浅谈沉井施工方法研究及新工艺设计

韩雅海

（上海隧道工程有限公司，上海 201103）

1 沉井施工发展及现状

1.1 沉井工艺的发展

沉井施工工艺是一种目前较为成熟的竖井施工方法，该工艺自20 世纪40 ～70 年代起便由日本先采用喷射高压空气(即气囊法)的方法降低井壁与土层之间的摩阻力,而使沉井下沉深度超过200m。而如今经过一个世纪的技术发展，目前沉井施工已发展成熟，为适应在不同地质情况及施工环境下的施工要求，沉井施工方法及设备已经过数次更新迭代。目前，在深竖井施工方法中已成为主流的深竖井施工方法，管材形式也已不再仅限于混凝土管节，可采用钢管节、管片、现场浇筑等形式。目前国内最大规模的沉井结构为沪通铁路大桥主桥墩，尺寸已能达到底部长86.9m，底宽58.7m，总高56m，29 号墩钢沉井自重约11257t。

1.2 沉井工艺适用范围及优势

随着我国近数十年来的高度城市化发展，城市内各类地下结构的建设需求旺盛，而大多数地下结构都需要设计竖井结构作为通风井、施工井等功能性构筑物，而传统的明挖竖井施工方法对施工环境造成的影响较大，已无法满足城市中心繁华地段的环保要求，而沉井工艺作为一种适用于松软含水底层的工法在我国沿海区域城市内得到了广泛的应用，相比传统的明挖竖井施工方式，沉井工艺具有以下优势：（1）在下沉过程中不需要大面积开挖，因此仅需较小的场地；（2）下沉过程中无须开挖大量土体极大减少了对周边已有建筑的影响；（3）施工过程中使用的机械设备所产生的的噪音也较小，不会对周边居民造成影响。

1.3 沉井工艺主要施工方法

目前，沉井工艺主要原理为采用人工及半自动化机械的方法对土体进行开挖，并将预制井体放置于刃脚上随土体开挖逐步依靠结构自重下沉，最后，对井底浇筑封底完成整个竖井结构施工。而随着近年来施工行业机械化、智能化的发展，沉井工艺也得到了改进，目前应用较多、比较先进的市政沉井工艺方式有以下几种工法方法及装备。

（1）自重下沉式沉井。这种沉井施工方法是最传统有效的沉井施工方法，一般主要由套井、井壁和刃脚这3 个部分组成，首先，在靠近地表预先作好的一段满足设计要求的套井以保护井口，并在套井周围安设导向钢板并搭设润滑泥浆注浆设备。作为下沉主体的井筒即可作为沉井的永久井壁，同时考虑到井筒在下压需要较大的自重及整体刚度，井筒一般为钢筋混凝土结构，并随沉井下沉不断在井口浇筑接长。最下部的钢制刃脚则位于井筒下方，承受井筒整个重量切削土体下沉，刃脚下沉后在井壁四周形成一个环形空间，达到下沉深度以后停止排土并浇筑混凝土封底阻止再次下沉，完成整个沉井施工。目前，国内最大的陆地沉井连镇铁路五峰山长江特大桥北锚碇的超大沉井，其北锚碇沉井长100.7m、宽72.1m、高56m，建成后重量达133 万吨。

（2）压入下沉沉井。压入式沉井法主要是通过控制刃脚土体开挖量再配以辅助下沉措施进行压入下沉，结构采用分节浇筑、多次下沉，可分为排水开挖和不排水开挖方式。通过采用灌砂法、射水法、泥浆套法及空气幕法等来实现减阻及纠偏，另外，还采用穿心千斤顶、反力桩等措施实现主动控制的压入式下沉，通过保证坑内留土，可减小周边沉降变形。压入法最早应用于沉箱法施工桥梁基础中，早在1989 年，于日本西高岛平高架桥下部工程施工时，为解决场地狭小的问题就采用了压入开口沉箱法。近年来，随着施工机械设备的发展，一些市政工程也采用了压入式沉井工法，其规模和深度呈不断增大趋势。国外方面，Allenby 等介绍了苏格兰某污水处理工程中4 个采用压入法施工的沉井案例。Newman 等介绍了伦敦泰晤士环城水道延伸工程中隧道两端采用压入式沉井工法施工的工作井案例。国内直到近几年才出现了采用压入式沉井施工的工程。采用顶管法施工的上海市污水处理白龙港片区南线东段输送管道工程，也在其中1 个工作井采用了压入式沉井工法。

