机械掘进式沉井技术悬吊特性与下沉姿态时变规律研究: 以上海泰和污水处理厂扩建工程为例

赵帅; 蒋晓天; 刘颖彬; 廖少明

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2505012

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (18) :7846-7856 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2505012

建筑科学

机械掘进式沉井技术悬吊特性与下沉姿态时变规律研究: 以上海泰和污水处理厂扩建工程为例

赵帅 ¹ ,
蒋晓天 ² ,
刘颖彬 ¹ ,
廖少明 ¹^,^*

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Time-varying Laws of Suspension Characteristics and Sinking Posture of Mechanically Excavated Caisson Technology: Shanghai Taihe Wastewater Treatment Plant Expansion Project

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摘要

机械掘进式沉井(vertical shaft machine, VSM)是一种新型机械化竖井施工技术,集全断面铣挖、装配式拼装及自动化控制等技术优势于一体,近年来在国内首次实现工程应用的突破。然而,该技术仍存在姿态精准控制、悬吊力动态调控及难沉风险防控等挑战,亟需对其悬吊特性与下沉姿态的时变规律进行深入研究。基于上海VSM工程,首次系统研究悬吊力与施工姿态的耦合作用机理,并结合实测数据研究姿态变化、侧阻力与下沉速度的时变规律。结果表明:VSM悬吊力时程曲线表现出“波动-趋势”双阶段特征,其均值随深度增加呈现先增大后减小的变化规律;竖井下沉困难主要源于侧阻力与浮力的增长,理论分析表明,降低侧壁摩阻力并加强垂直度控制是提高极限下沉深度的关键措施;竖井侧阻力受动态倾斜率影响显著,其浅部施工敏感性高,而在深部施工影响则相对有限;沉井倾斜会显著改变侧摩阻力分布,工程实践表明,将单次下沉深度控制在20 cm内可有效提升施工稳定性,降低姿态失控风险。

Abstract

VSM (mechanical vertical machine) is a new mechanized shaft construction technology integrating the advantages of full-face milling excavation, prefabricated assembly, and automatic control. Despite recent breakthroughs in its engineering application in China, VSM technology still faces challenges such as precise posture control, dynamic adjustment of suspension forces, and prevention of difficult sinking risks, which urgently require in-depth research on the time-varying laws of its suspension characteristics and sinking posture. Based on field measurement data from a Shanghai VSM project, the coupling mechanism between suspension forces and construction posture was systematically investigated. The time-varying laws of posture changes, side resistance, and sinking speed were also fully examined through measured data analysis. The findings show as follows. The time-history curve of VSM suspension forces exhibits a “fluctuation-trend” dual-stage characteristic, with its mean value first increasing and then decreasing as depth increases. Difficulties in shaft sinking are attributed to increasing side resistance and buoyancy. High sensitivity is observed during shallow construction, while the impact is limited at greater depths. Shaft side resistance is found to be highly sensitive to dynamic inclination rates this influence is particularly high during the shallow construction phase but becomes comparatively limited as depth increases. The distribution of side friction is significantly altered by shaft inclination. Engineering practice demonstrates that controlling single sinking depth within 20 cm can effectively improve construction stability and reduce the risk of posture instability.

Graphical abstract

关键词

机械掘进式沉井(VSM) / 沉井下沉姿态 / 悬吊力 / 装配式竖井 / 侧阻力

Key words

VSM (vertical shaft machine) / caisson sinking posture / suspension force / assembled shaft / side resistance

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赵帅, 蒋晓天, 刘颖彬, 廖少明. 机械掘进式沉井技术悬吊特性与下沉姿态时变规律研究: 以上海泰和污水处理厂扩建工程为例[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(18): 7846-7856 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2505012

ZHAO Shuai, JIANG Xiao-tian, LIU Ying-bin, LIAO Shao-ming. Time-varying Laws of Suspension Characteristics and Sinking Posture of Mechanically Excavated Caisson Technology: Shanghai Taihe Wastewater Treatment Plant Expansion Project[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(18): 7846-7856 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2505012

