的防水效果。

裝配式豎井工法具有廣泛良好的應(yīng)用前景，除了地下停車庫工程，未來必將在地鐵風(fēng)井、盾構(gòu)工作井、調(diào)蓄儲水井等工程中發(fā)揮更大的作用。某些特定工程需要在豎井結(jié)構(gòu)上開孔，如何采用經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)方案和施工措施是后續(xù)研究的重點(diǎn)。