周洁, 刘成君, 徐杰, 张振光, 李泽垚

(1.同济大学地下建筑与工程系, 上海 200092; 2.同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室, 上海 200092;3.上海公路桥梁(集团)有限公司, 上海 200433)

21世纪是开发利用地下空间的世纪,城市空间发展逐步由地面及上部空间向地下延伸。如何科学、合理和高效开发地下空间,特别是如何利用地下深层空间开发来实现城市更新,是全世界城市必须解决的课题。在城市中心区,建筑密度较大、可利用空间较小。在狭小空间内进行立体空间开发存在几个难点：一是场地狭小,往往需要向深度方向发展,小断面大深度地下空间的开发是必然趋势;二是常规的地下连续墙、桩基等施工设备往往受周边建筑物的限制而不能采用,发展新的施工设备与工艺是关键;三是周边的建筑物通常是人员密集的场所,如何减少地下空间的开发对建筑物的影响是难点。

深井掘进技术(vertical shaft machine,VSM)的全预制拼装竖井是解决以上问题的非常好的选择。VSM是一种开挖竖井的新型工法,具有开挖速度快,适用性广泛等特点。该技术施作的竖井结构形式简单、结构受力状态好、施工速度快、对周边环境扰动小,可被广泛用于城市深层地下空间的点状开发。

VSM竖井的开挖与圆形基坑有相似之处,对于基坑的相关研究对VSM的数值模拟有一定的参考价值。徐江等[1]运用ABAQUS软件对软土区某地铁深基坑施工过程进行建模分析,研究了软土区地铁深基坑围护结构变形及周边土体位移特性。马俊[2]针对内支撑式挡土墙深基坑开挖与支护过程中地表沉降和挡土墙变形的稳定性问题,应用COMSOL软件对上海某地铁深基坑开挖工程进行模拟,并结合现场实际监测进行对比分析。叶帅华等[3]采用PLAXIS有限元软件对兰州市某深大基坑开挖过程进行数值模拟,研究了基坑支护结构、基坑周围土体和邻近建筑三者之间的相互影响。林志斌等[4]采用FLAC3D建立考虑蠕变与渗流相互影响的软土基坑开挖数值模型,研究不同计算条件下基坑桩后水压力、桩位移、地表沉降等随开挖时间的变化规律。胡建林等[5]运用MIDAS-GTS/NX软件,使用不同本构模型进行排桩支护变形和地表沉降的数值模拟,认为参考应力随基坑深度变化的修正莫尔库伦模型进行基坑开挖变形预测更具参考价值。王龙等[6]通过PLAXIS软件建立分析模型,对上覆新填土的软土深基坑开挖过程进行模拟,研究了不同支护条件下坑底回弹变形和地表沉降的分布规律。Liu等[7]利用FLAC3D建立了采用TRD(trench cutting re-mixing deep wall method)复合支护结构的基坑力学模型,模拟了开挖过程,研究了地面沉降与围护结构变形的关系。

VSM施工过程中,下部存在超挖,预拼装管片的下沉与沉井下沉也有相似之处,沉井的数值模拟过程可以为VSM竖井的研究提供参考。Liu等[8]采用ABAQUS有限元分析软件建立数值模型,结合模型试验分析研究了重力式锚碇沉井的稳定性。施洲等[9]运用ANSYS软件建立大型沉井初沉阶段的有限元模型,重点研究大型沉井初沉阶段的受力特性及开裂控制。赵小晴等[10]依托模型试验通过PLAXIS 3D软件建立了有限元模型,模拟了锚碇沉井基础在砂土中的受力变形性能,研究了锚碇沉井基础与土体的相互作用机理。石峻峰等[11]采用有限元分析软件ABAQUS对沉井基础首次下沉施工过程进行数值模拟,针对沉井基础下沉过程中的应力与变形进行分析研究。

