深井掘進(jìn)技術(shù)在厚層高滲透性粉細(xì)砂層中適用性的數(shù)值模擬研究

周潔, 劉成君, 徐杰, 張振光, 李澤垚

(1.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系, 上海 200092; 2.同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200092;3.上海公路橋梁(集團(tuán))有限公司, 上海 200433)

21世紀(jì)是開(kāi)發(fā)利用地下空間的世紀(jì),城市空間發(fā)展逐步由地面及上部空間向地下延伸。如何科學(xué)、合理和高效開(kāi)發(fā)地下空間,特別是如何利用地下深層空間開(kāi)發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)城市更新,是全世界城市必須解決的課題。在城市中心區(qū),建筑密度較大、可利用空間較小。在狹小空間內(nèi)進(jìn)行立體空間開(kāi)發(fā)存在幾個(gè)難點(diǎn)：一是場(chǎng)地狹小,往往需要向深度方向發(fā)展,小斷面大深度地下空間的開(kāi)發(fā)是必然趨勢(shì);二是常規(guī)的地下連續(xù)墻、樁基等施工設(shè)備往往受周邊建筑物的限制而不能采用,發(fā)展新的施工設(shè)備與工藝是關(guān)鍵;三是周邊的建筑物通常是人員密集的場(chǎng)所,如何減少地下空間的開(kāi)發(fā)對(duì)建筑物的影響是難點(diǎn)。

深井掘進(jìn)技術(shù)(vertical shaft machine,VSM)的全預(yù)制拼裝豎井是解決以上問(wèn)題的非常好的選擇。VSM是一種開(kāi)挖豎井的新型工法,具有開(kāi)挖速度快,適用性廣泛等特點(diǎn)。該技術(shù)施作的豎井結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)好、施工速度快、對(duì)周邊環(huán)境擾動(dòng)小,可被廣泛用于城市深層地下空間的點(diǎn)狀開(kāi)發(fā)。

VSM豎井的開(kāi)挖與圓形基坑有相似之處,對(duì)于基坑的相關(guān)研究對(duì)VSM的數(shù)值模擬有一定的參考價(jià)值。徐江等[1]運(yùn)用ABAQUS軟件對(duì)軟土區(qū)某地鐵深基坑施工過(guò)程進(jìn)行建模分析,研究了軟土區(qū)地鐵深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形及周邊土體位移特性。馬俊[2]針對(duì)內(nèi)支撐式擋土墻深基坑開(kāi)挖與支護(hù)過(guò)程中地表沉降和擋土墻變形的穩(wěn)定性問(wèn)題,應(yīng)用COMSOL軟件對(duì)上海某地鐵深基坑開(kāi)挖工程進(jìn)行模擬,并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)進(jìn)行對(duì)比分析。葉帥華等[3]采用PLAXIS有限元軟件對(duì)蘭州市某深大基坑開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬,研究了基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)、基坑周?chē)馏w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(kāi)挖數(shù)值模型,研究不同計(jì)算條件下基坑樁后水壓力、樁位移、地表沉降等隨開(kāi)挖時(shí)間的變化規(guī)律。胡建林等[5]運(yùn)用MIDAS-GTS/NX軟件,使用不同本構(gòu)模型進(jìn)行排樁支護(hù)變形和地表沉降的數(shù)值模擬,認(rèn)為參考應(yīng)力隨基坑深度變化的修正莫爾庫(kù)倫模型進(jìn)行基坑開(kāi)挖變形預(yù)測(cè)更具參考價(jià)值。王龍等[6]通過(guò)PLAXIS軟件建立分析模型,對(duì)上覆新填土的軟土深基坑開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行模擬,研究了不同支護(hù)條件下坑底回彈變形和地表沉降的分布規(guī)律。Liu等[7]利用FLAC3D建立了采用TRD(trench cutting re-mixing deep wall method)復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的基坑力學(xué)模型,模擬了開(kāi)挖過(guò)程,研究了地面沉降與圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的關(guān)系。

VSM施工過(guò)程中,下部存在超挖,預(yù)拼裝管片的下沉與沉井下沉也有相似之處,沉井的數(shù)值模擬過(guò)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(shù)值模型,結(jié)合模型試驗(yàn)分析研究了重力式錨碇沉井的穩(wěn)定性。施洲等[9]運(yùn)用ANSYS軟件建立大型沉井初沉階段的有限元模型,重點(diǎn)研究大型沉井初沉階段的受力特性及開(kāi)裂控制。趙小晴等[10]依托模型試驗(yàn)通過(guò)PLAXIS 3D軟件建立了有限元模型,模擬了錨碇沉井基礎(chǔ)在砂土中的受力變形性能,研究了錨碇沉井基礎(chǔ)與土體的相互作用機(jī)理。石峻峰等[11]采用有限元分析軟件ABAQUS對(duì)沉井基礎(chǔ)首次下沉施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬,針對(duì)沉井基礎(chǔ)下沉過(guò)程中的應(yīng)力與變形進(jìn)行分析研究。

