深井掘進技術在厚層高滲透性粉細砂層中適用性的數值模擬研究

周潔, 劉成君, 徐杰, 張振光, 李澤垚

(1.同濟大學地下建筑與工程系, 上海 200092; 2.同濟大學巖土及地下工程教育部重點實驗室, 上海 200092;3.上海公路橋梁(集團)有限公司, 上海 200433)

21世紀是開發利用地下空間的世紀,城市空間發展逐步由地面及上部空間向地下延伸。如何科學、合理和高效開發地下空間,特別是如何利用地下深層空間開發來實現城市更新,是全世界城市必須解決的課題。在城市中心區,建筑密度較大、可利用空間較小。在狹小空間內進行立體空間開發存在幾個難點：一是場地狹小,往往需要向深度方向發展,小斷面大深度地下空間的開發是必然趨勢;二是常規的地下連續墻、樁基等施工設備往往受周邊建筑物的限制而不能采用,發展新的施工設備與工藝是關鍵;三是周邊的建筑物通常是人員密集的場所,如何減少地下空間的開發對建筑物的影響是難點。

深井掘進技術(vertical shaft machine,VSM)的全預制拼裝豎井是解決以上問題的非常好的選擇。VSM是一種開挖豎井的新型工法,具有開挖速度快,適用性廣泛等特點。該技術施作的豎井結構形式簡單、結構受力狀態好、施工速度快、對周邊環境擾動小,可被廣泛用于城市深層地下空間的點狀開發。

VSM豎井的開挖與圓形基坑有相似之處,對于基坑的相關研究對VSM的數值模擬有一定的參考價值。徐江等[1]運用ABAQUS軟件對軟土區某地鐵深基坑施工過程進行建模分析,研究了軟土區地鐵深基坑圍護結構變形及周邊土體位移特性。馬俊[2]針對內支撐式擋土墻深基坑開挖與支護過程中地表沉降和擋土墻變形的穩定性問題,應用COMSOL軟件對上海某地鐵深基坑開挖工程進行模擬,并結合現場實際監測進行對比分析。葉帥華等[3]采用PLAXIS有限元軟件對蘭州市某深大基坑開挖過程進行數值模擬,研究了基坑支護結構、基坑周圍土體和鄰近建筑三者之間的相互影響。林志斌等[4]采用FLAC3D建立考慮蠕變與滲流相互影響的軟土基坑開挖數值模型,研究不同計算條件下基坑樁后水壓力、樁位移、地表沉降等隨開挖時間的變化規律。胡建林等[5]運用MIDAS-GTS/NX軟件,使用不同本構模型進行排樁支護變形和地表沉降的數值模擬,認為參考應力隨基坑深度變化的修正莫爾庫倫模型進行基坑開挖變形預測更具參考價值。王龍等[6]通過PLAXIS軟件建立分析模型,對上覆新填土的軟土深基坑開挖過程進行模擬,研究了不同支護條件下坑底回彈變形和地表沉降的分布規律。Liu等[7]利用FLAC3D建立了采用TRD(trench cutting re-mixing deep wall method)復合支護結構的基坑力學模型,模擬了開挖過程,研究了地面沉降與圍護結構變形的關系。

VSM施工過程中,下部存在超挖,預拼裝管片的下沉與沉井下沉也有相似之處,沉井的數值模擬過程可以為VSM豎井的研究提供參考。Liu等[8]采用ABAQUS有限元分析軟件建立數值模型,結合模型試驗分析研究了重力式錨碇沉井的穩定性。施洲等[9]運用ANSYS軟件建立大型沉井初沉階段的有限元模型,重點研究大型沉井初沉階段的受力特性及開裂控制。趙小晴等[10]依托模型試驗通過PLAXIS 3D軟件建立了有限元模型,模擬了錨碇沉井基礎在砂土中的受力變形性能,研究了錨碇沉井基礎與土體的相互作用機理。石峻峰等[11]采用有限元分析軟件ABAQUS對沉井基礎首次下沉施工過程進行數值模擬,針對沉井基礎下沉過程中的應力與變形進行分析研究。

