组合式竖井刃脚结构及其施工方法与流程

本发明主要涉及软土地层隧道竖井，尤其是涉及一种适用于超深、超大直径竖井的组合式竖井刃脚结构及其施工方法。

背景技术：

1、随着城市建设的快速发展，城市中心城区的工程建设正向地下进一步发展，传统沉井法、明挖法等受场地、环境保护、开挖深度的限制，其局限性愈发凸显。因此，目前已经开发出装配式竖井掘进的技术，作为一种更加先进的城市深基坑建造技术，其预制化比例高、施工速度快、开挖深度大、对周边环境扰动小，越来越受到城市建设者的欢迎。

2、国外现有的自动化竖井施工技术主要包括欧洲开发的垂直竖井沉降掘进工法(vsm)和日本开发的自动化压入式沉井工法(socs)。然而，在软土地层中，vsm工法采用超挖方式，随着直径的增加，对周边环境的影响难以控制。另外，在国内外目前已知的采用vsm工法的工程案例中，竖井开挖外径均小于15m，未见到能用于更大直径的情况。至于socs工法，随着直径和深度的增加，需要更大的压沉力，这就给预制管片带来难以控制的风险。类似地，目前采用socs工法仅有外径6～12m的工程案例，未见到能用于更大直径的情况。

3、cn113482054公开了一种适合软土地区的主动压入式竖井施工系统及方法，其通过压力机构对竖井刃脚环及竖井预制环施加下沉力，在下沉的过程中，还可以通过向配重舱内设置配重来增大下沉力，能够让竖井刃脚环及竖井预制环更好地下沉。然而，该技术仍未很好地解决随着直径和深度的增加，需要更大的压沉力的问题。

4、cn210105865u公开了一种顶进预制矩形竖井结构，包括侧壁，侧壁由矩形竖井管片环拼装而成，矩形竖井管片环的底端固定设有矩形刃脚环。矩形刃脚环由钢刃脚和混凝土矩形环组成，钢刃脚的顶端通过栓钉固定设有混凝土矩形环，混凝土矩形环与矩形竖井管片环之间也通过栓钉固定连接。在该现有技术中，采用了由钢刃脚和预制混凝土矩形环装配而成的竖井刃脚结构，从一定程度上解决了需高精度浇筑模具和竖井下沉困难的问题。然而，这种竖井刃脚结构仍不适用于竖井的直径和深度较大的情况。

5、还有人针对软土地层，专门开发了一套垂直掘进(盾构)竖井工法，该工法的主要特点如下：1)根据软土特点，在于刃脚深入土体中形成超前支护，仅在刃脚内部开挖土体；2)浅层软塑～可塑软土层中依靠自重即可顺利下沉，下沉过程中通过钢绞线悬吊控制下沉速度及斜度；3)深层硬塑黏土和密实粉砂层中，如下沉困难，可采用配置的助沉千斤顶进行下压助沉；4)在竖井整个掘进过程中，通过自动化监测并实时反馈，做到井身姿态动态纠偏，减小对周围环境的影响。

6、从以上对各种现有技术的描述中可以看出，对大直径、大深度的竖井而言，对刃脚的结构形式、精度和刚度有更高的要求。更具体地，刃脚结构需要满足大吨级悬吊力的受力要求，又需要保障开挖面土体稳定性，同时，刃脚作为竖井隧道始发的核心部件，其施工精度直接影响到上方管节拼装精度，进而影响竖井结构的整体施工质量。

7、另外，封底混凝土施工在竖井建造过程中至关重要，在大直径、大深度竖井中，若仍采用常规的刃脚结构形式，封底厚度超厚，这不但加大了竖井开挖深度，而且增加了施工风险。因此，从该角度而言也有必要采取更合理的刃脚结构，以减小封底混凝土厚度。