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随着城市空间紧张与可再生能源转型加速,竖井凭借垂直空间优势,成为兼顾储能与停车需求的新型基建载体。然而,面对日益增长的大深度、城市小施工场地的竖井建设需求,传统施工方法在技术经济性、环境适应性等方面均呈现显著局限性:一是施工占地大,在密集城区内施工受到诸多限制;二是下沉深度超过30 m后,人工开挖安全风险剧增;三是施工工期长,在交通繁忙区域实施会造成较大社会经济影响。国家“十四五”规划中明确指出:促进数字技术与实体经济深度融合,赋能传统产业转型升级,催生新产业新业态新模式,壮大经济发展新引擎。在此背景下,在此背景下新型机械掘进式沉井(vertical shaft machine, VSM)工法因其高效、占地面积小、无噪音、无扬尘等优势脱颖而出,成为城市密集区深地空间开发的革新性方案。VSM工法机械设备高度自动化为智能化升级提供了天然接口,二者融合不仅推动竖井施工从“高危人工作业”向“无人化精准控制”升级,更对中国突破高端装备技术壁垒、推动深地开发具有重要意义。

VSM工法最早由德国海瑞克公司于2007年研发并投入工程应用,但受限于技术壁垒与设备本土化进程,直至近两年方在南京地下车库(2022年国内首个VSM竖井)、上海静安寺大直径井以及本文所依托的上海泰和污水处理厂(2023年国内自研设备)中实现突破性应用。统计显示,截至2025年中国采用VSM工法建成的竖井不足20例,但近年来项目数量呈现加速增长态势。随着国产化设备的日趋成熟和工程经验的持续积累,预计未来VSM工法在中国的应用规模将迎来爆发式增长。在传统自重沉井施工过程中,由于自重较大、井筒受力复杂以及地质条件差异等因素,常面临“难沉”和“突沉”等问题。这些问题可能导致井筒外壁出现裂缝,进一步加剧沉井下沉困难和倾斜的风险^[1-2]。

针对传统沉井施工,已有研究者对周边土体沉降^[3-4]、下沉速度^[5]、刃脚端阻力^[6]、侧壁摩阻力^[7]与结构受力变形^[8-9]等方面展开了深入研究。然而,由于VSM沉井工法具备独特的水下作业和悬吊施工特点,现有研究难以全面适用于VSM工法的情况。目前,国内使用VSM工法的施工案例有限,相关研究主要集中在设备原理介绍和结构受力监测。Wang等^[10]从宏观角度系统总结了软土竖井建造技术,并详细介绍了VSM工程案例、发展历程与潜力。Abualghethe等^[11]分析了VSM工法竖井结构、周边土体与邻近建筑变形影响。周倩等^[12]基于国产沉井掘进机关键技术研究,介绍了沉井掘进机关键技术如开挖断面可变、干湿双模出渣技术和复合纠偏控制技术等。徐光亿等^[13]以响应面法优化设计了沉井掘进机的回转装置。周洁等^[14]开展数值模拟研究了VSM在高渗透性粉细砂层中的适用性,结果表明使用VSM开挖砂性土竖井在深度、安全性和对周边环境扰动上均具有明显优势。针对全断面锥形刀盘形式的竖井掘进机,王帅等^[15]研究了其刀盘的载荷特性。研究发现,荷载分布与开挖形式均对装备的姿态稳定性具有显著影响。张振光等^[16]依托南京停车设施建设项目,探讨了VSM管片设计及拼装、不排水掘进技术、受控下沉技术与姿态控制及纠偏工艺。黄铭亮等^[17]基于同一工程背景,分析了施工中的管片应力、井壁水土荷载和悬吊力的监测数据,发现沉井下沉所受侧壁摩阻力非常小,接近于膨润土泥浆的剪切强度。卞超等^[18]基于实际工程,阐述了VSM下沉工况下的受力组成,并发现施工中悬吊力呈现先增大后减小的趋势,但其对悬吊力的时变规律与影响因素还缺少深入的研究。

综上,当前关于VSM工法的研究仍处于初步探索阶段。相较于传统沉井在受力、变形分析等方面已形成的以姿态监测和侧摩阻力为核心的成熟控制体系,学界对于VSM工法独特的悬吊作业模式及其姿态控制机理的关注度仍显不足,具体体现在以下两方面:一是缺乏系统的沉井姿态与侧摩阻力实测数据分析,制约了对其变化规律的深入揭示;二是对VSM特有的悬吊力形成机制认识不足,尤其是悬吊力与沉井姿态间的耦合作用机制尚不明确。