綜上所述,雖然對與VSM工法類似的基坑開挖、沉井下沉的研究都很豐富,但VSM開挖具有獨特的深度大、水下作業、懸吊作業等特點,其工作機理與方式明顯不同于基坑和沉井建設?，F有研究不能完全適用于VSM,VSM的安全性和適用性仍有待進一步探索。鑒于此,利用COMSOL Multiphysics軟件,以中國首例使用VSM施工的南京市兒童醫院沉井停車庫項目為原型,建立在砂性土中使用VSM開挖豎井的模型,重點研究VSM豎井的變形情況與開挖面的穩定性問題。以用于指導實際施工,實現分段施工與精細化控制。為VSM的推廣應用提供了一定的理論依據與工程指導。

1 VSM技術簡介

1.1 VSM施工工藝

VSM工法是一種通過機械臂在水下對地層進行擺幅開挖并同時進行預制管片拼裝作業的下沉式豎井掘進工法。VSM施工設備(圖1)主要由掘進主機、進漿管、出漿管、預制管片、沉降單元組成。

圖1 VSM豎井挖掘設備

VSM主要施工工序包括：場地平整→地表開挖→基環、圈梁制作→設備安裝及調試→豎井開挖及管片拼裝→封底混凝土施工→置換膨潤土→沉井抽水→底板施工。

豎井襯砌使用預拼裝混凝土管片,如圖2所示,管片拼裝在地面與豎井開挖同步進行。采用VSM設備施工豎井前,對地基進行加固并在地面設置混凝土圈梁,其上安裝3或4個帶液壓油缸的沉降單元。通過鋼絲繩將沉降單元與管片相連,隨開挖同步下沉。VSM豎井挖掘機由3條機械臂牢固地壓附在井壁上,豎井挖掘機上安裝能旋轉的截割頭,在豎井底部削挖土體,完成整個豎井斷面的挖掘,并完成一定超挖。豎井挖掘設備如圖3所示。豎井內部水位基本與外部平齊,開挖在水下進行,下沉到設計深度時進行水下封底混凝土澆筑。

圖2 預拼裝混凝土管片

圖3 刃腳與超挖

1.2 VSM技術的優勢

(1)場地適用性好。VSM施工場地面積小(40 m直徑的場地即可開挖),可廣泛用于城市深層地下空間的點狀開發。

(2)地層適用性廣泛。VSM設備可在碎石、砂土、粉土、黏土等多種復雜地層中快速施工。

(3)工程風險小。VSM設備可在超深水下施工,并始終保持井內外壓力平衡,開挖與支護同步進行,有效減少突涌風險。

(4)地層擾動小。VSM采用不排水施工工藝,保持井筒內水位與地下水位平齊,開挖過程中同步拼裝預制管片,有效減少地層擾動。

(5)施工速度快。開挖與管片拼裝同時進行,從而大幅度降低工程施工工期,其掘進和拼裝速度在一定條件下可達到4.5 m/d。

(6)實時精確監測,遠程控制。VSM系統通過控制艙進行遠程控制,收集和監控所有的過程控制數據,通過可視化系統,設備操作人員可隨時觀察和調整設備和豎井的偏差。

(7)噪聲低。VSM在較深的水下作業,可有效阻隔切削地層產生的噪音。

2 數值模擬方案

2.1 工況介紹

以中國首例使用VSM施工的南京市兒童醫院沉井停車庫項目為原型,開展數值模擬研究。沉井停車庫截面內徑12 m,外徑12.8 m,單個車庫地下標準層斷面面積為113.10 m2(不含結構),地下建筑埋深61.85 m。

根據巖土工程勘察揭露的地層情況,按成因時代、巖性特征、埋藏條件及物理力學性質,在場地勘探深度內可劃分為4個工程地質層,細劃分為11個工程地質亞層(根據周邊場地工程經驗,該地區分布2-1層粉質黏土,本場地內缺失),各地基土層層頂埋深、層厚詳如表1所示。場地內地基土性多樣,包含粉質黏土、粉細砂、卵礫石和砂質泥巖等,以粉細砂為主。