（3）VSM 竖井掘进。VSM（下沉式竖井掘进机）是由德国海瑞克公司最新研发的下沉式竖井掘进机，最早于2012 年在北美地区首次应用，其主要组成包括预制拼装管节、伸缩铣挖臂、下沉控制装置、泥水分离站、动力装置、控制装置等。是采用内部结构预制化管节，通过配有伸缩铣挖臂进行机械式切削,土渣通过土转液装置排至地面。地面配有泥水分离装置，通过地面动力装置控制管节的吊装、下沉。在掘进下沉期间，铣挖头在水下切削竖井底部土体，待刃脚下方土体掏空后，井身处于悬吊状态，刃脚下部土体依靠泥浆护壁稳定，随后通过下沉装置放松钢丝绳，完成井身下沉。我国使用此类装备的起步时间较晚，在2020 年南京市建邺区沉井式地下智能停车库(一期)工程项目中首次进行应用，这也是此设备到目前为止在我国唯一一次应用。而且，目前，国内没实际应用的国产化设备，主要完全依靠进口设备，价格高昂。

2 沉井施工方法对比

2.1 各工艺优势及使用范围

各类沉井施工工艺基本都是依靠井筒下沉完成整个沉井的施工，但在沉井结构、下沉及挖掘方式等方面都有不同的特点及适用地质，一般情况下，会根据不同的施工环境及地质条件，选择最适合的沉井工艺方法，各工法具体对比分析如表1。

表1

2.2 各工艺局限性

由于工程所处的地质条件及施工环境大相径庭，因此，在不同的情况下，一般会选择最适合的施工方法，充分考虑各类工艺是否能够适应技术及成本要求，以充分发挥各类施工方法各自的优势。但以上主流工艺方法都具有一定的局限性，自重下沉式沉井由于主要依靠自重下沉，因此，下沉过程可控性较差，在实际施工中常会发生下沉困难的问题；压入下沉沉井避免了刃脚切削力量不足的问题，但挖土过程中也可能发生突沉及超沉的情况，下沉精度控制能力较差；VSM 装备通过悬挂式下方解决了突沉问题，但更适用于硬质底层竖井施工，且全套设备由于进口价格很高，对项目成本有严格的要求。

3 APM 工法设计

3.1 APM 施工工艺

由于各类施工方法具有一定局限性，为提升沉井施工效率及质量的同时能够降低成本，因此，以各类施工方法的优势为基础，吸收各套自动化设备的先进技术，提出了APM 施工工艺的设计构想。APM 工艺全称为主动控制型装配式沉井装备（以下简称APM），结合了自动挖土系统及悬挂下沉系统的优势，并采用灵活的构造结构设计，可适用于各种结构类型的沉井如钢结构沉井、混凝土沉井等。其主要工艺原理为通过水下开挖成井工艺，采用水下机械化开挖、预制井壁下沉、水下封底等设计，实现沉井高度机械化的施工。不同于传统的水下沉井工艺需要抓斗取土，APM 工艺类似VSM 工艺的挖掘方式，采用了水下机器人进行挖掘，且机器人固定于水下十字梁上，可通过合理的布局及挖掘区域分配，即可适用于各类形状的沉井结构。APM 工艺施工装备系统主要包括推进悬吊系统、取土系统、润滑系统、拼装系统及控制系统。井身为预制管节拼装，沉井井身外壁注入减摩泥浆，井口布置推进悬吊系统主动控制沉井下沉，井内采用水下机器人取土施工。

3.2 APM 施工设备

（1）推进悬吊系统。在井口布置的推进悬吊系统主要由4 组提压装置、压环和液压控制系统组成，施工过程中，推进悬吊系统主动控制沉井井身下沉的速率和行程，保证沉井的下沉过程的稳定。整个下沉过程中，4 组提压设备所提供的拉力及压力均由环梁下抗拔桩提供反力。

（2）取土系统。取土系统主要由十字梁上布置的水下机器人及相应排泥浆管路等辅助设备组成，沉井取土采用十字梁上安装的水下机器人在沉井内水下绞吸取土，泥浆通过设备上泥浆泵及卷盘泥浆管路泵送至地面。