综上所述,虽然对与VSM工法类似的基坑开挖、沉井下沉的研究都很丰富,但VSM开挖具有独特的深度大、水下作业、悬吊作业等特点,其工作机理与方式明显不同于基坑和沉井建设。现有研究不能完全适用于VSM,VSM的安全性和适用性仍有待进一步探索。鉴于此,利用COMSOL Multiphysics软件,以中国首例使用VSM施工的南京市儿童医院沉井停车库项目为原型,建立在砂性土中使用VSM开挖竖井的模型,重点研究VSM竖井的变形情况与开挖面的稳定性问题。以用于指导实际施工,实现分段施工与精细化控制。为VSM的推广应用提供了一定的理论依据与工程指导。

1 VSM技术简介

1.1 VSM施工工艺

VSM工法是一种通过机械臂在水下对地层进行摆幅开挖并同时进行预制管片拼装作业的下沉式竖井掘进工法。VSM施工设备(图1)主要由掘进主机、进浆管、出浆管、预制管片、沉降单元组成。

图1 VSM竖井挖掘设备

VSM主要施工工序包括：场地平整→地表开挖→基环、圈梁制作→设备安装及调试→竖井开挖及管片拼装→封底混凝土施工→置换膨润土→沉井抽水→底板施工。

竖井衬砌使用预拼装混凝土管片,如图2所示,管片拼装在地面与竖井开挖同步进行。采用VSM设备施工竖井前,对地基进行加固并在地面设置混凝土圈梁,其上安装3或4个带液压油缸的沉降单元。通过钢丝绳将沉降单元与管片相连,随开挖同步下沉。VSM竖井挖掘机由3条机械臂牢固地压附在井壁上,竖井挖掘机上安装能旋转的截割头,在竖井底部削挖土体,完成整个竖井断面的挖掘,并完成一定超挖。竖井挖掘设备如图3所示。竖井内部水位基本与外部平齐,开挖在水下进行,下沉到设计深度时进行水下封底混凝土浇筑。

图2 预拼装混凝土管片

图3 刃脚与超挖

1.2 VSM技术的优势

(1)场地适用性好。VSM施工场地面积小(40 m直径的场地即可开挖),可广泛用于城市深层地下空间的点状开发。

(2)地层适用性广泛。VSM设备可在碎石、砂土、粉土、黏土等多种复杂地层中快速施工。

(3)工程风险小。VSM设备可在超深水下施工,并始终保持井内外压力平衡,开挖与支护同步进行,有效减少突涌风险。

(4)地层扰动小。VSM采用不排水施工工艺,保持井筒内水位与地下水位平齐,开挖过程中同步拼装预制管片,有效减少地层扰动。

(5)施工速度快。开挖与管片拼装同时进行,从而大幅度降低工程施工工期,其掘进和拼装速度在一定条件下可达到4.5 m/d。

(6)实时精确监测,远程控制。VSM系统通过控制舱进行远程控制,收集和监控所有的过程控制数据,通过可视化系统,设备操作人员可随时观察和调整设备和竖井的偏差。

(7)噪声低。VSM在较深的水下作业,可有效阻隔切削地层产生的噪音。

2 数值模拟方案

2.1 工况介绍

以中国首例使用VSM施工的南京市儿童医院沉井停车库项目为原型,开展数值模拟研究。沉井停车库截面内径12 m,外径12.8 m,单个车库地下标准层断面面积为113.10 m2(不含结构),地下建筑埋深61.85 m。

根据岩土工程勘察揭露的地层情况,按成因时代、岩性特征、埋藏条件及物理力学性质,在场地勘探深度内可划分为4个工程地质层,细划分为11个工程地质亚层(根据周边场地工程经验,该地区分布2-1层粉质黏土,本场地内缺失),各地基土层层顶埋深、层厚详如表1所示。场地内地基土性多样,包含粉质黏土、粉细砂、卵砾石和砂质泥岩等,以粉细砂为主。

