垂直沉井法(VSM)在工程中應用

麻智宏

中國水利水電第三工程局有限公司 陜西 西安 710000

1 引言

隨著城市地下空間的不斷開發利用，工程建設向縱深發展是必然發展趨勢，如今工程中采用深基坑方法多采用地下連續墻、咬合灌注樁等形式結合明挖法成井技術。該工藝需要較大的施工場地、較長的工程周期，同時涉及多個承包商給施工管理多帶來不便。

本文以新加坡深水隧道污水系統二期工程為背景，闡述了VSM設備的工作原理，并綜合分析與傳統明挖法相比的優缺點。

2 垂直沉井工法(VSM)

2.1 垂直沉井法簡介

垂直沉井法采用德國海瑞克VSM垂直掘進，該設備不受地下水位影響，采用不排水下沉方式使設備能夠在地下水環境中作業，采用泥漿處理系統，可根據不同井大小調整開挖直徑，最大開挖深度達85米；適用于抗壓強度小于80MPa的軟土和穩定土層中使用，應用范圍較廣[1]。

VSM工法能夠適用于場地空間受限的條件下快速掘進施工，且能通過集成化設備極大的減少工作面交接，從而減少施工管理的難度。

2.2 VSM工法原理

該工法主要結構包括豎井挖掘設備、井壁下沉設備、動力設備、泥漿處理設備[2]。

豎井掘進機通過三條機械臂通過定位錨鉸固定在井壁上，機械臂中央安裝能夠旋轉的銑挖頭，銑挖頭可以收縮，通過執行上轉、下轉和旋轉動作完成整個豎井面的挖掘，同時借助設在銑挖頭下部的潛水泵將切削下來的渣土通過泥漿攜帶至地面泥漿處理系統進行分離，以完成開挖動作。

圖1 VSM工法-豎井掘進設備

圖2 VSM工法-豎井掘進設備

井壁下沉設備對稱布置在豎井周邊環形混凝土基礎上，由4組液壓油缸組成，通過油缸的同步收縮來實現整個豎井井壁機構緩慢均勻下沉。下沉設備組對于結構的垂直度起著至關重要的作用，因此施工過程中需嚴格控制井壁均勻對稱沉降。

豎井井壁可以采用預制混凝土管片拼裝制作，也可采用成型模板現澆制作，前者可以有效節約工期，但存在成本較高的劣勢，井壁制作可以在與豎井挖掘同時進行，因此VSM可以實現較快的施工進度。

待井壁下沉到設計深度后，將挖掘臂移出拆除，采用導管水下澆筑混凝土臨時封底，抽出豎井內泥水后對豎井進行清理并澆筑豎井底板。

圖3 管片拼裝

2.3 VSM工法主要施工工藝流程

VSM基座（導向環）施工→井壁切削刃腳安裝 →澆筑初始掘進井壁，同時地面組裝挖掘臂→安裝下沉設備液壓油缸→吊裝挖掘臂→系統聯合調試→豎井開挖→井壁安裝→井壁下沉→挖掘臂移出→水下澆筑豎井封底→井內泥水抽排→井內清理并安裝內部設施。

3 垂直沉井法與明挖法對比分析

3.1 工程背景

本工程屬于深部隧道掘進工程，隧道總長11.3公里，開挖區間有3個始發井以及多個中繼井，本文針對其中一個始發井K以及相鄰中繼井K1施工工期、機具、費用以及風險進行對比分析，借此闡述新工法在垂直豎井開挖優缺點。

文中所述兩個工作井主要地質包括淤泥質黏土，黏土以及泥巖，K井主要以地下連續墻以及分段開挖并支護的傳統作業方法成井，K1井則使用新工法，采用VSM機器豎直開挖成井。

二者主要工程概況如表1：

表1 兩井主要工程概況

3.2 施工工期對比分析

不同工法開挖豎井，其主要施工工序也有較大差異。主要施工工序及工期見表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，我們可以看出：在VSM工法施工過程中基礎以及現澆井壁占用較長時間，主要是因為該階段有大量的鋼筋及模板工程，而采用管片拼裝可以大大加快開挖效率，減小工期。

通過對表2和表3中數據對比分析可知：VSM工法在豎井開挖過程中，前期準備階段相對較長，而后期開挖及井壁施工可以大大節省施工工期，因此對于深井開挖VSM工法縮短工期效果較為明顯。

值得注意的是：本工程中繼井K1開挖是亞洲首次將VSM工法應用于豎井開挖，因此在一些關鍵技術以及機器維修方面尚出于探索階段，因此成熟階段施工工期應略短于該值。

3.3 施工機械分析

由表4所列主要施工機具看出：由于傳統成井方法施工工序繁多，所以該方法所對應的機械設備多種多樣，同時合理安排場地布置，以及施工機械進出場顯得尤為重要，施工中對工程管理工作有較高的要求。

表4 K井主要施工機具

而參照本文2.1所介紹部分，VSM工法可以將多重工序集于一體，除本身各主要系統的組裝外，僅需一臺吊車輔助作業即可。這意味著VSM工法施工場地占用較小，利于市區繁忙地段施工，同時工序簡單，工作交界面少，可以極大地減少施工管理任務。

3.4 費用分析

參照表2及表3中兩種不同工法的主要施工工序，二者主要區別在于：VSM工法需要在前期的設備購買費用以及開挖過程中井壁管片生產費用，然而采用該方法可以節省地下連續墻以及開挖前土體加固的費用。

同時由于VSM設備具有可調節功能，可應用于不同直徑的深井開挖，可多次重復利用，以降低設備購買費用，從而體現其價值。

3.5 風險分析

對于傳統工藝成井法主要施工風險在于，地下連續墻施工過程中槽體坍塌引起地面不均勻沉降；開挖過程中易出現涌水涌砂；開挖對周圍地下水影響較大，需考慮降排水措施等。

而VSM工法是采用泥漿系統攜帶開挖土體完成開挖，以回灌水平衡井內外地下水位，減小內外壓力差，當井底混凝土澆筑完后，整個井體形成類似于水杯的封閉空間，因而能有效地減少地下水位的流失，所以不易造成周圍地表下沉及井內涌水事故。

4 總結與展望

本文通過對新加坡深水隧道污水系統二期工程不同施工工法開挖深井進行對比分析，針對VSM工法總結以下結論：1.適用范圍廣、尤其在高水位地下豎井結構優勢突出；2.施工工序少，便于施工管理，且在深井開挖中可有效縮短工期，并能有效的降低風險；3.施工前期投入較大，循環使用可降低成本；4.占地面積小，在市區繁忙地段有限的施工場地更具競爭力。

隨著現代化城市發展需求，必然會向“深”度發展，相信VSM工法能在未來深部結構工程施工過程中發揮其優勢，例如地下地下智能停車場、深部污水隧道中始發接受井、中繼井以及逃生井的施工中嶄露頭角。