表1 場地內地基土層分布

南京市兒童醫院沉井停車庫項目是中國首例采用VSM技術進行超深地下空間開挖的工程項目,中國目前無相關施工、設計經驗。在VSM施工過程中,開挖引起的地基變形對于施工的安全性和相鄰建筑物的影響都具有重要的研究價值。同時,開挖面的滲流穩定性問題也值得關注。VSM豎井內部水位往往與地下水位平齊,這種情況是相對安全的。但是實際施工過程中,截割頭可能會被土中的硬質礫石卡住,需要在豎井內降水,提升截割頭進行修復。此時,無支護且存在超挖的開挖面處于較危險的狀態,容易發生滲流破壞,具有失穩的風險。

由于實際工程經驗較少,利用數值模擬可以較為方便地對上述問題進行研究,采用COMSOL Multiphysics軟件(以下簡稱COMSOL)進行數值模擬,重點研究開挖過程中的變形問題和降水時的開挖面穩定性問題,以探索驗證在砂性土中使用VSM工法施工豎井的可行性與安全性。

2.2 COMSOL Multiphysics簡介

COMSOL以有限單元法為基礎,通過求解偏微分方程組進行對真實現象的數值模擬。軟件中提供完全耦合的多物理場和單物理場建模功能、仿真數據管理以及用于構建仿真App的工具。COMSOL提供豐富的附加模塊,為電磁、結構力學、聲學、流體流動、傳熱和化工等領域提供了專業的分析功能,并包含多個CAD和其他第三方軟件的接口。COMSOL具有以下優勢。

(1)自編程計算。用戶能夠隨意定義偏微分方程,軟件可以自動求解,自動劃分網格。對于多物理場問題能夠自定義耦合方程,不受物理場、耦合形式等等條件的限制。該功能容易實現,不需要編寫用戶子程序。用戶隨時可以對問題進行擴展,考慮更多的物理效應。

(2)參數化掃描。COMSOL中的參數化掃描功能可以對模型的一個或多個變量進行掃描求解,從而得出各參數對模型結果的影響,尋求最優的設計方案。

(3)App模型開發器?！癆pp開發器”使仿真專業人員能夠為他們的計算模型創建直觀的用戶界面,即隨時可用的定制仿真App。如此一來,App用戶就可以更加專注于重要的輸入參數和計算結果,而無需事先了解底層模型。

2.3 數值模型

由于VSM為圓形豎井,故可采用二維軸對稱模型對其建設進行概化。概化模型寬度120 m、高度100 m,如圖4所示。

圖4 幾何模型

數值模型由土體、預制混凝土管片、地基處理部分組成,地基處理主要用于承擔豎井開挖裝配過程中的預制混凝土管片重力。通過在豎井內壁與開挖面上設置壓力與水頭反映豎井內水壓的作用。

網格類型為三角形,首先預定義整個模型的網格為較細化,設定最大單元為4.44 m,最小單元為0.015 m,最大單元增長率為1.25,曲率因子為0.25。在重點關注的部位,包括豎井底部、地表與地基處理部分采用極細化命令加密網格,最大單元為1.2 m,最小單元為0.002 4 m,最大單元增長率為1.1,曲率因子為0.2。最后,由COMSOL軟件自動生成2 198個網格頂點,3 929個網格,如圖5所示。

圖5 模型網格

根據巖土工程勘察報告中的地層情況,②3層粉細砂為施工范圍內最厚的地層,且滲透性最好,是豎井開挖過程最潛在危險層。選擇②3層粉細砂作為VSM豎井開挖模擬的土體,研究最危險情況,相關參數如表2所示。

表2 數值模型土層參數

模型涉及兩個物理場：固體力學場與滲流場。通過在滲流場中計算模型各處的孔隙水壓力與滲透力,再將其作為外部應力賦予固體力學場的方式進行兩個物理場的耦合計算。

固體力學場中,土體屈服準則為匹配莫爾-庫倫準則的德魯克-普拉格準則。

(1)

