豎井掘進(jìn)施工中井筒中心位置偏差控制技術(shù)的研究

摘要：以京白區(qū)間盾構(gòu)井為案例，深入闡述了管片拼裝控制、主機(jī)掘進(jìn)控制、井筒下沉控制、管片垂直度監(jiān)測(cè)、銑挖斷面控制、設(shè)備導(dǎo)向系統(tǒng)控制、井壁間隙控制、側(cè)向注漿控制等多重井筒中心位置姿態(tài)控制措施。通過(guò)采用上述采用措施，保證了VSM豎井掘進(jìn)施工井筒中心位置偏差在可控范圍，有效提高了整體工程的工期及經(jīng)濟(jì)效益，并為后期豎井施工糾偏工作控制提供了參考。

關(guān)鍵詞：機(jī)械法豎井；井筒偏差；開(kāi)挖掘進(jìn)；管片拼裝；姿態(tài)控制

0" "引言

豎井掘進(jìn)機(jī)（VSM）可實(shí)現(xiàn)在下部工作條件不明或缺失的情況下精準(zhǔn)開(kāi)挖井筒施工，是施工建設(shè)的新型裝備。在掘進(jìn)過(guò)程中，地層的差異性、現(xiàn)場(chǎng)的施工條件、設(shè)備操作水平、施工工藝技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)人為因素等，都會(huì)干擾豎井掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中的姿態(tài)，導(dǎo)致掘進(jìn)過(guò)程中鉆頭和巖石接觸鉆進(jìn)方向偏離設(shè)計(jì)井筒軸線，產(chǎn)生位移或角度偏斜，影響工程質(zhì)量，甚至?xí){豎井掘進(jìn)施工的安全。為此豎井掘進(jìn)機(jī)在施工過(guò)程中，須嚴(yán)格落實(shí)各項(xiàng)管控措施，并對(duì)偏差原因進(jìn)行分析與處置，保證井筒姿態(tài)可控。

針對(duì)廣花城際項(xiàng)京白2#盾構(gòu)井機(jī)械法豎井施工中，面臨著全斷面豎井掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)偏差的風(fēng)險(xiǎn)，本文在分析圍巖穩(wěn)定性及設(shè)備可靠性基礎(chǔ)上，現(xiàn)場(chǎng)采取了一系列相關(guān)管控措施，并對(duì)管控效果和施工工效進(jìn)行分析。

1" "工程概況

1.1" "工程基本狀況

廣花城際京白區(qū)間2#盾構(gòu)井機(jī)械法豎井，為國(guó)內(nèi)首次將沉井式豎井掘進(jìn)機(jī)技術(shù)應(yīng)用到城市軌道工程的項(xiàng)目。機(jī)械法豎井采用垂直掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖，斷面直徑14m，深度28m，下段采用明挖法施工，開(kāi)挖尺寸為8.7m×9.4m×14.76m。工作井采用機(jī)械法豎井掘進(jìn)機(jī)（VSM）進(jìn)行施工，開(kāi)挖直徑14.2m，斷面形式為圓形。豎井采用預(yù)制管片襯砌結(jié)構(gòu)，采用強(qiáng)度等級(jí)為C50的預(yù)制混凝土管片，抗?jié)B等級(jí)為P12，管片厚度500mm，管片寬度1.5m。

1.2" "地質(zhì)狀況

機(jī)械法豎井開(kāi)挖范圍內(nèi)的主要地層為人工填土層、粉細(xì)砂層、礫砂層、粉質(zhì)黏土層、河湖相沉積淤泥質(zhì)土層、殘積砂質(zhì)黏性土層，全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖、微風(fēng)化花崗巖層。底部巖面起伏大，巖面傾角達(dá)17°，起伏高差約6m。旁邊有河流，地下水位高。圍巖地質(zhì)如圖1所示。

2" "井筒施工工藝流程

按照平整場(chǎng)地、設(shè)備安裝調(diào)試、開(kāi)挖掘進(jìn)、井筒下沉、管片拼裝、間隙注漿等一系列流程開(kāi)展豎井掘進(jìn)施工。井筒施工工藝流程如圖2所示。

3" "控制井筒位置偏差措施

3.1" "管片拼裝控制

管片拼裝過(guò)程中，每一次掘進(jìn)距離滿足管片環(huán)寬時(shí)，需要及時(shí)拼裝一環(huán)管片距離。吊放管片要輕吊輕放。拼裝管片時(shí)，要間隔拼裝，使其受力均勻，確保井壁不偏移不傾斜。對(duì)錯(cuò)臺(tái)、橢圓度、拼縫張開(kāi)情況等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，并嚴(yán)格控制拼裝精度。井筒管片拼裝順序如圖3所示。

