装配式竖井设计与施工技术应用研究——以南京某沉井式地下车库项目为例

姜 弘， 包鹤立， 林咏梅

(上海市城市建设设计研究总院(集团)有限公司， 上海 200125)

0 引言

竖井是人类向地下争取空间的重要工程，在地下空间开发和利用过程中发挥了不可替代的作用[1]。根据竖井的深度、直径和地层条件的不同，其开挖方法多种多样。软土地区常见的明挖竖井建造方式通常采用地下连续墙、钻孔灌注桩、咬合桩等围护结构。除此之外，沉井法、气压沉箱法也是建造竖井的工法选择。传统的竖井施工方法遇到施工场地狭小、开挖深度有限等诸多限制，难以满足当前城市地下空间开发的高要求，新型高效的建设方式亟需开发[2-3]。

日本研发了采用水中自动反铲挖掘机的自动化沉井工法(SOCS工法)，并在井筒外壁面和地层之间的间隙中充填卵砾，减小井壁摩阻力,实现了沉井的高精度姿态控制[4]。和云红等[5]研制了目前国内最大的竖井掘进机，通过支撑装置定位支撑，通过动力头驱动锥体刀盘旋转破岩；动力头沿四导向立柱，在垂直油缸推进作用下，实现综合机械化凿井。杨成蛟[6]提出了一种装配式圆形竖井支护结构方案，直接利用盾构区间的管片作为竖井井壁结构，具有受力好、方便施工等优点。刘方宇等[7]建立沉井式预制拼装结构接缝的四环壳—接头模型，并利用管片接头试验进行模型验证。卞超等[8]对装配式沉井的下沉过程及受力特性进行了分析，计算得出沉井几何参数、 下沉阻力、 下沉深度以及悬吊力之间的关系。

总的来说，沉井工法朝着设备集约化、预制装配式方向发展。国内以往的研究主要偏于理论，尚未有基于实际工程的装配式竖井技术的系统性介绍。本文以南京市儿童医院沉井式停车设施建设项目(1期)工程为背景，介绍新型深层装配式竖井建造技术的研究及应用。

1 停车竖井案例

1.1 案例1——杭州密渡桥立体车库

2016年建成并投入使用的杭州湖墅南路密渡桥地下立体车库，采用3座矩形连体式筒式混凝土地下结构形式。该工程采用φ1 200 mm@1 600 mm钻孔灌注桩作为围护，850 mm厚的水泥土连续墙(TRD)作为止水帷幕，开挖深度约34.2 m，设置8道水平内支撑。内部结构长21.2 m，宽9.6 m。停车设备1梯2位，地下19层，每个井筒38辆车，共114个车位。密渡桥车库项目基坑如图1所示。

采用明挖方式施工竖井开挖深度有限，且施工占地影响相对较大，对于城市边角零星用地的适应性还不够强。

1.2 案例2——厦门海沧沉井式车库

2017年，厦门海沧区建成了国内首个沉井式地下机械车库，地下共分5层，每层有10个停车泊位，一共可以停放50辆普通汽车。竖井结构内径20.6 m，外径22 m，地下占地面积380 m2，总深度约17 m。厦门海沧沉井式车库如图2所示。

图1 杭州密渡桥车库项目基坑

图2 厦门海沧沉井式车库

竖井采用半预制装配式结构形式。井筒沿高度拆分成6层，底层为刃脚层，其余5层为标准层，每层拆分为10块，每块内、外侧墙通过连接肋相互固结。将预制块运往现场拼装，在内、外侧墙之间的内腔浇筑钢筋混凝土，保证装配式井筒连接性及安全性。开挖出土，安装井筒其他层，直至井筒逐层下沉到预设的深度。

采用半预制装配形式，一定程度上加快了施工效率，但建造成本相对较高、沉井下沉深度有限，如遭遇高地下水位或承压水时施工难度大。

2 装备与施工技术

2.1 竖井挖掘设备

2003年，德国海瑞克公司基于装配式竖井挖掘沉降的理念，开发了1套集约化程度更高的竖井施工装备(vertical shaft sinking machine，VSM)[9-10]。VSM设备主要由竖井挖掘设备、泥水分离系统和沉降单元组成，见图3。

