深基础、地下空间、城市更新、土壤治理、水利防渗

VSM在新加坡深隧污水处理系统二期工程竖井施工中的应用


摘 要

摘 要:为了在软土层、岩层、地下水位以下的地层中快速高效地进行竖井施工,德国海瑞克公司研发了一套挖掘和支护同步、自上而下、循序渐进的下沉式竖井掘进设备(Vertical Shaft Sinking Machine, 简称 VSM)。下沉式竖井掘进设备施工技术是集掘进、沉井、井壁管片拼装、泥水处理循环等工艺于一体的机械化施工技术。文章结合新加坡深隧污水处理系统二期工程 T11 项目 K1 竖井建造的工程实例,梳理 VSM 施工工艺流程、总结施工经验,为国内竖井施工项目提供参考。


VSM在新加坡深隧污水处理系统二期工程竖井施工中的应用


1 VSM设备组件及工艺原理


下沉式竖井掘进设备(VSM)是德国海瑞克公司在21世纪初研发用于竖井挖掘的新设备,适用于80MPa以下的稳定软土地层或岩层 ,主要组件包括VSM主机、沉降装置(包括:回收卷扬机、动力管线塔、沉降单元)、操控室、泥水处理系统等,如图1所示。


VSM在新加坡深隧污水处理系统二期工程竖井施工中的应用

图1 下沉式竖井掘进设备组件


VSM主机主要实现竖井挖掘功能,由主舱、伸缩臂、铣挖头、机械臂、液压运输系统、工作平台等组成,如图2所示。


VSM在新加坡深隧污水处理系统二期工程竖井施工中的应用

图2 VSM主机


沉降装置由回收卷扬机、动力管线塔、沉降单元等组成,如图3所示。

VSM在新加坡深隧污水处理系统二期工程竖井施工中的应用

图3 沉降装置


回收卷扬机共有3台,其功能是提升VSM主机,进行维修保养或拆机工作;动力管线塔负责为VSM设备掘进提供必要能源,包括电能、液压油、净水、污水、润滑脂以及各种信号线和数据线;沉降单元共4组,其功能是通过钢丝绳紧紧提住竖井,确保竖井下沉时处于可控、平稳状态。


VSM工艺采取竖井内灌满泥水以维持地下水压力平衡,利用VSM主机底部的铣挖头在水下不断切削、挤压开挖面原状土,同时通过泥水循环系统将渣土排出,完成设定厚度的挖掘后,通过4组沉降单元下沉竖井再循环掘进。


当竖井下沉量满足井壁施工高度要求后,在地面完成井壁现浇或预制管片井壁拼装,如此循环,直至竖井下沉达到设计标高。


2 VSM在新加坡深隧污水处理系统二期工程K1竖井中的应用


2.1 工程概况

新加坡深隧污水处理系统二期工程所属新加坡污水处理综合系统,排污隧道长约50km,直径3.0~6.0m不等,共分5个标段。其中T11标段含有排污隧道长约12km(包括南部地下隧道和南部支线连接隧道),永久竖井15个,以及污水处理系统相关附属设施(竖井隔离闸门、空气管理系统等)的设计和施工。鉴于待建竖井数目多、围场狭小,且多个竖井位于市区或民房附近,施工环境复杂,因此T11项目部决定引进1台VSM完成包括竖井K1在内的5个竖井施工建造。


VSM在新加坡深隧污水处理系统二期工程竖井施工中的应用

K1竖井设计直径10.4m、深度36.8m,下部高10.4m采用现浇井壁,上部高26.4m采用预制管片井壁。工程地质为黏土SⅤ、黏土SⅥ和泥质砂岩SⅢ,标贯实验指标N=100。竖井规划范围内有1条东西走向的河沟,宽度为1.2m,在场地布置阶段以管涵形式搬迁到VSM施工区域外,无其他影响施工的管线。


K1竖井施工采用型号为VSM-12000的下沉式竖井掘进设备,其主舱内集成旋转装置能够围绕竖直轴线正向、逆向旋转190°;伸缩臂能在1m行程内自由伸缩,水平摆动角度为-10°~47°;铣挖头上装有96把截齿,最大转速80r/min、最大扭矩80kN·m。


2.2 K1竖井施工流程

根据设计,K1竖井采用VSM施工,井壁采用现浇和预制管片2种形式,施工流程如下:

1)环形基础施工:为安装沉降单元、动力管线塔、回收卷扬机等提供平台。地面同步进行泥水分离站的安装;

2)安装和固定钢刃脚及锚固件,按设计图纸绑扎钢筋,浇筑基环混凝土;

3)分层进行井壁现浇施工,直至现浇井壁高度满足VSM主机安装的最小高度要求(K1竖井施工时VSM主机安装的最小高度为5.8m);

4)安装VSM主机,完成VSM系统整体调试和验收工作;

