VSM 竖井施工质量控制要点探析

孙凯

（上海市水务建设工程安全质量监督中心站，上海 200237）

1 前言

传统地下连续墙、钻孔灌注桩、咬合桩、沉井法、气压沉箱法等建造围护设施或沉井的方法受限于施工场地、开挖深度等条件的限制，难以满足当前城市地下空间开发的高要求。VSM 竖井施工技术其掘进、下沉完全受钢绞线控制，解决了传统沉井存在的突沉、稳定性问题，安全性好；一次掘进和下沉循环总计需要的时间约为1h，一天可完成2 ～3 环掘进下沉，最快下沉速度达到4.4m/d，施工效率高；设备高度集成化，井壁采用预制管片形式，占地面积小；能适用于强度80MPa 以下各类土层，地层适应性广；采用不排水下沉方式，周边地层无需采取降水措施，坑底突涌风险低，掘进下沉过程中井壁采用泥浆护壁，对周边建构筑物、道路、管线影响小。VSM 竖井施工技术的这些优势，使得在市区狭小场地具有广阔的应用前景。

VSM竖井施工技术在国内仅有少量文献介绍和研究。柳献等研究了VSM 竖井下沉和姿态控制原理，得出了悬吊力计算方法和姿态控制措施；张振光等等介绍了VSM竖井施工技术在南京某地下停车设施的应用实例；黄铭亮等等开展了VSM 竖井施工受力实测研究，得出了井壁下沉过程中受力特性和结构响应规律；卞超等通过建立装配式沉井数值模型和缩尺模型，分析了井壁受力情况。目前，对于VSM 竖井施工重点环节的质量控制研究尚不足，现场监督管理也没有现成的经验可以借鉴。

2 工程概况

2.1 工程简介

上海市某初雨调蓄管线项目9 号盾构接收井采用VSM 竖井施工技术建造。井内径12m，外径12.8m，地面标高4.69m，开挖至-28.75m，盾构管径为DN4000。井位位于市区道路交叉口，井位东南侧1 倍基坑深度范围内为在建工地，2 倍基坑深度范围为铁路轨道。

2.2 水文地质情况

承压水主要为分布在⑤2A、⑤2B、⑤32土层中的微承压水和⑦层中的承压水。③T、⑤2A、⑤2B层为粉性土，渗透性较好，在一定的水头压力下易产生流砂、管涌现象。

2.3 工程特点

9 号盾构接收井采用VSM 竖井施工技术建造，与传统的围护结构以及沉井存在较大不同，且该工艺在国内应用较少，其管片拼装、掘进、下沉、姿态控制及纠偏是确保竖井施工质量的关键环节。

3 VSM 竖井施工技术概述

3.1 VSM 系统组成

主要由竖井掘进机、沉降单元、回收卷扬和泥水分离系统等部分组成，见图1。

图1 VSM 系统组成

（1）竖井掘进机。竖井掘进机是VSM 系统的核心设备，包括伸缩臂、机架和夹具，伸缩臂两端分别连接机架和铣机头。在整个掘进下沉过程中,竖井掘进机在竖井底部通过伸缩臂驱动铣机头切削地层，实现土层开挖。

（2）沉降单元。共4 组沉降单元，每组沉降单元由1 个用于驱动钢绞线行程的伸缩千斤顶和2 套夹片装置组成。钢绞线下部与井壁底部钢刃脚相连，井壁自重、竖井掘进机荷载主要通过沉降单元传导到井壁周边环梁，进而传导到环梁底部的桩基础。

（3）回收卷扬。由设置于环梁上的3 台卷扬机组成。掘进完成后或者施工过程中需要检修、更换刀具时，用于将竖井掘进机吊起回收至地面。

（4）泥水分离系统。系统由振动筛、旋流器及离心机等部件组成，铣机头切削下来的含渣泥水通过铣机头底部的泥浆泵泵送到地面上的泥水分离系统，进行泥水和渣土分离。

3.2 基本原理

竖井采用预制钢筋混凝土管片拼装而成，管片之间通过环向和纵向螺栓连接，接口处设置橡胶密封垫，起到防水密封作用。管片拼装在竖井顶部离地面高度约1.5m 的位置进行，环向螺栓手孔置于管片外侧，作业人员在掘进全程无须进入井筒内。