针对这些问题,现以上海宝山泰和污水处理厂工程为背景展开研究。在模型构建方面,建立考虑下沉姿态影响的VSM悬吊力计算模型。在实测分析方面,探究沉井姿态变化对侧阻力的影响,系统揭示悬吊力动态特性与沉井姿态演变规律;提出确保沉井平稳下沉的单次下沉深度控制标准,以期为实际工程提供理论指导。

1 VSM技术简介

1.1 VSM设备及施工流程介绍

VSM工法因其高度自动化、工序简单、施工周期短、成井质量高、施工占地小和对周边环境影响小等优势^[19],已成功应用于城市地下空间开发和停车场建设等工程^[12-20]。VSM由竖井主机和井筒提升系统两部分组成(图1)。竖井主机包括了主机支撑系统、回转驱动系统以及开挖系统。前两者分别起到了固定主机、提供开挖所需扭矩的作用,而开挖系统是通过伸缩臂及截割头在竖井刃脚以下的超挖,连同井壁外侧环状间隙中的膨润土润滑,共同降低了竖井壁与周围土壤之间的摩擦力。井筒提升系统是由地面上带液压油缸的提升系统组成,这些沉降单元通过钢丝绳与竖井结构的刃脚环相连,在挖掘过程中能将整个竖井结构拉住,通过调节液压油缸行程来控制井筒的下沉高度。

VSM竖井施工基本工序如图2所示。其原理是通过全断面铣挖机向下破碎岩土,并利用泥浆反循环系统排出渣土,同时井壁随着掘进机的下沉而同步安装,采用悬吊下沉方式来控制井筒姿态和下沉速度。VSM沉井与传统自重沉井主要有3点不同:一是施工中需要钢丝绳进行井壁“吊控”从而实现精准下沉;二是施工过程中刃脚下方土体持续超挖,避免与开挖面直接作用;三是井内泥浆液面高度维持开挖面土体反力与侧壁水平力的动态平衡,竖井全程处于泥浆护壁状态。

1.2 项目概况

上海泰和污水处理厂扩建工程是上海市推动“长江大保护”国家战略、服务长江经济带发展的重要举措和上海市重大工程之一。该厂是上海首座“花园式”全地下污水处理厂,同时也是第一批采用国产沉井式竖井掘进机进行施工的示范工程,标志着我国沉井式竖井掘进机技术和设备本土化的重大突破。

依托上海泰和污水处理厂扩建工程VSM工法竖井,采用内径8.0 m、壁厚0.4 m的圆形预制管片结构,环宽1.5 m,混凝土强度C60,抗渗等级P12。竖井开挖深度35.9 m,终沉后实施水下封底。衬砌环由4块等尺寸管片错缝拼装而成,每环设置24个连接节点,包括12个M27纵向螺栓和12个剪力键,形成空间交错布置的连接体系。该体系兼具施工定位和使用阶段抗剪功能,与螺栓协同工作确保结构整体性(图3)。为确保施工安全,在圈梁底部采用7 m深的旋喷桩加固土体,并在圈梁外侧设置9 m长的永久拉森钢板桩,以隔离和保护周边管线及电力工井,同时充当圈梁施工时基坑开挖的围护结构。

拟建场地及周边地形较为平坦,无明显地面沉降,场地为不液化场地。浅层局部分布有暗浜、厚填土等不良地质条件,基本属于稳定场地,适宜本工程建设。各地层物理力学性质如表1所示。

2 VSM沉井悬吊力计算模型

2.1 VSM受力组成

VSM沉井与自重沉井的受力机理存在本质差异。首先,悬吊力作为VSM施工的关键控制参数,其动态调节过程直接影响沉井的下沉控制和结构稳定性,具有显著的工况相关性特征。其次,在力学平衡方面,VSM沉井通过精确控制井内泥浆液面高度来平衡开挖面土体反力和侧向土压力,形成独特的泥浆-土压力平衡系统。此外,采用超挖施工,沉井刃脚与土体完全脱离,不产生传统沉井的端阻效应,使得下部反力完全由膨润土泥浆的浮力主导^[17],这种特殊的受力机制导致VSM竖井的受力模型与传统沉井存在根本性区别,因此其受力组成也更为复杂。