3.2" "主機(jī)掘進(jìn)控制

豎井掘進(jìn)前，針對(duì)不同地質(zhì)情況、含水率等情況，設(shè)定符合要求的超挖系數(shù)、最大注漿量值、單次銑頭最大下沉量、機(jī)頭扭矩及轉(zhuǎn)速等掘進(jìn)參數(shù)。

針對(duì)不同地層設(shè)置不同超挖量，軟土地基的超挖量較小，堅(jiān)硬地層的超挖量需加大。掘進(jìn)過(guò)程中，根據(jù)機(jī)頭實(shí)時(shí)扭矩值，及時(shí)判斷實(shí)際地層與施工圖的符合情況，保證掘進(jìn)平穩(wěn)。掘進(jìn)過(guò)程中應(yīng)控制開(kāi)挖面的穩(wěn)定性，如發(fā)現(xiàn)開(kāi)挖掌子面局部出現(xiàn)坍塌趨勢(shì)，應(yīng)及時(shí)停止掘進(jìn)，調(diào)整泥漿比重，加強(qiáng)各項(xiàng)掘進(jìn)數(shù)據(jù)參數(shù)分析，做好掌子面注漿加固措施的準(zhǔn)備工作。

3.3" "井筒下沉控制

井筒下沉主要依靠設(shè)備和井筒自重?cái)D壓土體實(shí)現(xiàn)進(jìn)尺，開(kāi)挖斷面開(kāi)挖完成后，豎井要及時(shí)進(jìn)行下沉，避免出現(xiàn)土體坍塌的風(fēng)險(xiǎn)，確保下沉高度與開(kāi)挖高度一致。為減少井筒下沉過(guò)程中產(chǎn)生的阻力，同時(shí)避免下沉?xí)r間過(guò)長(zhǎng)或碰撞周邊土體而導(dǎo)致側(cè)壁土體發(fā)生塌陷，需在管片與地層之間間隙填充飽滿的膨潤(rùn)土泥漿。在鋼刃腳位置處設(shè)置止?jié){板，避免泥漿出現(xiàn)外漏。針對(duì)可能出現(xiàn)的井筒卡滯，應(yīng)做好應(yīng)急預(yù)案。先觀察銑機(jī)頭扭矩變化，判別井筒下部是否存在土質(zhì)異常、欠挖等情況。再嘗試降低鋼絞線負(fù)載，增大井筒向下的合力。

3.4" "管片垂直度監(jiān)測(cè)

管片垂直度監(jiān)測(cè)采用光纖光柵傾角傳感器進(jìn)行測(cè)量，各測(cè)點(diǎn)分別布置在B1分塊、B2分塊、B3分塊的管片內(nèi)側(cè)。鋼筋及混凝土內(nèi)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿沉井深度方向?qū)嵭懈舡h(huán)布置，各測(cè)點(diǎn)沿深度方向間距約為3m。各測(cè)點(diǎn)在沿井深方向應(yīng)盡量在同一直線上，且應(yīng)避開(kāi)掘進(jìn)機(jī)導(dǎo)軌。管片垂直度監(jiān)測(cè)布置圖如圖4所示。

3.5" "銑挖斷面控制

井筒在下沉開(kāi)挖的過(guò)程中，側(cè)向約束力度較弱，容易產(chǎn)生較大的側(cè)向位移，故開(kāi)挖過(guò)程中需要增加銑挖斷面，調(diào)節(jié)沉井姿態(tài)。同時(shí)減小偏移側(cè)環(huán)的超挖量，甚至需要改超挖為欠挖，利用土體的自身側(cè)向壓力將管片向中心方向擠壓推移。

3.6" "設(shè)備導(dǎo)向系統(tǒng)控制

豎井掘進(jìn)機(jī)主機(jī)安裝雙軸傾角傳感器，可以及時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)掘進(jìn)機(jī)水平姿態(tài)。通過(guò)導(dǎo)向系統(tǒng)監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)，可綜合分析判斷掘進(jìn)過(guò)程中設(shè)備的實(shí)時(shí)姿態(tài)。當(dāng)設(shè)備姿態(tài)與設(shè)定值發(fā)生偏移時(shí)，可通過(guò)調(diào)節(jié)單組井筒提升裝置的承載力來(lái)調(diào)節(jié)姿態(tài)。傾角傳感器監(jiān)測(cè)水平姿態(tài)如圖5所示。