（3）润滑系统。在沉井井身外壁注入减摩泥浆，减少沉井下沉摩擦阻力，对沉井下沉起到助沉效果，同时，随着沉井下沉，泥浆套同步注浆补浆。

（4）拼装系统。沉井井身采用预制管节进行拼装，现场采用吊车吊装管片，并在沉井管片周边安装管片紧固装置，利用该套紧固装置对管片缝处的弹性密封垫，辅助管片拼装成环。

（5）控制系统。施工操作采用了一套可视化系统，该系统集成了装备和施工的各项关键数据与信息，用可视化的方式向操作人员直观地表达施工情况。它具有沉井结构参数模块、关键施工参数与施工进度模块、三维虚拟开挖模块、刀具挖掘轨迹模块、注浆模块、压力矢量模块、土体扰动模块、报警模块、辅助功能模块等，功能完备，便于施工操作。

3.3 APM 工法主要施工要点

APM 工艺为水下开挖成井工艺，采用水下机械化开挖、预制井壁下沉、水下封底。主要施工流程如下。

（1）APM 设备基础施工。根据设计图纸及测量控制点，用全站仪测设出沉井中心和抗拔桩中心位置，然后按环梁尺寸测放出基坑围护及开挖范围，根据沉井平面尺寸定出沉井刃脚位置。并按照测量点位依次进行抗拔桩、钢板桩围护、基坑开挖及环梁施工，完成后进行钢刃脚拼装及十字环梁浇筑，最后安装APM 设备。

（2）沉井管片拼装。以本项目为例沉井结构采用通用管片，每环由4 块管片组成，分为上小下大正梯形A 型和上大下小倒梯形B 型两种形式的管片，其中A 型管片两块，B 型管片两块。管片采用错缝拼装，纵缝设置有剪力销及通长螺杆，确保管片链接紧密的同时能够与悬挂下压系统可靠链接。

（3）沉井下沉取土及泥浆套跟踪：土体开挖采用分块、分层、对称开挖，先沉后挖，沉挖交替进行，限时完成开挖与沉井施工。沉井下沉取土施工顺序为每次管节拼装完成之后，利用主动控制系统控制沉井下沉至预定位置，每次下沉完成后，再操控取土设备进行沉井开挖取土。沉井开挖过程中，应在井底根据十字梁边界划分的4 个分区内对称进行，如下图所示，先施工1 区，再施工2区，以此类推。取土按照分层对称开挖方式进行，每次分层开挖深度根据开挖控制表进行,当需要刃脚下取土时，应对称均匀冲取刃脚下的土体，以保持沉井整体的平衡和均匀下沉。施工中沉井内各格土面高差不得大于0.5m。沉井下沉取土交替进行。如果土层强度较高、绞吸难度较大时，可利用绞吸头上安装的高压喷嘴，对土体进行高压射流切削，以提高挖土效率。沉井初沉后，为减少土体与井筒间摩阻力，平衡沉井外地层压力，通过环梁及管节上预埋的注浆管往井壁外环状间隙注入触变泥浆，每个注浆孔点均分配单独管路，球阀独立控制，采用压力、注浆量双控，在井筒外壁形成一圈泥浆套。触变泥浆应保证在施工期间要求泥浆不失水、不沉淀、不固结。同时，在环梁与外管壁位置安装泥浆封闭装置，保证孔口保压，密封井口封闭形式为双套盾尾刷加聚氨酯密封泥浆。

（4）水下混凝土封底施工准备：沉井下沉到位后，将水下取土设备吊起至浮平台处，在水下取土设备铰刀头安装钢丝刷。使用高压水喷嘴配合钢丝刷对刃脚及十字梁进行冲刷、清扫。清扫完成后，井内注入清水，水下机器人抽取井内底部沉渣。沉井混凝土封底采用垂直导管水下灌注法，利用每个象限区域设置一套导管进行封底，封底采用商品混凝土，利用汽车泵泵送进行分区、对称灌注。

4 结语

沉井工艺具有对环境影响小、施工效率高、安全可靠的特点，在技术条件及施工环境日益严苛的市政及建筑施工行业中的竖井施工具有显著的优势。沉井施工工艺经过几十年的发展也开发出各类施工工法及装备，本文总结了各类施工方法的优缺点并取其所长，结合各类工法的优势后设计了APM 施工工法，并自主研发了相应的施工装备及工艺，实现了全自动化施工，极大地提升了沉井施工的效率及安全可靠性。同时，由于设备全部为自主研发及生产，成本较低，具有很大的实践及推广价值。