5)井内回灌水,开始进行VSM沉井施工:当VSM下沉量达到2m时,进行当层井壁现浇,完成K1竖井10.4m高度的现浇井壁后,换用1.5m预制管片拼装竖井井壁;

6)沉井达到设计标高后,除保留4组沉降单元外,依次拆除VSM主机、回收卷扬机、动力管线塔等组件;

7)水下浇筑混凝土密封竖井底部,随后注浆回填竖井与竖直开挖面之间的环形间隙;

8)待竖井混凝土基础和注浆浆液达到设计强度后,拆除4组沉降单元;

9)抽出井内泥水,浇筑竖井底板;

10)K1竖井施工完成。


2.3 VSM施工关键技术

2.3.1 基环施工

和普通沉井一样,VSM工艺也要制作底部带有刃脚的基环作为竖井的先导部分,在沉井时刃脚直接切入开挖面土体,能够有效减小竖井下沉时遇到的阻力。


VSM工艺的基环与其他工艺相比有以下几点不同之处:


1)VSM基环是在钢刃脚上浇筑混凝土而形成的。在浇筑混凝土前,必须准确放置钢刃脚和锚固件(预埋件),并严格按设计图纸绑扎钢筋。


2)为了隔绝VSM施工时环形间隙里的膨润土和竖井内的回灌水,刃脚外侧需设置1层EPDM密封,如图4所示。

VSM在新加坡深隧污水处理系统二期工程竖井施工中的应用

图4 刃脚结构图


3)环形基础上的4组沉降单元是通过钢丝绳直接与刃脚上的锚固件相连的,连接示意如图5所示。

VSM在新加坡深隧污水处理系统二期工程竖井施工中的应用

图5 沉降单元与刃脚上锚固件连接示意图

2.3.2 沉降单元钢丝绳安装

钢丝绳一端固定在沉降单元的夹紧装置里,另一端固定在刃脚的锚固件上。当4组沉降单元的夹紧装置处于关闭状态时,钢丝绳因受竖井重力而处于拉紧状态。钢丝绳需在绳鼓内有序盘绕,避免交叉扭曲。绳鼓内还需设紧急刹车装置,避免钢丝绳失控下滑。


安装钢丝绳前,需准确计算每个沉降单元钢丝绳根数,其数值取决于竖井深度、直径、重量、竖井下沉摩擦力、浮力等。在K1竖井施工前,根据K1竖井直径、深度等因素计算出每组沉降单元需配置29根钢丝绳,4组沉降单元共计配置钢丝绳116根。


安装钢丝绳时,必须通过手动方式开启沉降单元的上、下2个夹紧装置如图6所示。

VSM在新加坡深隧污水处理系统二期工程竖井施工中的应用

图6 沉降单元内部结构示意图


使每根钢丝绳有序穿过油缸与刃脚上的锚固件相连。为了保证安全,当钢丝绳一端固定在锚固件上后,要及时关闭钢丝绳油缸的下部夹紧装置。此外,为使竖井平稳、可控的下沉,所有钢丝绳必须预先拉张到一个预设拉力(一般为40kN),然后关闭油缸的上部夹紧装置,使钢丝绳完全处于预拉状态。


2.3.3 VSM测量系统

VSM测量系统用来测量VSM设备位置和竖井垂直度。在VSM上安装一套测斜系统,用来测量VSM准确位置;在井壁上安装测斜管,并随着竖井的下沉不断延伸,用来测量竖井垂直度。


在井壁上安装测量管时,必须固定好测量管并保证其垂直度;延伸测量管时应注意搭接处无错台,否则将会造成测量值偏差,从而导致整个竖井的定位出现误差。


2.3.4 现浇井壁与预制管片井壁搭接设计

在K1竖井的施工中,设计采取了现浇井壁和预制管片井壁2种井壁形式。这2种井壁在搭接处主要考虑以下2个因素:


1)确保搭接处强度符合要求。K1竖井在搭接处采用8.8级锚固螺栓,沿圆周方向均匀布置,间距1.4m,锚固深度600mm。


2)确保搭接处渗漏等级符合要求。K1竖井在搭接处的水平和竖直2条施工缝上分别设置1道止水带,然后浇筑厚度为200mm、高度超出竖直施工缝上止水带约200mm的混凝土素墙,密封渗漏通道。K1竖井现浇井壁和预制管片井壁搭接处设计如图7所示。

VSM在新加坡深隧污水处理系统二期工程竖井施工中的应用

图7 现浇井壁和预制管片井壁搭接设计示意图

2.3.5 掘进控制

2.3.5.1 参数设置

VSM的掘进通过操控室里操作按钮和可视化面板来控制。开始掘进前,需在控制面板上输入竖井数据、设备相关参数,以及准确的测量数据。

K1竖井输入的施工参数如表1所示。

表1 K1竖井施工参数设置表

VSM在新加坡深隧污水处理系统二期工程竖井施工中的应用


2.3.5.2 补偿距离

补偿距离用来调整基环施工后产生的圆度误差。在VSM掘进施工时,是将井底圆形的待开挖面划分为许扇形小块来逐一进行的。当基环施工完成后,如果基环圆度存在误差,可以通过对扇形小块设置补偿距离来进行调整。