VSM沉井受力简图如图4所示,主要受力组成:①结构自重G_n;②壁外泥水压力P_s;③井内泥水压力P_w;④侧壁摩阻力F_f;⑤浮力F_w;⑥提升系统悬吊力T;⑦姿态变化导致侧阻力F_s。

为深入揭示悬吊力的力学特性,对其竖向受力组成进行系统分析如下。

2.1.1 竖井自重G_n

G_n由竖井主机与管片重力组成,即

(1)G_n=G₀+π(R²-r²)zγ_c

式(1)中:G₀为竖井主机自重,kN;R、r为竖井外侧井壁、内侧井壁的半径;γ_c为混凝土重度;z为竖井当前深度。

2.1.2 侧壁摩阻力F_f

F_f是影响竖井下沉阻力的重要因素,其方向受悬吊上提和竖井下沉影响。根据黄铭亮等^[17]的实测及研究,施工中由于泥浆护壁作用,侧壁摩阻力极小,VSM沉井实测侧壁摩阻力与膨润土泥浆的剪切强度接近。因此,假设沿深度线性分布的F_f,计算公式为

(2)F_f=2π(r+R)zf_i(z)

式(2)中:f_i(z)为深度z处竖井单位侧阻力,kN/m。

2.1.3 浮力F_w

在VSM施工中,泥浆压力是控制施工稳定性和浮力计算的关键参数。随着开挖过程中土体混入,泥浆密度动态变化。密度增大会导致排泥管堵塞和井壁变形风险,而过度稀释则会降低支护效能,可能引发地层变形(图5)。考虑泥浆压力影响,修正后的浮力表达式为

(3)F_w(z)=(1+β)AP_泥(z)

式(3)中:β为浮力影响系数,用以考虑主机所受浮力;A为竖井管片的横截面积;P_泥(z)为深度z处受到的泥浆静液压力。

对于泥浆压力未知时,浮力计算可采用底部泥浆压力与外部土压力平衡的假设。

(4)

${\mathit{F}}_{\mathrm{w}}\left(\mathit{z}\right)=(1+\mathit{\beta })\mathit{A}{\int }_{0}^{\mathit{z}}\mathit{K}\left(\mathit{z}\right){\mathit{\gamma }}_{\mathit{i}}\left(\mathit{z}\right)\mathrm{d}\mathit{z}$

式(4)中:K(z)为深度z处的侧向土压力系数。

2.1.4 姿态变化引发的下沉阻力F_s

由于复杂地质条件和施工中的外部干扰,沉井下沉过程中的倾斜不可避免。该现象会引发倾斜侧非对称土体压缩,形成渐进式土压力累积。因此,进一步考虑倾斜率(α)的下沉阻力。

图6展示了倾斜率对侧向阻力的影响机理。基于Winkler地基梁模型,作用于倾斜沉井单元节段上的侧向土压力可表示为

(5)

${\mathit{p}}_{\mathit{i}}(\mathit{z},\mathit{\theta })={\int }_{-\mathit{\theta }}^{\mathit{\theta }}{\mathit{k}}_{\mathit{i}}\mathit{z}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\mathit{\alpha }\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\mathit{\theta }\mathrm{d}\mathit{l}$

式(5)中:θ为从倾斜中心线量测的压缩区边界接触角;k_i为地基基床系数;l为沿压缩区外围的环向弧长;微分单元dl = Rdθ。

由此可得倾斜沉井引发的侧向阻力表达式为

(6)

${\mathit{F}}_{\mathrm{s}}(\mathit{z},\mathit{\theta })={\int }_{0}^{\mathit{z}}{\mathit{p}}_{\mathit{i}}(\mathit{z},\mathit{\theta })\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathit{\alpha }\mathrm{d}\mathit{z}$

