摘 要：为了在软土层、岩层、地下水位以下的地层中快速高效地进行竖井施工，德国海瑞克公司研发了一套挖掘和支护同步、自上而下、循序渐进的下沉式竖井掘进设备（Vertical Shaft Sinking Machine, 简称 VSM）。下沉式竖井掘进设备施工技术是集掘进、沉井、井壁管片拼装、泥水处理循环等工艺于一体的机械化施工技术。文章结合新加坡深隧污水处理系统二期工程 T11 项目 K1 竖井建造的工程实例，梳理 VSM 施工工艺流程、总结施工经验，为国内竖井施工项目提供参考。
▍1 VSM设备组件及工艺原理
下沉式竖井掘进设备（VSM）是德国海瑞克公司在21世纪初研发用于竖井挖掘的新设备，适用于80MPa以下的稳定软土地层或岩层 ，主要组件包括VSM主机、沉降装置（包括：回收卷扬机、动力管线塔、沉降单元）、操控室、泥水处理系统等，如图1所示。
图1 下沉式竖井掘进设备组件
VSM主机主要实现竖井挖掘功能，由主舱、伸缩臂、铣挖头、机械臂、液压运输系统、工作平台等组成，如图2所示。
图2 VSM主机
沉降装置由回收卷扬机、动力管线塔、沉降单元等组成，如图3所示。
图3 沉降装置
回收卷扬机共有3台，其功能是提升VSM主机，进行维修保养或拆机工作；动力管线塔负责为VSM设备掘进提供必要能源，包括电能、液压油、净水、污水、润滑脂以及各种信号线和数据线；沉降单元共4组，其功能是通过钢丝绳紧紧提住竖井，确保竖井下沉时处于可控、平稳状态。
VSM工艺采取竖井内灌满泥水以维持地下水压力平衡，利用VSM主机底部的铣挖头在水下不断切削、挤压开挖面原状土，同时通过泥水循环系统将渣土排出，完成设定厚度的挖掘后，通过4组沉降单元下沉竖井再循环掘进。
当竖井下沉量满足井壁施工高度要求后，在地面完成井壁现浇或预制管片井壁拼装，如此循环，直至竖井下沉达到设计标高。
▍2 VSM在新加坡深隧污水处理系统二期工程K1竖井中的应用
2.1 工程概况
新加坡深隧污水处理系统二期工程所属新加坡污水处理综合系统，排污隧道长约50km，直径3.0～6.0m不等，共分5个标段。其中T11标段含有排污隧道长约12km（包括南部地下隧道和南部支线连接隧道），永久竖井15个，以及污水处理系统相关附属设施（竖井隔离闸门、空气管理系统等）的设计和施工。鉴于待建竖井数目多、围场狭小，且多个竖井位于市区或民房附近，施工环境复杂，因此T11项目部决定引进1台VSM完成包括竖井K1在内的5个竖井施工建造。
K1竖井设计直径10.4m、深度36.8m，下部高10.4m采用现浇井壁，上部高26.4m采用预制管片井壁。工程地质为黏土SⅤ、黏土SⅥ和泥质砂岩SⅢ，标贯实验指标N=100。竖井规划范围内有1条东西走向的河沟，宽度为1.2m，在场地布置阶段以管涵形式搬迁到VSM施工区域外，无其他影响施工的管线。
K1竖井施工采用型号为VSM-12000的下沉式竖井掘进设备，其主舱内集成旋转装置能够围绕竖直轴线正向、逆向旋转190°；伸缩臂能在1m行程内自由伸缩，水平摆动角度为-10°～47°；铣挖头上装有96把截齿，最大转速80r/min、最大扭矩80kN·m。
2.2 K1竖井施工流程
根据设计，K1竖井采用VSM施工，井壁采用现浇和预制管片2种形式，施工流程如下：
1）环形基础施工：为安装沉降单元、动力管线塔、回收卷扬机等提供平台。地面同步进行泥水分离站的安装；
2）安装和固定钢刃脚及锚固件，按设计图纸绑扎钢筋，浇筑基环混凝土；
3）分层进行井壁现浇施工，直至现浇井壁高度满足VSM主机安装的最小高度要求（K1竖井施工时VSM主机安装的最小高度为5.8m）；
4）安装VSM主机，完成VSM系统整体调试和验收工作；