技术实现思路

1、针对现有技术中的问题，本发明的目的在于，提供一种适用于大直径、大深度的组合式竖井刃脚结构。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种组合式竖井刃脚结构，包括第一装配单元，第一装配单元包括钢刃脚和与之装配连接的预制管片，预制管片拼接而形成管节，其特殊之处是，还包括与第一装配单元连成一体的第二浇筑单元，第二浇筑单元包括连成一体的刃脚内衬、连接梁和底环梁，刃脚内衬、连接梁和底环梁均由混凝土浇筑而成，刃脚内衬设置在钢刃脚和预制管片的内侧，底环梁从刃脚内衬进一步向内设置，并通过多个连接梁连接至刃脚内衬。

3、优选的是，预制管片是分块的，根据预制管片的分块情况，为每块预制管片设置一个连接梁。

4、优选的是，刃脚内衬具有底部倾斜角，刃脚内衬的底部倾斜角基本等同于钢刃脚的倾斜角。

5、优选的是，在刃脚内衬中间隔地设置有垂直掘进设备的主机预埋件，主机预埋件与连接梁错开设置。

6、优选的是，刃脚内衬的顶部施工面高于连接梁，但低于竖井主体结构底板。

7、优选的是，在连接梁的靠近刃脚内衬的一端设置有第一附加吊筋，在连接梁的靠近底环梁的另一端设置有第二附加吊筋。

8、优选的是，多个预制管片沿环向由环向紧固件拼接成环而形成管节，沿纵向由纵向紧固件相互连接，并与钢刃脚连接；在与钢刃脚相邻的管节的外周侧设置有外侧预埋件，周向布置的加劲肋板将钢刃脚和外侧预埋件连接起来；在与钢刃脚相邻的管节的内周侧设置有内侧预埋件，周向布置的内侧连接件将钢刃脚和内侧预埋件连接起来。

9、优选的是，预制管片具有预埋的钢筋接驳器，钢筋接驳器根据需要沿环向和纵向布置，用于连接第一装配单元和第二浇筑单元；刃脚内衬具有设置在靠近预制管片一侧的受力主筋，受力主筋固定至钢刃脚。

10、优选的是，组合式竖井刃脚结构适用于直径20米以上的圆形竖井。

11、如前所述，本发明提供了一种由第一装配结构和第二浇筑结构叠合而成的组合式竖井刃脚结构，尤其适用于大直径圆形竖井结构。其中，钢刃脚、预制管片通过钢筋接驳器与刃脚内衬形成整体，并通过底环梁和连接梁进一步增加结构整体刚度，进而形成竖井刃脚整体结构。形成的整体刃脚形式，对机械法沉井的挖土设备无影响。

12、本发明还提供了一种利用前述组合式竖井刃脚结构来进行施工的方法，包括如下步骤：

13、s1)在始发基坑内安装钢刃脚，并拼装成环；

14、s2)在成环的钢刃脚内安装掘进机结构的吊装系统；

15、s3)在掘进机结构的吊装系统的工作状态下，继续向上拼装若干预制管片，形成第一装配单元，拼装的预制管片的内周面预留有钢筋接驳器；

16、s4)将已形成的第一装配单元作为外模，且在预留钢筋接驳器的位置安装拉筋，浇筑包括刃脚内衬、连接梁和底环梁的第二浇筑单元；

17、s5)待现浇结构体系达到设计强度后，即由第一装配单元和第二浇筑单元形成整体的组合式竖井刃脚结构，然后安装垂直掘进机挖掘系统；以及

18、s6)向下开挖，并依次拼装预制管片至下沉到设计标高后，开始水下浇筑封底混凝土。

19、本发明的主要优点如下所述。

20、本发明的组合式竖井刃脚结构，由于采用了由第一装配结构和第二浇筑结构叠合的构造且具有能进一步增加结构整体刚度的底环梁和连接梁，故特别适用于超深、超大直径的装配式竖井。而且，借助本发明的组合式竖井刃脚结构，无需高精度模具即能保障刃脚施工精度，施工占地面积小，安装之后也不会影响掘进机挖土。而且，由于具有特别设计的增强结构，因此在后期可显著减小封底混凝土厚度，从而降低封底混凝土施工风险，是一种绿色低碳、型式合理的施工结构和方法。

