大直徑超深圓豎井內襯逆作法施工技術研究

印辰璽

(上海市基礎工程集團有限公司，上海 200002)

1 大直徑超深圓豎井的結構優勢

在地下工程施工中，受水土壓力作用，圍護結構承受著巨大的荷載，荷載引起結構變形從而產生環境變形，而深層土體水平位移、土體沉降等環境變形又會引起原狀土體的內應力變化，使得地下工程圍護結構穩定設計計算成為一個復雜的問題。因此在圍護體系設計時，應盡可能提高支護體系強度，減少圍護結構自身的變形。在這方面，在受到外荷載作用下，圓形結構受擠壓作用下的拱效應可以使結構更加緊密穩定。

另外圓形結構規整，有利于通過模塊化施工來提高施工功效，通過合理的建造工藝、結構布局、建設時序、基坑圍護方案等對策多管齊下，更有效控制基坑變形[1]。

綜上所述，大規模、大深度的地下工程中，圓豎井的結構形式更有利于圍護體系的穩定，可充分發揮其環向剛度，使得圍護結構形成空間受力體系，對于基坑安全意義重大。

2 大直徑超深圓豎井在上海蘇州河段深層排水調蓄管道系統工程中的應用

蘇州河深隧項目以8座大直徑超深豎井作為工作井和入流井，以大直徑盾構形成一條15.7 km的深層雨水調蓄總管，再以二三級管網將城區排水系統接入總管，達到58 km2范圍內的系統升級[2]。

以此工程云嶺西工作井為例，其主體豎井開挖深度58.65 m，直徑達34 m，遠超上海地區已建基坑的最大深度。該工程所處地區為富水軟土地層，且位于城市中心區，面臨諸多技術難題。

2.1 復雜地質條件下的承壓水控制難點

本工程所處施工場地地層情況復雜，潛水水位高。豎井深度已貫穿上海⑦層土，即上海第Ⅰ承壓水層；涉及第⑨層土，⑩夾層，即上海第Ⅱ，第Ⅲ承壓含水層的減壓降水。上海第Ⅱ承壓含水層分布面廣、層厚、水量大減壓降水對周邊環境影響顯著，同類工程經驗又極為匱乏。因此充分掌握各層承壓水的水文地質特征、制定合理的降隔水措施，有效控制承壓水風險是豎井基坑設計、施工的關鍵所在。

2.2 豎井超深基坑的設計理念

本工程環境保護要求高，保護等級達到一級，基本不具備沉井施工條件，因此設計采用圍護結構結合明挖法施工的方式進行施工，圍護結構采用1 500 mm厚地下連續墻，充分利用圓豎井空間結構特點，結合環向內支撐體系，形成強有力的支護體系，同時利用深達105 m的圍護結構，完全阻斷第Ⅰ承壓水層，深深插入第Ⅱ承壓水層中，以減少降壓降水的影響[3]。

豎井結構方案的可行性、可靠性依賴于深圍護結構的可靠性。本工程采用1 500 mm厚105 m深的銑接頭工藝地下墻作為圍護結構，以世界先進的德國寶峨產MC128雙輪銑槽機實現了1/1 000垂直度的超高精度控制。

2.3 內襯逆作的方案優勢

1)對地墻接縫的加強。

銑接頭地下墻以混凝土直接咬合形成接縫，其接縫處的抗變形能力較差，采用內襯逆作法能夠隨開挖進度及時形成環向內襯，既減少了銑接頭接縫變形的風險，又可以作為環向支撐加強支護體系，極大的降低工程風險。

2)對工效的提升。

首先，采用圓形豎井結構進行明挖法施工，同時采用逆作法的方式從上往下隨著開挖進行內襯澆筑，利用內襯結構形成環向支撐體系，從而取消了井內對撐的設置，使豎井內形成一個開闊的操作面，極大地方便了土方的開挖和物料的垂直運輸。

其次，內襯逆作可以做到開挖完成即形成永久內襯結構，也就是說開挖完成即是工作井主體完成，馬上就具備了盾構作業的條件，可以大幅度提前盾構作業開始時間，對于工程整體進度相當有利。

3)對工程安全的總體提升。

地下工程施工遵循時空效應，在保證圍護體系足夠穩定的同時，更高效的施工效率，帶來更短的施工時間，以及更小的環境變形，對于工程的總體安全意義重大。內襯逆作法節點圖見圖1。