式(1)中：F為屈服函數;J2為應力偏量第二不變量,kPa;I1為應力張量第一不變量,kPa;α、k為與土壤相關的系數,分別可表示為

(2)

(3)

式中：c為土的內聚力,kPa;φ為內摩擦角,(°)。

滲流場中,利用達西定律計算滲流速度場,可表示為

(4)

式(4)中：K為滲透系數,m/s;P為孔隙水壓力,kPa;ρ為水的密度,kg/m3;g為重力加速度,m/s2;?為哈密爾頓算子。

模型的地表設為自由邊界,側面與底面設為輥支撐,僅約束土體的法向變形。數值模擬計算時,由于重力的作用,土層會產生沉降變形,而天然狀態的土層已經在重力作用下固結變形完畢,所以要在正式計算前消除重力引起的沉降變形,即進行地應力平衡。首先對未開挖的模型進行計算,得到土層的應力應變狀態,再將其作為初值進行VSM豎井開挖的計算,得到的相關變形即為消除了重力影響的變形。

2.4 數值計算過程

(1)根據南京市兒童醫院沉井停車庫項目的實際工況,進行簡化的數值模型計算,驗證VSM在砂性土中施工的安全性。

(2)利用COMSOL的參數化掃描功能,分別計算豎井開挖深度為10、20、30、40、50、60 m的模型,分析研究地表變形與井底變形情況隨開挖深度變化的規律。

(3)分別計算不同水位差情況下,對應不同豎井開挖深度的穩定性安全系數,為實際工程提供參考。

3 結果與分析

3.1 南京市兒童醫院沉井停車庫項目數值模擬

南京市兒童醫院沉井停車庫項目施工時,豎井開挖深度為60 m,內外水位差為1 m,施工時開挖面存在0.5 m超挖。該工況下數值模型計算的井底隆起、地表變形、位移場和滲流場結果如圖6～圖8所示。

圖6 南京市兒童醫院沉井停車庫項目井底隆起

圖7 南京市兒童醫院沉井停車庫項目地表變形

圖8 南京市兒童醫院沉y/m井停車庫項目位移場與滲流場

數值模擬結果(圖6～圖8)表明：井底最大隆起位于豎井中心,為178 mm;地表最大沉降量為12.897 mm。VSM豎井周圍土體的位移較小,僅豎井底部開挖面附近產生一定變形。由于VSM采用的水下施工方法,豎井內外水位差僅有0～3 m,滲流場穩定平緩,計算得到的穩定安全系數為2.278。

同位于南京市的南京地鐵一號線北延線二橋公園站出入場線段基坑工程采用明挖法施工,圍護結構采用鉆孔樁+內支撐形式,平均開挖深度為12 m[12]。距離該基坑5 m處出現最大沉降,為23.1 mm。與之相比,南京市兒童醫院沉井停車庫項目的開挖深度大得多,而沉降量很小,說明VSM工法施工對周邊環境擾動更小,在安全性上也更具優勢。

3.2 變形分析

圖9為不同開挖深度對應的井底變形曲線。在開挖過程中,井底出現不同程度的隆起現象,最大隆起發生在中心位置。開挖至60 m深時,最大隆起量為178 mm,處于安全范圍內。隨開挖深度的增加,井底的隆起量也增加。

圖9 不同開挖深度對應的井底變形曲線

井底隆起現象有兩方面原因：一是豎井內部土體被挖除,井底土卸荷產生的回彈變形;二是豎井外的土體在開挖過程中應力狀態發生變化形成向豎井側向位移。隨著開挖深度增加,卸荷量相應增加,表現出的結果即為井底隆起量隨開挖深度的增加而增加。