3.7" "井壁間隙控制

在設(shè)備安裝定位精確基礎(chǔ)上，可在圈梁和井壁之間沿圓周一圈設(shè)置若干墊塊，通過(guò)墊塊與井壁擠壓程度判斷井筒姿態(tài)，限制沉井傾斜程度。在圈梁和井壁之間超挖一部分地層，使井壁處于懸吊狀態(tài)，沒(méi)有土層給予的側(cè)摩阻力，對(duì)調(diào)節(jié)井筒姿態(tài)更加便捷。井壁間隙控制偏差如圖6所示。

3.8" "側(cè)向注漿控制

開(kāi)挖過(guò)程中，沉井井筒下沉與周邊土體會(huì)形成空隙，采用雙泵四管路進(jìn)行注漿處理。注漿根據(jù)需要采用自動(dòng)控制或手動(dòng)控制方式。自動(dòng)控制方式即預(yù)先設(shè)定注漿壓力，由控制程序自動(dòng)調(diào)整注漿速度，當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，自行停止注漿。手動(dòng)控制方式則由人工根據(jù)掘進(jìn)情況隨時(shí)調(diào)整注漿流量、速度、壓力，并依據(jù)地層特點(diǎn)及監(jiān)控量測(cè)結(jié)果及時(shí)調(diào)整各種參數(shù)，確保注漿質(zhì)量。側(cè)向注漿控制原理如圖7所示。

4" "結(jié)果分析

4.1" "井筒開(kāi)挖偏差效果分析

豎井連續(xù)掘進(jìn)過(guò)程中，通過(guò)管片拼裝控制、主機(jī)掘進(jìn)控制、姿態(tài)控制、側(cè)向注漿控制等方面的嚴(yán)格管控，使其掘進(jìn)姿態(tài)得到了有效控制，井筒中心位置偏差均嚴(yán)格控制在2.5mm范圍內(nèi)。井筒中心位置偏差數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如圖8所示。

由圖8可知，豎井掘進(jìn)施工過(guò)程中井筒中心位置偏差橫向最大為2.35mm，縱向最大為1.35mm，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)未發(fā)現(xiàn)有異常變形，累積偏差量均在控制范圍內(nèi)，說(shuō)明井筒中心位置偏差控制效果好，達(dá)到了預(yù)期質(zhì)量、安全控制目標(biāo)。

4.2" 施工功效分析

豎井掘進(jìn)過(guò)程中，井筒中線位置偏差通過(guò)各項(xiàng)措施得到保證后，整體掘進(jìn)施工功效得到有效提升。豎井的日掘進(jìn)速度及平均速度如圖9所示。不同的地層條件掘進(jìn)功效均不同，該項(xiàng)目的豎井主要為3段不同地層，分別為雜填土和碎石地層、孤石層、強(qiáng)風(fēng)化巖層。雜填土和碎石地層平均速度約為9.3m3/h，孤石層平均速度約為4.2m3/h，強(qiáng)風(fēng)化層平均速度為5.5m3/h。原計(jì)劃整體施工掘進(jìn)60d，實(shí)際施工掘進(jìn)54d，節(jié)約工期6d。

5" "結(jié)束語(yǔ)

豎井掘進(jìn)過(guò)程中垂直姿態(tài)的控制不是單方面的原因造成的，需要通過(guò)人機(jī)料法環(huán)多方面因素進(jìn)行管控，才能確保姿態(tài)控制在規(guī)范要求范圍內(nèi)。本文以廣花城際京白2#盾構(gòu)井機(jī)械法豎井開(kāi)挖為例，通過(guò)設(shè)備選擇、掘進(jìn)過(guò)程控制、注漿管控、人員管理等綜合技術(shù)，對(duì)掘進(jìn)垂直姿態(tài)控制效果進(jìn)行分析。

通過(guò)對(duì)井筒中心位置姿態(tài)控制，可以有效提高施工質(zhì)量，降低混凝土管片破損率，減少開(kāi)挖塌孔造成注漿浪費(fèi)及填充注漿的不飽滿。井筒中心位置姿態(tài)控制準(zhǔn)確，可以有效提高整體工程的工期及經(jīng)濟(jì)效益，減少返工及后期缺陷整改的工作，為后期豎井施工糾偏工作控制提供參考。

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