挖掘设备架设在井壁上，随井筒一起下沉，通过铣挖刀头在竖井底部进行水下削挖土体；借助潜水泵，以液压方式将渣土泵送到地面上的泥水分离系统出渣；沉降单元通过钢绞线与竖井刃脚环相连，将整个竖井结构拉住，待底部开挖完成后进行下沉；井筒可在地面上采用预制装配式管片拼装而成，实现掘进和拼装同步进行。对于有特殊需求的工程，例如盾构或顶管的工作井，局部管节段也可灵活采用现浇方式实施。

图3 VSM设备示意图

2.2 施工技术

采用不排水下沉方式，通过在井筒内充满水或泥浆来平衡地层压力。竖井下沉过程中采用泥浆套减摩措施，减小对土体的扰动。在竖井下沉的整个过程中，沉降单元拉住竖井结构，使得整个下沉过程处于可控的状态，保证竖井建造在准确的位置和具有精确的垂直度。适用于80 MPa以下的各类地层，开挖直径4.5～18 m。

竖井在下沉过程中由沉降单元通过钢绞线悬吊，相对于传统沉井工法，竖井不存在突沉问题[11]。竖井下沉时井内充满泥浆，避免了传统基坑开挖承压水突涌的问题。铣挖刀头在井壁外形成一定的超挖空间，通过及时注入膨润土泥浆，保证竖井顺利下沉的同时也能控制地表沉降稳定[12]。

采用VSM设备开挖优势在于施工快速、安全、噪音小、占地面积少。其已在欧洲、中东、美国、新加坡等地的80多个竖井工程中得到应用，主要应用于地铁通风井、盾构工作井、顶管工作井等，最大开挖深度115.2 m，总计开挖深度超过4 630 m。VSM设备在国内外工程中的应用如表1所示。

表1 VSM设备在国内外的工程应用

3 南京沉井式地下车库工程概况

本工程为南京市建邺区沉井式停车设施建设项目(1期)工程。场地位于南京市儿童医院(河西分院)东北角，邻近医院4号口，场地现状为公交车停车场，北邻双闸社区中心，西邻环境保护部华东督察局，南侧为保东路，东侧为宜悦街。场地周边有停车需求，考虑到公交场站无法搬迁，因此需要在原地块功能属性不缺失的前提下，新建地下停车库。场地总平面如图4所示。

现场公交车站长60 m，宽25 m。采用VSM设备施工竖井作为停车库主体结构，占地面积少，对周边影响小，是一种合适的选择。南京建邺区沉井式停车设施建设项目(1期)工程是VSM设备在国内的首次应用，也是该设备在世界上首次与地下停车库工程的结合。

本工程竖井最大开挖深度约68 m，穿越地层按从上到下的顺序大致分为5层： 第1层为杂填土层，含杂填土层和素填土层，厚度为2.8～4.2 m； 第2层为淤泥质粉质黏土层，厚度为2.9～5.2 m； 第3层为粉细砂层，含粉细砂、粉质黏土、粉土粉砂夹粉质黏土层，厚度为41.1～43.1 m； 第4层为卵砾石层，含中粗砂混卵砾石层和卵砾石层，粒径10～100 mm，局部最大粒径大于100 mm，厚度为7.8～8.5 m； 第5层为砂质泥岩层，含强风化砂质泥岩层和中等风化砂质泥岩层，遇水软化，岩体基本质量等级为Ⅴ级，厚度为13.9～14.8 m，以中等风化砂质泥岩层作为持力层。

图4 场地总平面图

工程设置2个地下竖井，每座竖井设有100个机械车位，一共可停放200辆车。每个竖井停车层共25层，其中上部8层为SUV车位，层高2.5 m，其余17层为普通小型车位，层高2 m。

停车层车架机械系统为方形，中心设置有旋转升降机，每层停放4辆汽车，沿井壁环向排列，限界尺寸为直径11.8 m，圆形竖井结构和方形车架内布置送排风立管、横管、检修梯等。根据使用功能需求，实际竖井结构内直径定为12.0 m。停车层平面见图5。

图5 停车层平面图(单位： mm)

本工程地面建筑高度为11.4 m，其中地上1—3层层高均为3.6 m。地面1层主要为停车设备出入层平面，布置出库间、入库间、车辆提升装置、消防水泵房、消防水池、控制室、设备井等； 地上2层为设备层，布置有检修间、配电间、新风机房、排风机房、设备机房、立管、设备井等； 地上3层为办公楼层，布置有还建公交站管理用房、本项目车库的管理用房、卫生间及疏散楼梯。竖井地下室层高55.35 m，为机械停车层，停车层数为25层，实际开挖深度68 m。工程剖面如图6所示。