竖井上提、悬停与下沉3种工况下,侧壁摩阻力方向各异,可通过竖向受力平衡推导悬吊力的理论上下限。

(7)$\left[\begin{array}{l}{\mathit{T}}_{1}\\ {\mathit{T}}_{2}\\ {\mathit{T}}_{3}\end{array}\right]$=$\left[\begin{array}{l}{\mathit{G}}_{\mathrm{n}}-{\mathit{F}}_{\mathrm{w}}+{\mathit{F}}_{\mathrm{s}}\\ {\mathit{G}}_{\mathrm{n}}-{\mathit{F}}_{\mathrm{w}}+{\mathit{F}}_{\mathrm{s}}\\ {\mathit{G}}_{\mathrm{n}}-{\mathit{F}}_{\mathrm{w}}+{\mathit{F}}_{\mathrm{s}}\end{array}\right]$+$\left[\begin{array}{l}{\mathit{F}}_{\mathrm{f}}\\ 0\\ -{\mathit{F}}_{\mathrm{f}}\end{array}\right]$

式(7)中:T₁、T₂、T₃分别为竖井上提、悬停与下沉3种工况的悬吊力。

由图7和图8可知,竖井悬吊力下限随深度增加呈显著的二次函数变化特征,且倾斜率越大其曲率越大。下沉工况下的悬吊力T₁是使沉井匀速稳定下沉所需要的最小荷载,因此可以推导沉井理论下沉极限深度z_max。

(8)G_n(z_max)-F_w(z_max)+F_s(z_max)+F_f(z_max)=0

理论分析表明,要实现更大的下沉深度,关键在于通过井壁结构优化降低侧壁摩阻力,同时采用实时监测与纠偏技术控制竖井垂直度。

3 VSM下沉姿态与悬吊力时变规律

VSM沉井下沉施工时程曲线如图9所示。VSM装配式竖井工程初始基坑深度为3 m,整体下沉周期约30 d,平均下沉速率维持在0.994 m/d。初期实施低速下沉控制,待达到预定深度后逐步提升下沉速率。单次下沉的时间较短,通常在10~20 min完成,其余时间多为悬停状态超挖土体。

3.1 悬吊力实测分析与时变规律

作为竖井主机与管片重力主要的平衡力,悬吊力变化过程与VSM施工工况及下沉深度密切相关。以施工第7~第9天的悬吊力监测数据为例,图10展示了钢绞线总荷载单次下沉过程中的变化曲线。

监测结果表明,悬停阶段悬吊力主要受新增管片自重影响而小幅波动,而下沉阶段因质量惯性效应产生显著动载响应。第7天施工数据显示,4次下沉过程中钢绞线平均荷载1 646.86 kN,首次下沉时出现5 041.06 kN的峰值荷载,瞬时增幅达206%。这种与下沉速度正相关的随机振荡荷载易引发钢绞线强度与疲劳破坏,需建立动态预警并优化速度控制策略。

图11所示的悬吊力时程曲线由波动段和趋势段组成,分别对应竖井的下沉/提升和悬停工况。经降噪处理的趋势段数据表明,悬吊力整体呈现先升后降的特征:随着管片拼装进程,钢绞线荷载因结构自重增加而持续上升,至第20天施工期达到约3 500 kN的峰值;此后受泥浆浮力及竖井姿态调整等综合因素影响,荷载呈现下降趋势。

3.2 理论悬吊力验证与悬吊力变化规律

根据2.1节悬吊力理论分析结果,图12呈现了静力平衡状态下悬吊力及其各分量的变化曲线。采用式(3)基于实测泥浆压力计算的浮力结果表明,实测悬吊力数据整体处于理论计算范围内。工程实测数据显示,在0~9 m的下沉初期阶段,由于旋喷加固体和钢板桩的作用,重力与侧摩阻力随深度增加呈稳定增长趋势,浮力则缓慢上升,其增长速率与侧摩阻力基本保持一致。当下沉进入-9~-21 m的中期阶段,沉井脱离钢板桩加固范围并穿越高压缩性的淤泥质黏土层,此时泥水压力显著增大导致浮力快速上升,同时沉井下沉速度加快,悬吊力波动幅度较初期明显增大,最终稳定在2 500~3 000 kN。在-21~-30 m的后期下沉阶段,沉井穿越工程性质较好的砂质粉土地层,浮力继续保持快速增长态势,而由于土体强度提高,侧摩阻力增长趋缓,致使悬吊力呈现下降趋势。