5）井内回灌水，开始进行VSM沉井施工：当VSM下沉量达到2m时，进行当层井壁现浇，完成K1竖井10.4m高度的现浇井壁后，换用1.5m预制管片拼装竖井井壁；
6）沉井达到设计标高后，除保留4组沉降单元外，依次拆除VSM主机、回收卷扬机、动力管线塔等组件；
7）水下浇筑混凝土密封竖井底部，随后注浆回填竖井与竖直开挖面之间的环形间隙；
8）待竖井混凝土基础和注浆浆液达到设计强度后，拆除4组沉降单元；
9）抽出井内泥水，浇筑竖井底板；
10）K1竖井施工完成。
2.3 VSM施工关键技术
2.3.1 基环施工
和普通沉井一样，VSM工艺也要制作底部带有刃脚的基环作为竖井的先导部分，在沉井时刃脚直接切入开挖面土体，能够有效减小竖井下沉时遇到的阻力。
VSM工艺的基环与其他工艺相比有以下几点不同之处：
1）VSM基环是在钢刃脚上浇筑混凝土而形成的。在浇筑混凝土前，必须准确放置钢刃脚和锚固件（预埋件），并严格按设计图纸绑扎钢筋。
2）为了隔绝VSM施工时环形间隙里的膨润土和竖井内的回灌水，刃脚外侧需设置1层EPDM密封，如图4所示。
图4 刃脚结构图
3）环形基础上的4组沉降单元是通过钢丝绳直接与刃脚上的锚固件相连的，连接示意如图5所示。
图5 沉降单元与刃脚上锚固件连接示意图
2.3.2 沉降单元钢丝绳安装
钢丝绳一端固定在沉降单元的夹紧装置里，另一端固定在刃脚的锚固件上。当4组沉降单元的夹紧装置处于关闭状态时，钢丝绳因受竖井重力而处于拉紧状态。钢丝绳需在绳鼓内有序盘绕，避免交叉扭曲。绳鼓内还需设紧急刹车装置，避免钢丝绳失控下滑。
安装钢丝绳前，需准确计算每个沉降单元钢丝绳根数，其数值取决于竖井深度、直径、重量、竖井下沉摩擦力、浮力等。在K1竖井施工前，根据K1竖井直径、深度等因素计算出每组沉降单元需配置29根钢丝绳，4组沉降单元共计配置钢丝绳116根。
安装钢丝绳时，必须通过手动方式开启沉降单元的上、下2个夹紧装置如图6所示。
图6 沉降单元内部结构示意图
使每根钢丝绳有序穿过油缸与刃脚上的锚固件相连。为了保证安全，当钢丝绳一端固定在锚固件上后，要及时关闭钢丝绳油缸的下部夹紧装置。此外，为使竖井平稳、可控的下沉，所有钢丝绳必须预先拉张到一个预设拉力（一般为40kN），然后关闭油缸的上部夹紧装置，使钢丝绳完全处于预拉状态。
2.3.3 VSM测量系统
VSM测量系统用来测量VSM设备位置和竖井垂直度。在VSM上安装一套测斜系统，用来测量VSM准确位置；在井壁上安装测斜管，并随着竖井的下沉不断延伸，用来测量竖井垂直度。
在井壁上安装测量管时，必须固定好测量管并保证其垂直度；延伸测量管时应注意搭接处无错台，否则将会造成测量值偏差，从而导致整个竖井的定位出现误差。
2.3.4 现浇井壁与预制管片井壁搭接设计
在K1竖井的施工中，设计采取了现浇井壁和预制管片井壁2种井壁形式。这2种井壁在搭接处主要考虑以下2个因素：
1）确保搭接处强度符合要求。K1竖井在搭接处采用8.8级锚固螺栓，沿圆周方向均匀布置，间距1.4m，锚固深度600mm。
2）确保搭接处渗漏等级符合要求。K1竖井在搭接处的水平和竖直2条施工缝上分别设置1道止水带，然后浇筑厚度为200mm、高度超出竖直施工缝上止水带约200mm的混凝土素墙，密封渗漏通道。K1竖井现浇井壁和预制管片井壁搭接处设计如图7所示。
图7 现浇井壁和预制管片井壁搭接设计示意图
2.3.5 掘进控制
2.3.5.1 参数设置
VSM的掘进通过操控室里操作按钮和可视化面板来控制。开始掘进前，需在控制面板上输入竖井数据、设备相关参数，以及准确的测量数据。
K1竖井输入的施工参数如表1所示。