技术特征：

1.一种组合式竖井刃脚结构，包括第一装配单元，所述第一装配单元包括钢刃脚(1)和与之装配连接的预制管片(2)，所述预制管片拼接而形成管节，其特征在于，

2.如权利要求1所述的组合式竖井刃脚结构，其特征在于，所述预制管片(2)是分块的，根据所述预制管片的分块情况，为每块所述预制管片设置一个连接梁(4)。

3.如权利要求1所述的组合式竖井刃脚结构，其特征在于，所述刃脚内衬(3)具有底部倾斜角，所述刃脚内衬的底部倾斜角基本等同于所述钢刃脚(1)的倾斜角。

4.如权利要求1所述的组合式竖井刃脚结构，其特征在于，在所述刃脚内衬(3)中间隔地设置有垂直掘进设备的主机预埋件(16)，所述主机预埋件与所述连接梁(4)错开设置。

5.如权利要求1所述的组合式竖井刃脚结构，其特征在于，所述刃脚内衬(3)的顶部施工面高于所述连接梁(4)，但低于竖井主体结构底板(17)。

6.如权利要求1所述的组合式竖井刃脚结构，其特征在于，在所述连接梁(4)的靠近所述刃脚内衬(3)的一端设置有第一附加吊筋(14)，在所述连接梁(4)的靠近所述底环梁(5)的另一端设置有第二附加吊筋(15)。

7.如权利要求1所述的组合式竖井刃脚结构，其特征在于，多个所述预制管片(2)沿环向由环向紧固件拼接成环而形成管节，沿纵向由纵向紧固件相互连接，并与所述钢刃脚(1)连接；在与所述钢刃脚(1)相邻的管节的外周侧设置有外侧预埋件(6)，周向布置的加劲肋板(7)将所述钢刃脚和所述外侧预埋件连接起来；在与所述钢刃脚(1)相邻的管节的内周侧设置有内侧预埋件(10)，周向布置的内侧连接件(11)将所述钢刃脚和所述内侧预埋件连接起来。

8.如权利要求1所述的组合式竖井刃脚结构，其特征在于，所述预制管片(2)具有预埋的钢筋接驳器(13)，钢筋接驳器(13)根据需要沿环向和纵向布置，用于连接所述第一装配单元和所述第二浇筑单元；所述刃脚内衬(3)具有设置在靠近所述预制管片(2)一侧的受力主筋(12)，所述受力主筋固定至所述钢刃脚(1)。

9.如权利要求1－8中任一项所述的组合式竖井刃脚结构，其特征在于，所述组合式竖井刃脚结构适用于直径20米以上的圆形竖井。

10.一种利用如权利要求1-9中任一项权利要求所述的组合式竖井刃脚结构来进行施工的方法，包括如下步骤：

技术总结
本发明提供了一种组合式竖井刃脚结构，包括第一装配单元，第一装配单元包括钢刃脚和与之装配连接的预制管片，预制管片拼接而形成管节，还包括与第一装配单元连成一体的第二浇筑单元，第二浇筑单元包括连成一体的刃脚内衬、连接梁和底环梁，刃脚内衬、连接梁和底环梁均由混凝土浇筑而成，刃脚内衬设置在钢刃脚和预制管片的内侧，底环梁从刃脚内衬进一步向内设置，并通过多个连接梁连接至刃脚内衬。本发明的组合式竖井刃脚结构适用于软土地层超深且超大直径的竖井，且可采用超大吨级悬吊系统。另外，本发明可提高刃脚结构刚度及施工精度，避免了现场现浇施工精度难以满足管片拼装精度问题，且可以有效减小封底混凝土厚度，降低了封底施工系统风险。

技术研发人员：徐志兵,余龙,高英林,管攀峰,张旭,田二亮,柳献,牛俊涛,曹振杰
受保护的技术使用者：上海市隧道工程轨道交通设计研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15