表1 场地内地基土层分布

南京市儿童医院沉井停车库项目是中国首例采用VSM技术进行超深地下空间开挖的工程项目,中国目前无相关施工、设计经验。在VSM施工过程中,开挖引起的地基变形对于施工的安全性和相邻建筑物的影响都具有重要的研究价值。同时,开挖面的渗流稳定性问题也值得关注。VSM竖井内部水位往往与地下水位平齐,这种情况是相对安全的。但是实际施工过程中,截割头可能会被土中的硬质砾石卡住,需要在竖井内降水,提升截割头进行修复。此时,无支护且存在超挖的开挖面处于较危险的状态,容易发生渗流破坏,具有失稳的风险。

由于实际工程经验较少,利用数值模拟可以较为方便地对上述问题进行研究,采用COMSOL Multiphysics软件(以下简称COMSOL)进行数值模拟,重点研究开挖过程中的变形问题和降水时的开挖面稳定性问题,以探索验证在砂性土中使用VSM工法施工竖井的可行性与安全性。

2.2 COMSOL Multiphysics简介

COMSOL以有限单元法为基础,通过求解偏微分方程组进行对真实现象的数值模拟。软件中提供完全耦合的多物理场和单物理场建模功能、仿真数据管理以及用于构建仿真App的工具。COMSOL提供丰富的附加模块,为电磁、结构力学、声学、流体流动、传热和化工等领域提供了专业的分析功能,并包含多个CAD和其他第三方软件的接口。COMSOL具有以下优势。

(1)自编程计算。用户能够随意定义偏微分方程,软件可以自动求解,自动划分网格。对于多物理场问题能够自定义耦合方程,不受物理场、耦合形式等等条件的限制。该功能容易实现,不需要编写用户子程序。用户随时可以对问题进行扩展,考虑更多的物理效应。

(2)参数化扫描。COMSOL中的参数化扫描功能可以对模型的一个或多个变量进行扫描求解,从而得出各参数对模型结果的影响,寻求最优的设计方案。

(3)App模型开发器。“App开发器”使仿真专业人员能够为他们的计算模型创建直观的用户界面,即随时可用的定制仿真App。如此一来,App用户就可以更加专注于重要的输入参数和计算结果,而无需事先了解底层模型。

2.3 数值模型

由于VSM为圆形竖井,故可采用二维轴对称模型对其建设进行概化。概化模型宽度120 m、高度100 m,如图4所示。

图4 几何模型

数值模型由土体、预制混凝土管片、地基处理部分组成,地基处理主要用于承担竖井开挖装配过程中的预制混凝土管片重力。通过在竖井内壁与开挖面上设置压力与水头反映竖井内水压的作用。

网格类型为三角形,首先预定义整个模型的网格为较细化,设定最大单元为4.44 m,最小单元为0.015 m,最大单元增长率为1.25,曲率因子为0.25。在重点关注的部位,包括竖井底部、地表与地基处理部分采用极细化命令加密网格,最大单元为1.2 m,最小单元为0.002 4 m,最大单元增长率为1.1,曲率因子为0.2。最后,由COMSOL软件自动生成2 198个网格顶点,3 929个网格,如图5所示。

图5 模型网格

根据岩土工程勘察报告中的地层情况,②3层粉细砂为施工范围内最厚的地层,且渗透性最好,是竖井开挖过程最潜在危险层。选择②3层粉细砂作为VSM竖井开挖模拟的土体,研究最危险情况,相关参数如表2所示。

表2 数值模型土层参数

模型涉及两个物理场：固体力学场与渗流场。通过在渗流场中计算模型各处的孔隙水压力与渗透力,再将其作为外部应力赋予固体力学场的方式进行两个物理场的耦合计算。

固体力学场中,土体屈服准则为匹配莫尔-库伦准则的德鲁克-普拉格准则。

(1)