3.3 泥浆压力对悬吊力的影响

根据悬吊力的组成及其空间变化规律,浮力是影响悬吊力变化的关键因素之一。如图13所示,泥浆压力变化呈现明显的三阶段特征:在0~9 m的下沉前期,泥浆压力维持在较低水平,此时悬吊力以266.7 kN/d的速率快速增长;当沉井进入-9~-21 m的中期穿越阶段,泥浆压力显著上升,虽然浮力增幅明显,但管片拼装导致的重力增量仍超过浮力与侧摩阻力之和,悬吊力保持33.3 kN/d的缓慢增长;至-21~-30 m的后期阶段,泥浆压力增速趋缓,此时浮力与侧摩阻力的综合作用已超过管片重力增量,致使悬吊力转为快速下降。这一演化过程表明,开挖面泥浆压力增大引发的浮力快速增长是导致竖井后期悬吊力下降的关键因素。

3.4 VSM沉井姿态实测分析

VSM沉井的姿态可用机头的倾斜角度、各深度平动位移与竖井整体倾斜度3个指标来表示。图14所示为机头倾角监测结果,X方向倾角90%以上的数据分布在0°~0.36°;而机头Y方向的倾角数据几乎全部位于-0.1°~-0.38°。值得注意的是,X方向位移表现更为显著,但两个方向倾角波动幅度均保持较小范围,平均绝对值控制在0.15°以内,表明施工过程中的姿态控制效果良好。

沉井各深度处的位移变化如图15所示。竖井穿越由旋喷加固和钢板桩加固的地层时下沉速度慢,姿态控制较好;进入淤泥质粉质黏土地层后,受土层软弱特性影响,日均下沉速度显著提升,伴随平动位移同步增大且呈持续扩张趋势。下沉后期穿越砂质粉土承压水地层时,沉井姿态偏移趋于稳定。对于平动位移,X方向位移在井口达到最大值60 mm,并在9 m深的加固体边界处出现突变;Y方向则在-7 m深度出现37.94 mm的峰值位移,且16 m深处的软弱土层表现出二次位移集中特征。值得注意的是,VSM沉井掘进过程中,机头位置不易发生较大姿态变化,这是因为在掘进过程中,机头位置需要严格控制,保持相对固定,而上部管片的位移会逐步累积,导致井口位置发生位移。综上所述,井口、加固体边界与深部软弱土层位置更容易发生局部位移,是重点监测与控制的对象。

沉井施工过程中,动态倾斜率的变化特征揭示了其与地层条件及施工参数的密切关联。基于线性回归模型计算的动态倾斜率分析表明(图16),施工初期因结构长度较小,倾斜率对位移变化响应敏感,井口位移与倾斜率同步快速增长。在6~15 d施工阶段,倾斜率稳定维持在1.2‰以下,对应井口位移变化平缓。值得注意的是,第16天穿越软弱地层时的快速下沉工况(单日下沉2.27 m)导致倾斜率骤增至1.96‰,通过及时纠偏措施后恢复稳定状态。监测数据显示,全过程倾斜率始终控制在2‰以内,且与井口位移演变趋势高度吻合。

从力学机理来看,倾斜侧土层因较大压缩变形导致侧阻力显著增大,这种非对称受力状态不仅影响沉井沉降轨迹,还可能引发倾斜-阻力正反馈效应。工程实践表明,倾斜率变化具有明显的深度效应:浅部地层中倾斜响应更为敏感,而深部倾斜率趋于稳定。这一特性与软弱土层侧向抗力不足直接相关,因此建议在施工前期严格控制平动位移,并在软弱地层段采用“微扰动”慢速下沉工艺,以最大程度减轻姿态的变化。

3.5 VSM沉井姿态对侧阻力的影响

动态侧阻力的计算是通过悬吊力实测数据,假定全部为下沉工况下根据式(8)计算得到。表2为VSM穿越各地层侧阻力的变化数据,在各地层穿越时单位侧阻力都在3 kPa以内,部分土层在6 kPa内,与黄铭亮^[17]的结论基本一致。图17为下沉过程中竖井的动态倾斜率与动态侧阻力的变化曲线。在浅部施工时,由于沉井长度较短,动态倾斜率的变化较为敏感,相应的,f_i也处于较高水平,穿越前两层土的平均单位侧阻力