3 內襯逆作的技術難點及研究

3.1 內襯逆作的技術難點

內襯逆作法優勢諸多，但其逆向形成的施工縫處理難度很大。

施工先期與后期施工的結構間存在施工縫，理論上混凝土會因收縮在其表面形成空隙，同時接縫表面也會存在析水或聚集氣泡等缺陷。這種缺陷可能導致接縫滲漏，甚至結構受力垂直方向應力傳遞不可靠。因此進一步研究逆作法施工縫技術問題及解決方案至關重要。

3.2 施工縫處理的技術研究

在本工程超深豎井基坑內襯墻體施工中，施工方法、施工流程、混凝土配比等多方面因素均會對結構墻體質量產生影響。故正式施工前，進行同比例墻體試驗，對工程中提出的問題進行試驗研究、確定逆作施工縫處理方法[4-5]。

現場采用同比例模擬試驗，首節襯墻采用門架懸吊待達到強度后施作下方襯墻。接頭試驗組設3類，分別為水平縫接頭試驗組、15°接頭試驗組(見圖2，圖3)、30°接頭試驗組。超灌法試驗組設2類，分別為全斷面喇叭口和間距1 m的喇叭口布料方式。并結合5種混凝土配合比將實驗劃分為10組，詳見表1。

表1 試驗分組表

試驗墻上下兩層混凝土由于時間的關系，受混凝土的水化熱及溫度變化影響，施工縫處不可避免出現1 mm～3 mm縫隙，當采用水平澆筑時，施工縫尤為明顯。為消除隱患，故將縫面結合混凝土施工性能設計定傾角，當在新舊混凝土界面處設斜向施工縫時，由于斜向施工縫的存在，一是延長滲水路徑，提高內襯結構的抗滲能力，二是便于排除空氣，有利于墻趾混凝土的密實。在下層混凝土澆筑時，為確保施工縫處墻趾混凝土的密實，減少因混凝土硬結過程中干縮導致新舊混凝土接合部位出現水平向裂縫，可采用全斷面法澆筑，同時在施工縫處施作“假牛腿”構造的方法有效保證施工縫處混凝土澆筑密實度。

3.3 逆作施工縫的技術要點

試驗墻最終通過直接切割的方式展現出不同方案下接縫的實際表現，結合工程實際需要，本工程內襯逆作終確定采用15°+止水鋼板+注漿管+全斷面澆筑的施工工藝(見圖4)。

同時結合MJY型豎井整體移動金屬模板系統相互配合，從實施效果來看，豎井墻身水平變形非常小，接縫未出現嚴重滲漏水，實施效果良好。

4 MJY型豎井整體移動金屬模板系統的技術研究

在蘇州河深隧項目豎井開挖施工期間，設計采用環狀逆作內襯方案，傳統木模的施工工藝難度大，模板耗量高，施工效率較低，無法滿足國內軟土地區第一深基坑的開挖。為要攻克這一難點，通過實地觀摩考察，并結合內襯環狀的幾何形態以及逆作施工的特點，設計了一套整體下放的大直徑圓形金屬模板系統——MJY型豎井整體移動金屬模板系統。

4.1 系統的設計理念

該系統由16點同步提升系統、模板結構系統及定型金屬底托架組成。鋼模系統BIM效果圖如圖5所示。

懸吊系統由16組HSL50300智能油缸及其配套卷纜架組成，設計提升能力800 t，系統通過兩側的主副兩個集成泵站進行控制，并通過每組4根，共計64根直徑15.2 mm的鋼絞線與下部吊具連接，設備開啟后，通過液壓油來推動油缸、活塞往復運動，即上夾持器和下夾持器的荷載轉換，從而實現垂直提升或下降(見圖6)。

模板由48標準塊組成，高度3.0 m，通過16個加塊，實現變徑。通過伸縮油缸實現支模和脫模過程，模板的伸縮口處主要由液壓油缸、限位頂桿、限位螺桿、導向槽鋼、液壓油管、雙向液壓鎖及油缸保護膠皮蓋板組成。模板上部設置48塊耳板，采用16點懸吊，通過設置在環梁上的16點液壓同步提放系統懸吊實現模板提升和下放。