图6 工程剖面图(单位： mm)

4 竖井结构设计

4.1 竖井基础设计

采用VSM设备施工竖井前先对地基进行加固，提高地基承载力，同时浇筑钢筋混凝土环梁。环梁宽3.0 m，局部扩大至4.6 m，深2.5 m，地基加固采用三轴搅拌桩施工工艺，桩长10 m。施工过程中VSM主要设备位于环梁上。环梁平面见图7。

图7 环梁平面图(单位： mm)

4.2主体结构设计

竖井结构设计是本工程结构设计的核心。竖井结构采用预制管片拼装而成。管片外径12.8 m，壁厚0.4 m，环宽1.5 m，混凝土设计强度等级为C60。圆环分为形式完全相同的6块，每块管片中心分块角度为60°。管片圆环构造见图8。

图8 管片圆环构造图

管片块与块间以2根环向螺栓紧密相连，螺栓手孔设置于外弧面。管片环与环间通过纵向螺栓相连，既能适应一定的纵向变形，又能将隧道纵向变形控制在防水要求的范围内。此外，管片环面设有剪力销孔，在管片拼装过程中起到了导向作用，同时在竖井结构成型后起到了抗剪作用。

实际设计考虑土层性质的不均匀性对结构内力的影响，假定在圆环结构互成90°的2点处土体的内摩擦角差值为10°。图9示出最深处管片结构内力值，管片最大含钢量为173 kg/m3。管片结构内力图如图9所示。

(a) 弯矩图(单位： kN·m) (b) 轴力图(单位： kN)

竖井在下沉过程中，开挖臂根据不同地层属性对井壁外超挖50～100 mm，同时壁后及时填充膨润土。大部分侧壁摩阻力值在5 kPa以内，竖井可以顺利下沉。同时竖井结构由4股钢索悬吊，保证不会发生传统沉井突沉现象。

竖井下沉到设计深度时进行水下封底混凝土浇筑(见图10)。封底混凝土厚度由强度计算得到，为6.0 m，其中刃脚以下厚度为3.0 m。之后进行钢筋混凝土结构底板浇筑。

图10 封底混凝土浇筑(单位： mm)

当竖井下沉到位，封底混凝土实施完成后，对井壁外采用水泥浆置换膨润土，增加井壁摩擦力，保证竖井结构抗浮稳定性。

4.3 结构防水设计

竖井主体结构为2级防水标准，以混凝土结构自防水为主，以接缝防水为重点，多道设防。

底板采用现浇混凝土施工，设计强度等级为C40，抗渗等级为P12。浇筑底板前，将底板范围内管片内壁凿毛处理，底板与井壁管片接触面设置预埋注浆管及遇水膨胀止水胶[13]，沿竖井内壁布置一周构成封闭体系。同时，底板厚度范围内2环管片内弧面设置槽口，加强底板混凝土与管片的咬合作用，同时延长渗流路径，加强止水效果。底板防水示意图见图11。

图11 底板防水示意图

竖井采用装配式管片结构施工，管片混凝土设计强度等级为C60，抗渗等级为P12。管片的抗渗和检漏标准： 在0.8 MPa水压力作用下，恒压3 h，渗透深度小于50 mm。管片接缝采用弹性橡胶密封垫作为止水措施，依靠密封垫之间的压密起到止水作用。密封垫的材质为三元乙丙橡胶。设计防水压力为1.24 MPa，接缝变形控制指标取张开6 mm、错台10 mm，即接缝在此变形条件下满足防水要求，不发生渗漏。

5 关键施工工艺

5.1 总体施工流程

一个完整的装配式竖井施工流程包括： 地基加固及场地平整、圈梁基坑施工、刃脚及圈梁制作、初始环悬吊和拼装、设备安装及调试、掘进及管片拼装、封底混凝土浇筑、置换砂浆、沉井抽水、底板施工。南京车库工程施工场地见图12。本工程实际施工围场面积为1 430 m2。