掘进下沉过程中，在竖井底部，竖井掘进机通过伸缩臂驱动铣机头切削地层。伸缩臂可按设定自动执行上转、下转和旋转动作，完成整个竖井断面的挖掘以及侧壁超挖。借助铣机头底部的泥浆泵，将含渣泥浆泵送至地面上的泥水分离系统，泥水分离后泥浆输送到井内再次利用。

采用不排水下沉方式，掘进过程保持井筒内的液位始终高于周边地层地下水位。竖井掘进机通过挂靴架设在井壁上，随井筒一起下沉。超挖形成的竖井外壁与地层之间的环状间隙以膨润土浆液填充,与井筒内的泥浆（相对密度控制在1.18 以上）共同作用，来平衡地层压力。

沉降单元的伸缩千斤顶和夹片装置协同作用，驱动钢绞线运动，带动竖井下沉，保证竖井施工的位置、垂直度。施工过程中，需要检修或施工完成后,可通过地面的回收卷扬将主机回收至地面以上。通过以上的一系列操作,可实现竖井的水下全自动机械式掘进下沉施工。

下沉到设计标高后进行水下混凝土封底，养护期间同步进行壁后浆液置换。待水泥浆液硬化达到设计强度后，割断钢绞线并拆除沉降单元。井筒上部抗浮现浇结构与环梁、管片连接形成整体结构并达到设计强度要求后，实施井内抽水工作。后续进行底板施工。

3.3 主要施工工艺流程

VSM 竖井主要施工工艺流程如图2 所示。

图2 VSM 竖井施工技术主要工艺流程

4 VSM 竖井施工质量控制要点

4.1 管片拼装

竖井结构底部为钢刃脚，有切削土体、承托上部混凝土管片作用。刃脚以上为混凝土管片，混凝土管片每一环由6 块管片组成，环高1.5m，管片厚度0.4m，单块环片质量约9.8t。同一环内管片之间通过环向螺栓连接,上下环间管片通过纵向螺栓连接，环间设置剪力销，起抗剪作用。环片采用通用管片形式，不设置楔形环，管片型式均一致，上下翻转180 度即可互换使用，见图3。

图3 井壁管片形式

井壁防水除了结构自防水外，还有三道防水层，第一道防水是井壁外侧水泥浆置换层；第二道防水是环缝和纵缝问隙聚氨酯材料嵌缝；第三道防水是管片的内弧面侧设置一道三元乙丙橡胶。

施工过程中重点关注混凝土管片实体质量、拼装偏差控制、螺栓紧固、防水处理等环节。管片运抵现场现场应进行逐块验收；吊放管片应轻吊经放，防止管片现场损坏，有缺损时应及时修补；应注意对橡胶密封圈的保护，防止受损及老化；按照设计力矩要求做好螺栓紧固，环向螺栓紧固完成后及时做好手孔防水处理；严格控制管片拼装精度，每环管片拼装完成后，应测量错台、椭圆度、拼缝张开情况等参数，具体要求见表1。

表1 管片拼装精度要求

4.2 掘进控制

掘进时，铣机头以一定的转速转动切削土层，见图4，机械臂带动铣机头同时从中间向外摆动，到达预设超挖位置后，即完成一个幅面开挖。此时，旋转机械臂，到下一幅面重复上述操作，直至完成一个开挖断面上的全部26 个幅面的开挖。

图4 铣机头切削土层

竖井正式掘进前，要针对不同土层，设定超挖量、铣挖深度、单幅铣挖次数、单次下沉量、铣机头转速等掘进参数。正式掘进时，最初几环要慢掘进、少下沉，充分了解土质情况。一般来讲，对于软土地基，侧壁超挖量2 ～3cm，每次掘进下沉20cm 左右，对于坚硬土层，需要采取增大侧壁超挖量（侧壁超挖量5cm 以上），减少单次掘进深度，增大铣机头扭矩等措施。掘进过程中，要加强铣机头扭矩的观测记录，以识别地层变化，及时调整掘进参数。