式(1)中：F为屈服函数;J2为应力偏量第二不变量,kPa;I1为应力张量第一不变量,kPa;α、k为与土壤相关的系数,分别可表示为

(2)

(3)

式中：c为土的内聚力,kPa;φ为内摩擦角,(°)。

渗流场中,利用达西定律计算渗流速度场,可表示为

(4)

式(4)中：K为渗透系数,m/s;P为孔隙水压力,kPa;ρ为水的密度,kg/m3;g为重力加速度,m/s2;∇为哈密尔顿算子。

模型的地表设为自由边界,侧面与底面设为辊支撑,仅约束土体的法向变形。数值模拟计算时,由于重力的作用,土层会产生沉降变形,而天然状态的土层已经在重力作用下固结变形完毕,所以要在正式计算前消除重力引起的沉降变形,即进行地应力平衡。首先对未开挖的模型进行计算,得到土层的应力应变状态,再将其作为初值进行VSM竖井开挖的计算,得到的相关变形即为消除了重力影响的变形。

2.4 数值计算过程

(1)根据南京市儿童医院沉井停车库项目的实际工况,进行简化的数值模型计算,验证VSM在砂性土中施工的安全性。

(2)利用COMSOL的参数化扫描功能,分别计算竖井开挖深度为10、20、30、40、50、60 m的模型,分析研究地表变形与井底变形情况随开挖深度变化的规律。

(3)分别计算不同水位差情况下,对应不同竖井开挖深度的稳定性安全系数,为实际工程提供参考。

3 结果与分析

3.1 南京市儿童医院沉井停车库项目数值模拟

南京市儿童医院沉井停车库项目施工时,竖井开挖深度为60 m,内外水位差为1 m,施工时开挖面存在0.5 m超挖。该工况下数值模型计算的井底隆起、地表变形、位移场和渗流场结果如图6～图8所示。

图6 南京市儿童医院沉井停车库项目井底隆起

图7 南京市儿童医院沉井停车库项目地表变形

图8 南京市儿童医院沉y/m井停车库项目位移场与渗流场

数值模拟结果(图6～图8)表明：井底最大隆起位于竖井中心,为178 mm;地表最大沉降量为12.897 mm。VSM竖井周围土体的位移较小,仅竖井底部开挖面附近产生一定变形。由于VSM采用的水下施工方法,竖井内外水位差仅有0～3 m,渗流场稳定平缓,计算得到的稳定安全系数为2.278。

同位于南京市的南京地铁一号线北延线二桥公园站出入场线段基坑工程采用明挖法施工,围护结构采用钻孔桩+内支撑形式,平均开挖深度为12 m[12]。距离该基坑5 m处出现最大沉降,为23.1 mm。与之相比,南京市儿童医院沉井停车库项目的开挖深度大得多,而沉降量很小,说明VSM工法施工对周边环境扰动更小,在安全性上也更具优势。

3.2 变形分析

图9为不同开挖深度对应的井底变形曲线。在开挖过程中,井底出现不同程度的隆起现象,最大隆起发生在中心位置。开挖至60 m深时,最大隆起量为178 mm,处于安全范围内。随开挖深度的增加,井底的隆起量也增加。

图9 不同开挖深度对应的井底变形曲线

井底隆起现象有两方面原因：一是竖井内部土体被挖除,井底土卸荷产生的回弹变形;二是竖井外的土体在开挖过程中应力状态发生变化形成向竖井侧向位移。随着开挖深度增加,卸荷量相应增加,表现出的结果即为井底隆起量随开挖深度的增加而增加。

