垂直沉井法(VSM)在工程中应用

麻智宏

中国水利水电第三工程局有限公司 陕西 西安 710000

1 引言

随着城市地下空间的不断开发利用，工程建设向纵深发展是必然发展趋势，如今工程中采用深基坑方法多采用地下连续墙、咬合灌注桩等形式结合明挖法成井技术。该工艺需要较大的施工场地、较长的工程周期，同时涉及多个承包商给施工管理多带来不便。

本文以新加坡深水隧道污水系统二期工程为背景，阐述了VSM设备的工作原理，并综合分析与传统明挖法相比的优缺点。

2 垂直沉井工法(VSM)

2.1 垂直沉井法简介

垂直沉井法采用德国海瑞克VSM垂直掘进，该设备不受地下水位影响，采用不排水下沉方式使设备能够在地下水环境中作业，采用泥浆处理系统，可根据不同井大小调整开挖直径，最大开挖深度达85米；适用于抗压强度小于80MPa的软土和稳定土层中使用，应用范围较广[1]。

VSM工法能够适用于场地空间受限的条件下快速掘进施工，且能通过集成化设备极大的减少工作面交接，从而减少施工管理的难度。

2.2 VSM工法原理

该工法主要结构包括竖井挖掘设备、井壁下沉设备、动力设备、泥浆处理设备[2]。

竖井掘进机通过三条机械臂通过定位锚铰固定在井壁上，机械臂中央安装能够旋转的铣挖头，铣挖头可以收缩，通过执行上转、下转和旋转动作完成整个竖井面的挖掘，同时借助设在铣挖头下部的潜水泵将切削下来的渣土通过泥浆携带至地面泥浆处理系统进行分离，以完成开挖动作。

图1 VSM工法-竖井掘进设备

图2 VSM工法-竖井掘进设备

井壁下沉设备对称布置在竖井周边环形混凝土基础上，由4组液压油缸组成，通过油缸的同步收缩来实现整个竖井井壁机构缓慢均匀下沉。下沉设备组对于结构的垂直度起着至关重要的作用，因此施工过程中需严格控制井壁均匀对称沉降。

竖井井壁可以采用预制混凝土管片拼装制作，也可采用成型模板现浇制作，前者可以有效节约工期，但存在成本较高的劣势，井壁制作可以在与竖井挖掘同时进行，因此VSM可以实现较快的施工进度。

待井壁下沉到设计深度后，将挖掘臂移出拆除，采用导管水下浇筑混凝土临时封底，抽出竖井内泥水后对竖井进行清理并浇筑竖井底板。

图3 管片拼装

2.3 VSM工法主要施工工艺流程

VSM基座（导向环）施工→井壁切削刃脚安装 →浇筑初始掘进井壁，同时地面组装挖掘臂→安装下沉设备液压油缸→吊装挖掘臂→系统联合调试→竖井开挖→井壁安装→井壁下沉→挖掘臂移出→水下浇筑竖井封底→井内泥水抽排→井内清理并安装内部设施。

3 垂直沉井法与明挖法对比分析

3.1 工程背景

本工程属于深部隧道掘进工程，隧道总长11.3公里，开挖区间有3个始发井以及多个中继井，本文针对其中一个始发井K以及相邻中继井K1施工工期、机具、费用以及风险进行对比分析，借此阐述新工法在垂直竖井开挖优缺点。

文中所述两个工作井主要地质包括淤泥质黏土，黏土以及泥岩，K井主要以地下连续墙以及分段开挖并支护的传统作业方法成井，K1井则使用新工法，采用VSM机器竖直开挖成井。

二者主要工程概况如表1：

表1 两井主要工程概况

3.2 施工工期对比分析

不同工法开挖竖井，其主要施工工序也有较大差异。主要施工工序及工期见表2，表3。

表2 K井主要施工工序及工期

表3 K1井主要施工工序及工期

在表3中，我们可以看出：在VSM工法施工过程中基础以及现浇井壁占用较长时间，主要是因为该阶段有大量的钢筋及模板工程，而采用管片拼装可以大大加快开挖效率，减小工期。

通过对表2和表3中数据对比分析可知：VSM工法在竖井开挖过程中，前期准备阶段相对较长，而后期开挖及井壁施工可以大大节省施工工期，因此对于深井开挖VSM工法缩短工期效果较为明显。

值得注意的是：本工程中继井K1开挖是亚洲首次将VSM工法应用于竖井开挖，因此在一些关键技术以及机器维修方面尚出于探索阶段，因此成熟阶段施工工期应略短于该值。

3.3 施工机械分析

由表4所列主要施工机具看出：由于传统成井方法施工工序繁多，所以该方法所对应的机械设备多种多样，同时合理安排场地布置，以及施工机械进出场显得尤为重要，施工中对工程管理工作有较高的要求。

表4 K井主要施工机具

而参照本文2.1所介绍部分，VSM工法可以将多重工序集于一体，除本身各主要系统的组装外，仅需一台吊车辅助作业即可。这意味着VSM工法施工场地占用较小，利于市区繁忙地段施工，同时工序简单，工作交界面少，可以极大地减少施工管理任务。

3.4 费用分析

参照表2及表3中两种不同工法的主要施工工序，二者主要区别在于：VSM工法需要在前期的设备购买费用以及开挖过程中井壁管片生产费用，然而采用该方法可以节省地下连续墙以及开挖前土体加固的费用。

同时由于VSM设备具有可调节功能，可应用于不同直径的深井开挖，可多次重复利用，以降低设备购买费用，从而体现其价值。

3.5 风险分析

对于传统工艺成井法主要施工风险在于，地下连续墙施工过程中槽体坍塌引起地面不均匀沉降；开挖过程中易出现涌水涌砂；开挖对周围地下水影响较大，需考虑降排水措施等。

而VSM工法是采用泥浆系统携带开挖土体完成开挖，以回灌水平衡井内外地下水位，减小内外压力差，当井底混凝土浇筑完后，整个井体形成类似于水杯的封闭空间，因而能有效地减少地下水位的流失，所以不易造成周围地表下沉及井内涌水事故。

4 总结与展望

本文通过对新加坡深水隧道污水系统二期工程不同施工工法开挖深井进行对比分析，针对VSM工法总结以下结论：1.适用范围广、尤其在高水位地下竖井结构优势突出；2.施工工序少，便于施工管理，且在深井开挖中可有效缩短工期，并能有效的降低风险；3.施工前期投入较大，循环使用可降低成本；4.占地面积小，在市区繁忙地段有限的施工场地更具竞争力。

随着现代化城市发展需求，必然会向“深”度发展，相信VSM工法能在未来深部结构工程施工过程中发挥其优势，例如地下地下智能停车场、深部污水隧道中始发接受井、中继井以及逃生井的施工中崭露头角。