模板就位后，通過模板上部的澆搗口澆筑混凝土，混凝土輸料管同時對稱在模板上方的全斷面環形澆筑口進行混凝土的澆筑。按照順時針或逆時針順序依次擺動澆筑，保持混凝土差程不超過50 cm。同時進行混凝土振搗，確保混凝土密實。井壁全部澆筑完成后，混凝土強度達到初凝后，將澆搗口內混凝土全部清除，以便脫模時不受卡阻。澆筑完成48 h后，開始進行脫模作業，把液壓泵站運到井底開挖面，將高壓油管連接到脫模油缸對接上，首先松開限位頂桿，并開動液壓站，啟開高壓閥門，使油缸工作帶動活塞內收，將伸縮段模板及附近模板塊脫模，從而達到整體圓形收縮。鋼模板及懸吊系統實景圖見圖7。

4.2 系統的設計難點

本次設計的金屬模板系統直徑大，且無內支撐體系，對模板剛度要求高。另外模板脫模需要利用模板的彈性收縮，因此在設計時需要在剛度和脫模之間進行設計平衡。

1)模板剛度的設計。

在模板立模進行混凝土澆筑的施工過程中，模板的受力可被簡化成一個靜態受力模型。在不考慮混凝土初凝的條件下，按流體考慮平均靜水壓力均勻作用在模板上。通過建立數值分析模型進行計算(見圖8)。

2)模板脫模的設計。

國內有學者認為混凝土井壁對模板脫模阻力的最大值應出現在脫模開縫一瞬間，隨后模板收縮量增大，擴縫過程中脫模阻力比較小。

脫模采用4支10 t的液壓油泵控制脫模，作用點的位置分別為上、下端各1支油泵，中間2支油泵。4支油泵共同控制，當模板被揭開至一定范圍，模板因自身重量超過混凝土與模板的黏結能力而脫落。脫模以1/2的整體模板作為一個單元進行脫模。

4.3 系統的運用和取得的成果

該系統對深隧圓形豎井基坑結構逆作施工起了巨大的助力作用，主要表現在以下幾個方面：

1)模板自動化同步升降提高施工功效。模板自動化的整體下放較傳統木模拆支模時間大大縮減，對提升施工功效起到重要作用。

2)縮減開挖時間，保證基坑安全。本工程內襯墻共分12節，每節3 m，開挖以分層、分區、均衡、對稱進行為原則，采取盆式開挖形式。在上一層結構達到設計要求強度前，保證基坑周邊留土厚度，再進行下一層土方開挖，以減少地墻暴露時間，利用地墻周圍所留土堤，阻擋其變形。下層土方開挖完成前鋼模對上層襯墻起到一定約束作用，較傳統木模節省拆模時間的同時對提前開挖提供了有力支持。

3)模塊化施工保證施工質量、提升施工效率。托架作為移動金屬模板的鋼結構基座，底部填充細砂后起到底模的作用。較傳統木模底模有更高的剛度保證底模的平整度的同時避免鑿毛時對預留接駁器的破壞，有效保證結構施工質量；同時托架與鋼模板構成完整的模板體系具有強度高、組合剛度大的特點，較傳統木模拼縫更加嚴密、不易變形，擁有更高的真圓度，更好的保證了模板的整體性，更大程度地降低了漲模、爆模的風險；每層3 m高度將整個基坑內襯劃分為12節標準化施工段，有利于有序、高效、安全的逆作施工等。

MJY型豎井整體移動金屬模板技術的應用對于深隧超深圓形豎井的順利施工有巨大助力作用，對于提升施工功效，保證施工質量起到了重要作用，對于今后超深圓形豎井基坑逆作施工技術的完善有很大借鑒意義和理論支持。

5 結語

從蘇州河深隧項目圓形豎井施工效果來看，采用大直徑超深圓豎井內襯逆作的方案，圍護變形極其微小，周邊環境影響可控，施工質量可靠。

大直徑超深圓形豎井有著結構空間受力好的特點，結合豎井內襯逆作法施工能夠極大地降低工程風險。

圓形豎井內襯逆作，對于逆作接縫應采取合理的結構形式和施工措施，確保接縫可靠。

圓形內襯結構規整，可以設計專用的自動化模板系統，實現高效、自動、模塊化的施工，經濟效益顯著。

以上實踐經驗對類似工程具有很大的借鑒意義。