图12 南京车库工程施工场地

5.2 关键施工工序

竖井刃脚环的拼装精度决定了后续管片的拼装质量。本工程刃脚环采用钢混复合管片结构形式，提供了初始环定位销的准确位置，也加快了施工效率。刃脚环施工见图13。

图13 刃脚环施工

初始2环管片拼装完成后，即可进行主机设备的吊装和调试，见图14。竖井管片拼装见图15。

图14 VSM主机安装

图15 竖井管片拼装

井内灌入泥浆，液面需高于地下水位。准备工作就绪后，可以进行掘进和竖井下沉。

机械臂从中间向外摆动完成第1幅开挖，旋转机械臂，到下一幅分块开挖，重复步骤直至分块全部开挖完成。为保证竖井的顺利下沉，对井壁外侧5～10 cm范围进行超挖，机械臂向外摆动开挖26幅，开挖幅面搭接15 cm，即可确保整个开挖面完全覆盖。

通过底部管片预留的注浆孔注入膨润土，保持地层稳定的同时，减小竖井下沉过程中周边摩擦力。竖井下沉连续穿越各土层，在黏性土中将每循环竖向开挖量控制在100 mm左右，可适当超挖；砂性土中则控制在80～100 mm，严禁超挖。泥浆相对体积质量应保持在1.1以上。

竖井掘进机底部的可旋转伸缩臂顶端安装有铣筒，铣筒配置有相应的刀具。本工程中砂质泥岩层强度不到10 MPa，因此整个下沉过程中刀具磨损不明显，未进行换刀作业。借助设置于铣筒底部的大功率吸浆泵，将渣土以泥浆形式泵送到地面上的泥水分离站，最大出浆量300 m3/h。泥水分离系统将泥浆内的颗粒和水进行分离，达到土方外运的效果。

竖井结构下沉至设计标高时，开挖臂最大程度超挖，进行水下封底混凝土施工，保证形成瓶塞效应，基本阻隔地下水。当封底混凝土实施完成后，对井壁外膨润土采用水泥浆进行置换，增加井壁摩擦力，保证后续竖井抗浮稳定性。结合实际工程情况，水泥浆注浆量控制在理论建筑空隙的110%～130%。待水泥浆置换完成后，抽干井内泥浆，并施工永久钢筋混凝土底板，完成整个竖井主体结构施工。成型竖井结构见图16。

5.3 竖井施工周期

首个竖井自2020年12月23日始发试掘进，于2021年2月7日下沉至设计标高，累计下沉深度为61.75 m，最大开挖深度为68 m。竖井平均下沉速度约为1.54 m/d，最快下沉速度为4 m/d，在砂性土层中下沉速度较快，在黏性土层、卵砾石层和泥岩层中下沉速度相对缓慢。根据监测结果，周边地层沉降量不大于5 mm，影响较小。施工方在第1个竖井下沉中积累了经验，第2个竖井的施工更为顺利，仅用28 d完成了第2个竖井的下沉施工。竖井下沉曲线见图17。

图16 成型竖井结构

图17 竖井下沉曲线

6 结论与讨论

基于VSM设备的深层装配式竖井工法是目前世界上高效安全的竖井施工工法，南京市建邺区沉井式停车设施建设项目(1期)工程是其在国内的首次应用。该工程顺利完成了外径12.8 m、深度68 m的竖井施工。从实际实施效果看，施工占地面积小，对周边环境影响也较小，施工效率远高于其他工法。具体结论如下：

1)竖井掘进设备为高度集成化的机械设备，结构采用预制管片拼装而成，刃脚采用钢结构形式。竖井施工占地小，在保证精度的同时大大提高工效，是复杂地层深层竖井施工的趋势。

2)竖井利用自重结合超挖的方式下沉，避免出现卡滞问题；采用膨润土泥浆作减摩-护壁用，确保井筒顺利下沉；采用4组沉降单元配合钢绞线控制井筒下沉，避免了常规沉井突沉的可能性。

3)整环结构分成6块形式完全相同的管片，真正实现了通用管片的设计，极大方便了施工现场的管理。管片环面设置剪力销，起到了很好的定位和抗剪作用。

4)采用三元乙丙橡胶作为装配式竖井管片接缝的防水材料是合理的，经分析和试验证明可满足设计要求，现场实施情况也达到了良好的防水效果。

装配式竖井工法具有广泛良好的应用前景，除了地下停车库工程，未来必将在地铁风井、盾构工作井、调蓄储水井等工程中发挥更大的作用。某些特定工程需要在竖井结构上开孔，如何采用经济合理的设计方案和施工措施是后续研究的重点。