从机头刀片配置上来讲，理论上在软土地基中只要设置刮刀就可满足掘进需求，但是出于对可能遇到的灌注桩坍孔、异常地质情况等相关因素的考量，机头也设置了能够切削坚硬土层的撕裂刀。撕裂刀片可以转动，以形成对坚硬土层的挤压破碎效果。

掘进过程中应注意开挖面的稳定性。掘进施工前，在井壁外围设置监测土体水平位移的测斜管，施工过程中要加强监测，如果发现开挖面局部坍塌的趋势，应及时调整泥浆比重、掘进、下沉相关参数，保证开挖面稳定。

4.3 下沉控制

一个开挖断面铣挖完成后，竖井要立即下沉，下沉高度与铣挖高度一致。下沉前沉降单元上下夹片装置全部闭合,松开上部夹片装置，伸缩千斤顶向上伸长，此时,井筒的质量全部作用在下部夹片装置上，使伸缩千斤顶缓慢下移,直至将井筒降低到先前设定的深度。闭合2 个夹紧装置，完成一次下沉。

为了减少下沉阻力，防止侧壁塌孔导致地面塌陷，竖井外壁与周围地层之间的环状间隙填充膨润土泥浆。钢刃脚设置止浆板，防止膨润土泥浆与井壁泥浆贯通，同时为了防止膨润土发生渗漏，在止浆板上部填充木屑，进一步增强密封堵漏效果。

针对可能出现的井筒卡滞情况，应做好应急预案，按以下步骤，采取相应的处理措施。观察铣机头扭矩变化，判别井筒下部是否存在土质异常、欠挖等情况，致使井壁正常下沉受到阻碍；尝试降低钢绞线负载，增大井筒向下的合力，利用井筒自重下沉；井壁外侧注入压缩空气，或在井筒上施加额外的侧向力，进一步降低井壁与土体摩擦力。

4.4 姿态控制及纠偏

下沉过程中的最重要的竖井姿态监控方式是通过井壁上设置的测斜管，监测竖井的偏移。由于主机与井壁底部通过挂靴连接固定，因此，也可通过主机内安装的倾角计进行竖井姿态监测。还可通过沉降单元钢绞线长度、油缸千斤顶受力计算出井壁偏移；通过地面环梁和井壁之间限位装置的挤压情况，可定性判断竖井倾斜情况。

虽然竖井下沉为受控下沉，理论上只要每个沉降单元钢绞线行程一致，即可确保竖井的垂直度，但是实际施工中可能难免存在井壁偏斜的情况。如果井壁下部向一侧偏斜（A 侧），可以增大A 侧的钢绞线行程，减少B 的钢绞线行程。也可减小A 侧的超挖，甚至变超挖为欠挖，适当增大B 侧的超挖,使得竖井在地层侧向压力的作用下,缓慢地向中心纠正，见图5。在一些特殊情况下，如欠挖遇到孤石挤压等情况时，也可将井筒上提，对局部区域重新铣挖，重新下沉。

图5 井壁姿态控制示意图

由于竖井深度较大,且为不排水开挖，因此竖井姿态不能直接测量读取，只能间接获得，因此，偏移监测的时效性以及纠偏的及时性是施工监督管理的重点。

5 结语

VSM 竖井施工技术是一种全新的竖井施工方式，其管片拼装质量、掘进控制、下沉控制、姿态控制和纠偏对于竖井施工质量至关重要。

（1）加强拼装过程中管片实体质量、拼装偏差量测、螺栓紧固环节质量控制，保证井体施工质量。

（2）竖井掘进过程中要确保开挖面土体稳定。掘进前，应针对不同土层设定相应的掘进参数，合理配置刀头；掘进过程中，要加强铣筒的扭矩观测记录，及时调整掘进参数，加强土体水平位移监测。

（3）做好下沉应急预案，遇井筒卡滞情况时，要按步骤采取降低局部钢绞线负载，空气助沉，施加侧向力助沉等措施。

（4）加强下沉过程中井壁姿态监测，通过控制沉降单元钢绞线长度、局部欠挖等措施进行姿态纠偏，保证竖井垂直度。