圖10為不同開挖深度對應的地表變形曲線。在靠近豎井側壁的位置,由于預先進行過地基處理,沉降量很小。隨距豎井邊緣的距離增加,地表產生勺型沉降槽,最后趨于穩定。

圖10 不同開挖深度對應的地表變形曲線

從圖10可以看出,豎井開挖導致的地面沉降具有明顯規律。在豎井邊緣3 m范圍內的地面,存在地面荷載的同時還要承擔預制混凝土管片的重力,從而采用了地基加固。從數值模擬結果(圖10)來看,地基處理部分在豎井開挖至60 m時僅有0.5 mm的沉降,體現了地基處理的有效性和必要性。地基處理部分以外(距離圈梁較遠處),地表均形成了勺型沉降槽,范圍約為1倍開挖深度,隨著豎井開挖深度不斷增大,地面沉降量也不斷增大,沉降槽的范圍也增加,但均未超過2倍開挖深度。雖然未地基加固部分相對沉降量增大,但隨著開挖面的加深,最大地表沉降依然控制在毫米數量級內,最大沉降在開挖深度60 m時才擴展至約13 mm。

3.3 穩定性分析

實際施工過程中,如若地下水位突然發生變化、汛期、發生掉鉆需抽水進行維修,則會存在豎井內外水頭差大幅增大的情況。對于上述問題,可以通過數值模型分別計算不同水頭差工況下豎井開挖深度的穩定性安全系數,以輔助施工并確保工程安全。同時,通過分析該計算結果,可以在VSM豎井開挖過程中適當降低豎井內水位,方便觀察豎井內情況與對截割頭進行維護。計算結果如表3、圖11所示。

表3 不同水位差、不同開挖深度的穩定性安全系數

圖11 不同水位差、不同開挖深度的穩定性安全系數

可以看出,開挖面安全系數與水位差和開挖深度均為負相關。根據《建筑基坑支護技術規程》(JGJ 120—2012)[13]的有關規定,安全等級為一級的支護結構滲流穩定性安全系數不應小于1.6。南京市兒童醫院沉井停車庫項目的60 m豎井數值模型在降水10 m的情況下仍有1.965的穩定性安全系數。通過模型計算開挖70 m的安全系數仍有冗余,驗證了VSM在砂性土中開挖屬于較安全的施工方案。

實際工程中,可以由上述數值模擬結果估計在規定的穩定性安全系數條件下,豎井中水位與相應的可開挖的最大深度,即臨界開挖深度。計算結果表明,在開挖初期(開挖深度較小時),穩定安全系數較高,可適當放寬豎井內外水位差,而隨著開挖深度的不斷加深,尤其臨界開挖深度附近,可適當補充注水,提高開挖穩定安全系數。以南京市兒童醫院沉井停車庫項目為例,內外水位差長期控制在約1 m,注水量較大的同時,如若偶爾發生VSM開挖刷頭卡土問題,排水注水工程量也大。未來進一步工程應用中可根據數值計算結果進行精細化控制,即開挖初期適當注水,方便施工,在挖至臨界深度后提高豎井內水位,實現分段精細化開挖。

4 結論

(1)根據南京市兒童醫院沉井停車庫項目的實際工況,利用COMSOL Multiphysics軟件建立VSM數值計算模型。對比同樣地層VSM豎井與較淺基坑的地表變形情況,VSM在開挖深度大的同時對周邊環境擾動反而較小,且由于采用水下施工,大厚度粉細砂開挖滲流穩定安全系數高,穩定性好,在厚層高滲透性砂性土中也具有較高安全性。

(2)在60 m的開挖深度內,VSM開挖過程中最大地表沉降均能較好控制在毫米數量級(12.90 mm),開挖較大擾動集中在1倍開挖深度范圍內,變形影響范圍控制在2倍開挖深度;且深度達60 m時仍具有較高開挖面穩定安全系數。驗證了VSM在較深砂性土豎井施工的可行性、安全性與擾動小的優勢。

(3)VSM豎井開挖過程中,安全系數與水位差和開挖深度均為負相關。計算結果表明在一定的水位差和安全系數下,豎井開挖具有明確的臨界深度。該結果可用于指導實際施工,甚至實現分段施工與精細化控制。

(4)VSM深井掘進技術在砂性土中具有結構形式簡單、施工速度快、對周邊環境擾動小等優勢,可被廣泛用于城市深層地下空間的科學合理高效開發。