表1 K1竖井施工参数设置表
2.3.5.2 补偿距离
补偿距离用来调整基环施工后产生的圆度误差。在VSM掘进施工时，是将井底圆形的待开挖面划分为许扇形小块来逐一进行的。当基环施工完成后，如果基环圆度存在误差，可以通过对扇形小块设置补偿距离来进行调整。
VSM主机安装完成后，先预设1个比竖井内壁小的开挖半径，然后测量每个扇形小块中VSM铣挖头到竖井内壁的距离，将预设开挖半径减去实际测得值便可得到每个扇形小块的补偿距离，最后将所有扇形小块的补偿距离输入VSM系统中。若补偿距离为正值，则进行VSM掘进时所对应的扇形的开挖半径将变小，反之变大。通过设置不同数值的补偿距离，便可修正基环施工所产生的圆度误差。
2.3.5.3 安全间隙
安全间隙是铣挖头上的截齿与竖井墙面之间的安全距离，在VSM掘进施工时，它能够阻止截齿碰到竖井内壁，如图8所示。K1竖井进行VSM施工时，安全间隙设定为80mm。
图8 安全间隙示意图
2.3.5.4 超挖设置
设置VSM设备超挖可以在竖井外壁和开挖面土体之间产生1圈环形间隙，掘进时在环形间隙里注入膨润土，可以减小沉井过程中的阻力，如图9所示。超挖设置适用于硬质土体如岩石、硬黏土等地层。K1竖井施工时，超挖量设定值为40mm。
图9 超挖设置示意图
▍3 VSM施工中遇到的技术难题和解决措施
3.1 絮凝剂导致铣挖头工作效率低
K1竖井在黏土地层施工时，出现VSM掘进效率低、速度慢、扭矩大等现象，项目部初步判断铣挖头出现问题。利用回收卷扬机将VSM主机提出竖井后发现，铣挖头被黏土包裹得非常严实，截齿完全被黏土覆盖。为进一步查明原因，项目部对竖井内泥水取样检测，随后发现泥水中含有絮凝剂成分。絮凝剂经泥水循环进入竖井，它自身带有正（负）电性的基团和泥水中带有相反电性、难于分离的粒子或者颗粒相互靠近并聚合在铣挖头上，不断累积后便紧紧裹住铣挖头。
为避免此现象再次发生，T11项目部采取了以下措施：
1）切断絮凝剂来源，将含有絮凝剂成分的回路在泥水分离站离心机处引流；
2）设定离心机的絮凝剂添加量为0.3%，严禁过量添加。
3.2 铣挖头齿轮箱损坏、截齿剥落
K1竖井在泥质粉砂岩地层施工时，出现齿轮箱损坏警报。为检查铣挖头状况、更换齿轮箱，项目部决定提升VSM设备，随后发现铣挖头上许多截齿发生掉落，齿轮箱也因掉落的截齿而被损坏。为确保截齿工作强度，T11项目部采取了以下措施：
1）更换齿轮箱及所有过量磨损截齿，安装新的截齿并施焊固定；
2）在所有截齿尾部增设锁紧垫片并施焊固定，大大提高了截齿工作强度。
▍4 结 语
采用VSM设备施工的竖井中，目前已完成K1、K2-DS1竖井。掘进K1竖井（深36.8m）历时3个月，掘进K2-DS1竖井（深56m）历时4个月。根据计划，VSM将投入到K2竖井的挖掘中。
VSM在K1竖井的成功应用，反映出了VSM具有的独特优势：
1）可在市区狭小场地施工，且影响较小；
2）工艺安全性高，VSM设备的维修保养、井壁混凝土浇筑、管片拼装、沉井等关键环节均可在地面完成；
3）掘进效率高，正常情况下，VSM可完成深度3～4m/d的竖井掘进。
但是，VSM在K1竖井的施工中也暴露出一些工艺缺点，比如：维修保养周期较长，铣挖头截齿工作强度在复合地层不稳定等。
建议今后在选择VSM工艺建造类似于K1的竖井时，应充分考虑工程地质、施工环境等因素，配置与地质相匹配的刀具；在实际施工中，要密切关注掘进参数变化、加强竖井位置监测，结合遇到的施工问题不断改进VSM设备性能。
整理：项敏
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