${\stackrel{-}{\mathit{f}}}_{\mathit{i}}$

分别为5 kPa与-5.94 kPa。在④层和⑤层土之间施工时,沉井下沉速度较快,此时

${\stackrel{-}{\mathit{f}}}_{\mathit{i}}$

也最小,但竖井也容易倾斜。进入地质条件较好的⑥层和⑦层土时,沉井达到一定长度,倾斜变化不再敏感,姿态趋于稳定,但侧阻力在局部仍出现较大变化。施工中尤其要注意侧阻力突变现象,这既可能引发沉井卡滞,又可能在阻力释放后造成突沉风险。

3.6 VSM沉井姿态控制

图18展示了30个下沉区间内机头倾角变化与单次下沉深度的统计结果。监测数据表明,机头倾角变化与单次下沉深度成正相关。例如,第28次和第31次单次下沉超过30 cm,此时机头X向倾角的变化约0.3°,当单次下沉小于20 cm时,机头倾角变化均小于0.2°;但个别案例显示,即使下沉25 cm仍会出现超限倾角变化,说明地层条件同样关键。建议常规段单次下沉不超过20 cm,地质敏感区需采取更严格的控制标准,以确保施工精度。工程实践证明该措施能有效维持沉井姿态稳定。

4 讨论

沉井施工中的若干关键力学问题需特别关注。例如,图15中沉井姿态最终呈现“竖撇”形式,这一现象可能由两方面原因导致:①在下部竖井结构已产生较大倾斜时,上部管片采用强纠偏方案,可能导致管片之间出现错台;②井口位置受限,无法继续向外位移,导致上部结构与土体直接接触。

在泥浆压力控制方面,当井内泥浆压力大于井外水土压力时,管环结构会产生向外受拉扩张的趋势,相反,如果井内泥浆的比重过小或井内液位过低,则对开挖面的支护作用不足,容易导致开挖面发生较大的隆起和周边土体变形。

管片在土中会受到环向的土压力,从而产生收缩变形,该收缩效应会随着深度增加而逐渐增强,前几环管片受到土压而收缩形变最为显著。此外,井内泥水压力与上部管片重力也会导致下部管片的扩张变形,该扩张效应随着深度增加而逐渐增强,因此管片在施工过程中处于复杂受力状态,甚至可能出现受拉工况,管片受力状态的判断还需要进一步研究。

5 结论

依托上海软土VSM竖井施工项目,通过理论受力模型分析了沉井施工中不同工况下悬吊力组成及时变规律,并讨论了沉井姿态的时变规律及其对侧阻力的影响,得出如下结论。

(1)VSM竖井悬吊力呈现“波动-趋势”双阶段特征,在沉井运动状态转换时最大增幅达206%。此外悬吊力还与深度呈显著非线性关系,其变化规律符合二次函数特征,且函数曲率随倾斜角增大而明显增强。

(2)VSM沉井后期下沉困难的原因有两点:一是竖井偏移导致的侧阻力增加;二是平衡开挖面反力的井内泥浆压力增大,导致浮力的增长高于管片重力和侧阻力的增长。理论分析表明,要实现更大的下沉深度,关键在于通过井壁结构优化降低侧壁摩阻力,同时采用实时监测与纠偏技术控制竖井垂直度。

(3)竖井侧阻力与动态倾斜率之间存在高度相关性。浅部施工时倾斜变化敏感,易引发侧阻力增大;深部施工时局部平动位移虽改变侧阻力分布,但对整体倾斜率影响有限。

(4)建议将单次下沉控制在20 cm以内,此时机头倾角变化基本小于0.2°。此外在浅部地层、深部软弱土层及地层分界处,进一步减小单次下沉深度可以有效控制下沉姿态。

国内VSM沉井工法虽工程案例有限,但发展态势显著。本文研究系统揭示了悬吊力与施工姿态的耦合作用机理,并基于上海泰和工程的实测数据,验证了国产设备在软土地区的适配性与可靠性。同时深入剖析了悬吊力、竖井姿态、侧阻力与下沉速度的时变规律,研究成果为后续工程的施工参数优化与设备改进提供了直接的理论支撑,对推动VSM工法在中国城市深地空间开发中的规模化应用与升级具有重要的指导意义。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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Received	Published	Revised
2025-07-04	2026-06-28	2025-12-16
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2026-07-29

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