图10为不同开挖深度对应的地表变形曲线。在靠近竖井侧壁的位置,由于预先进行过地基处理,沉降量很小。随距竖井边缘的距离增加,地表产生勺型沉降槽,最后趋于稳定。

图10 不同开挖深度对应的地表变形曲线

从图10可以看出,竖井开挖导致的地面沉降具有明显规律。在竖井边缘3 m范围内的地面,存在地面荷载的同时还要承担预制混凝土管片的重力,从而采用了地基加固。从数值模拟结果(图10)来看,地基处理部分在竖井开挖至60 m时仅有0.5 mm的沉降,体现了地基处理的有效性和必要性。地基处理部分以外(距离圈梁较远处),地表均形成了勺型沉降槽,范围约为1倍开挖深度,随着竖井开挖深度不断增大,地面沉降量也不断增大,沉降槽的范围也增加,但均未超过2倍开挖深度。虽然未地基加固部分相对沉降量增大,但随着开挖面的加深,最大地表沉降依然控制在毫米数量级内,最大沉降在开挖深度60 m时才扩展至约13 mm。

3.3 稳定性分析

实际施工过程中,如若地下水位突然发生变化、汛期、发生掉钻需抽水进行维修,则会存在竖井内外水头差大幅增大的情况。对于上述问题,可以通过数值模型分别计算不同水头差工况下竖井开挖深度的稳定性安全系数,以辅助施工并确保工程安全。同时,通过分析该计算结果,可以在VSM竖井开挖过程中适当降低竖井内水位,方便观察竖井内情况与对截割头进行维护。计算结果如表3、图11所示。

表3 不同水位差、不同开挖深度的稳定性安全系数

图11 不同水位差、不同开挖深度的稳定性安全系数

可以看出,开挖面安全系数与水位差和开挖深度均为负相关。根据《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120—2012)[13]的有关规定,安全等级为一级的支护结构渗流稳定性安全系数不应小于1.6。南京市儿童医院沉井停车库项目的60 m竖井数值模型在降水10 m的情况下仍有1.965的稳定性安全系数。通过模型计算开挖70 m的安全系数仍有冗余,验证了VSM在砂性土中开挖属于较安全的施工方案。

实际工程中,可以由上述数值模拟结果估计在规定的稳定性安全系数条件下,竖井中水位与相应的可开挖的最大深度,即临界开挖深度。计算结果表明,在开挖初期(开挖深度较小时),稳定安全系数较高,可适当放宽竖井内外水位差,而随着开挖深度的不断加深,尤其临界开挖深度附近,可适当补充注水,提高开挖稳定安全系数。以南京市儿童医院沉井停车库项目为例,内外水位差长期控制在约1 m,注水量较大的同时,如若偶尔发生VSM开挖刷头卡土问题,排水注水工程量也大。未来进一步工程应用中可根据数值计算结果进行精细化控制,即开挖初期适当注水,方便施工,在挖至临界深度后提高竖井内水位,实现分段精细化开挖。

4 结论

(1)根据南京市儿童医院沉井停车库项目的实际工况,利用COMSOL Multiphysics软件建立VSM数值计算模型。对比同样地层VSM竖井与较浅基坑的地表变形情况,VSM在开挖深度大的同时对周边环境扰动反而较小,且由于采用水下施工,大厚度粉细砂开挖渗流稳定安全系数高,稳定性好,在厚层高渗透性砂性土中也具有较高安全性。

(2)在60 m的开挖深度内,VSM开挖过程中最大地表沉降均能较好控制在毫米数量级(12.90 mm),开挖较大扰动集中在1倍开挖深度范围内,变形影响范围控制在2倍开挖深度;且深度达60 m时仍具有较高开挖面稳定安全系数。验证了VSM在较深砂性土竖井施工的可行性、安全性与扰动小的优势。

(3)VSM竖井开挖过程中,安全系数与水位差和开挖深度均为负相关。计算结果表明在一定的水位差和安全系数下,竖井开挖具有明确的临界深度。该结果可用于指导实际施工,甚至实现分段施工与精细化控制。

(4)VSM深井掘进技术在砂性土中具有结构形式简单、施工速度快、对周边环境扰动小等优势,可被广泛用于城市深层地下空间的科学合理高效开发。