VSM主机安装完成后,先预设1个比竖井内壁小的开挖半径,然后测量每个扇形小块中VSM铣挖头到竖井内壁的距离,将预设开挖半径减去实际测得值便可得到每个扇形小块的补偿距离,最后将所有扇形小块的补偿距离输入VSM系统中。若补偿距离为正值,则进行VSM掘进时所对应的扇形的开挖半径将变小,反之变大。通过设置不同数值的补偿距离,便可修正基环施工所产生的圆度误差。


2.3.5.3 安全间隙

安全间隙是铣挖头上的截齿与竖井墙面之间的安全距离,在VSM掘进施工时,它能够阻止截齿碰到竖井内壁,如图8所示。K1竖井进行VSM施工时,安全间隙设定为80mm。

VSM在新加坡深隧污水处理系统二期工程竖井施工中的应用

图8 安全间隙示意图

2.3.5.4 超挖设置

设置VSM设备超挖可以在竖井外壁和开挖面土体之间产生1圈环形间隙,掘进时在环形间隙里注入膨润土,可以减小沉井过程中的阻力,如图9所示。超挖设置适用于硬质土体如岩石、硬黏土等地层。K1竖井施工时,超挖量设定值为40mm。

VSM在新加坡深隧污水处理系统二期工程竖井施工中的应用

图9 超挖设置示意图


3 VSM施工中遇到的技术难题和解决措施


3.1 絮凝剂导致铣挖头工作效率低

K1竖井在黏土地层施工时,出现VSM掘进效率低、速度慢、扭矩大等现象,项目部初步判断铣挖头出现问题。利用回收卷扬机将VSM主机提出竖井后发现,铣挖头被黏土包裹得非常严实,截齿完全被黏土覆盖。为进一步查明原因,项目部对竖井内泥水取样检测,随后发现泥水中含有絮凝剂成分。絮凝剂经泥水循环进入竖井,它自身带有正(负)电性的基团和泥水中带有相反电性、难于分离的粒子或者颗粒相互靠近并聚合在铣挖头上,不断累积后便紧紧裹住铣挖头。


为避免此现象再次发生,T11项目部采取了以下措施:

1)切断絮凝剂来源,将含有絮凝剂成分的回路在泥水分离站离心机处引流;

2)设定离心机的絮凝剂添加量为0.3%,严禁过量添加。


3.2 铣挖头齿轮箱损坏、截齿剥落

K1竖井在泥质粉砂岩地层施工时,出现齿轮箱损坏警报。为检查铣挖头状况、更换齿轮箱,项目部决定提升VSM设备,随后发现铣挖头上许多截齿发生掉落,齿轮箱也因掉落的截齿而被损坏。为确保截齿工作强度,T11项目部采取了以下措施:

1)更换齿轮箱及所有过量磨损截齿,安装新的截齿并施焊固定;

2)在所有截齿尾部增设锁紧垫片并施焊固定,大大提高了截齿工作强度。


4 结 语


采用VSM设备施工的竖井中,目前已完成K1、K2-DS1竖井。掘进K1竖井(深36.8m)历时3个月,掘进K2-DS1竖井(深56m)历时4个月。根据计划,VSM将投入到K2竖井的挖掘中。


VSM在K1竖井的成功应用,反映出了VSM具有的独特优势:

1)可在市区狭小场地施工,且影响较小;

2)工艺安全性高,VSM设备的维修保养、井壁混凝土浇筑、管片拼装、沉井等关键环节均可在地面完成;

3)掘进效率高,正常情况下,VSM可完成深度3~4m/d的竖井掘进。


但是,VSM在K1竖井的施工中也暴露出一些工艺缺点,比如:维修保养周期较长,铣挖头截齿工作强度在复合地层不稳定等。


建议今后在选择VSM工艺建造类似于K1的竖井时,应充分考虑工程地质、施工环境等因素,配置与地质相匹配的刀具;在实际施工中,要密切关注掘进参数变化、加强竖井位置监测,结合遇到的施工问题不断改进VSM设备性能。


来源:《上海隧道》
作者:李伟

整理:项敏

版权归原作者所有,仅作传播分享知识所用。

如有侵权,请联系编辑撤稿。



/ 扩展阅读 /

“工法网” 顶级域名正式启用:
www.GongFaWang.com
地下空间、城市更新相关工艺网站

VSM在新加坡深隧污水处理系统二期工程竖井施工中的应用




/ 业务合作&技术交流 /

项  敏 
138 1818 6389
QQ:20228300

VSM在新加坡深隧污水处理系统二期工程竖井施工中的应用


VSM在新加坡深隧污水处理系统二期工程竖井施工中的应用








技术交流&业务合作
项经理
微信同电话
138 1818 6389

其他