綜上所述,雖然對(duì)與VSM工法類(lèi)似的基坑開(kāi)挖、沉井下沉的研究都很豐富,但VSM開(kāi)挖具有獨(dú)特的深度大、水下作業(yè)、懸吊作業(yè)等特點(diǎn),其工作機(jī)理與方式明顯不同于基坑和沉井建設(shè)。現(xiàn)有研究不能完全適用于VSM,VSM的安全性和適用性仍有待進(jìn)一步探索。鑒于此,利用COMSOL Multiphysics軟件,以中國(guó)首例使用VSM施工的南京市兒童醫(yī)院沉井停車(chē)庫(kù)項(xiàng)目為原型,建立在砂性土中使用VSM開(kāi)挖豎井的模型,重點(diǎn)研究VSM豎井的變形情況與開(kāi)挖面的穩(wěn)定性問(wèn)題。以用于指導(dǎo)實(shí)際施工,實(shí)現(xiàn)分段施工與精細(xì)化控制。為VSM的推廣應(yīng)用提供了一定的理論依據(jù)與工程指導(dǎo)。

1 VSM技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 VSM施工工藝

VSM工法是一種通過(guò)機(jī)械臂在水下對(duì)地層進(jìn)行擺幅開(kāi)挖并同時(shí)進(jìn)行預(yù)制管片拼裝作業(yè)的下沉式豎井掘進(jìn)工法。VSM施工設(shè)備(圖1)主要由掘進(jìn)主機(jī)、進(jìn)漿管、出漿管、預(yù)制管片、沉降單元組成。

圖1 VSM豎井挖掘設(shè)備

VSM主要施工工序包括：場(chǎng)地平整→地表開(kāi)挖→基環(huán)、圈梁制作→設(shè)備安裝及調(diào)試→豎井開(kāi)挖及管片拼裝→封底混凝土施工→置換膨潤(rùn)土→沉井抽水→底板施工。

豎井襯砌使用預(yù)拼裝混凝土管片,如圖2所示,管片拼裝在地面與豎井開(kāi)挖同步進(jìn)行。采用VSM設(shè)備施工豎井前,對(duì)地基進(jìn)行加固并在地面設(shè)置混凝土圈梁,其上安裝3或4個(gè)帶液壓油缸的沉降單元。通過(guò)鋼絲繩將沉降單元與管片相連,隨開(kāi)挖同步下沉。VSM豎井挖掘機(jī)由3條機(jī)械臂牢固地壓附在井壁上,豎井挖掘機(jī)上安裝能旋轉(zhuǎn)的截割頭,在豎井底部削挖土體,完成整個(gè)豎井?dāng)嗝娴耐诰?并完成一定超挖。豎井挖掘設(shè)備如圖3所示。豎井內(nèi)部水位基本與外部平齊,開(kāi)挖在水下進(jìn)行,下沉到設(shè)計(jì)深度時(shí)進(jìn)行水下封底混凝土澆筑。

圖2 預(yù)拼裝混凝土管片

圖3 刃腳與超挖

1.2 VSM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

(1)場(chǎng)地適用性好。VSM施工場(chǎng)地面積小(40 m直徑的場(chǎng)地即可開(kāi)挖),可廣泛用于城市深層地下空間的點(diǎn)狀開(kāi)發(fā)。

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

(3)工程風(fēng)險(xiǎn)小。VSM設(shè)備可在超深水下施工,并始終保持井內(nèi)外壓力平衡,開(kāi)挖與支護(hù)同步進(jìn)行,有效減少突涌風(fēng)險(xiǎn)。

(4)地層擾動(dòng)小。VSM采用不排水施工工藝,保持井筒內(nèi)水位與地下水位平齊,開(kāi)挖過(guò)程中同步拼裝預(yù)制管片,有效減少地層擾動(dòng)。

(5)施工速度快。開(kāi)挖與管片拼裝同時(shí)進(jìn)行,從而大幅度降低工程施工工期,其掘進(jìn)和拼裝速度在一定條件下可達(dá)到4.5 m/d。

(6)實(shí)時(shí)精確監(jiān)測(cè),遠(yuǎn)程控制。VSM系統(tǒng)通過(guò)控制艙進(jìn)行遠(yuǎn)程控制,收集和監(jiān)控所有的過(guò)程控制數(shù)據(jù),通過(guò)可視化系統(tǒng),設(shè)備操作人員可隨時(shí)觀察和調(diào)整設(shè)備和豎井的偏差。

(7)噪聲低。VSM在較深的水下作業(yè),可有效阻隔切削地層產(chǎn)生的噪音。

2 數(shù)值模擬方案

2.1 工況介紹

以中國(guó)首例使用VSM施工的南京市兒童醫(yī)院沉井停車(chē)庫(kù)項(xiàng)目為原型,開(kāi)展數(shù)值模擬研究。沉井停車(chē)庫(kù)截面內(nèi)徑12 m,外徑12.8 m,單個(gè)車(chē)庫(kù)地下標(biāo)準(zhǔn)層斷面面積為113.10 m2(不含結(jié)構(gòu)),地下建筑埋深61.85 m。

根據(jù)巖土工程勘察揭露的地層情況,按成因時(shí)代、巖性特征、埋藏條件及物理力學(xué)性質(zhì),在場(chǎng)地勘探深度內(nèi)可劃分為4個(gè)工程地質(zhì)層,細(xì)劃分為11個(gè)工程地質(zhì)亞層(根據(jù)周邊場(chǎng)地工程經(jīng)驗(yàn),該地區(qū)分布2-1層粉質(zhì)黏土,本場(chǎng)地內(nèi)缺失),各地基土層層頂埋深、層厚詳如表1所示。場(chǎng)地內(nèi)地基土性多樣,包含粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、卵礫石和砂質(zhì)泥巖等,以粉細(xì)砂為主。

表1 場(chǎng)地內(nèi)地基土層分布

南京市兒童醫(yī)院沉井停車(chē)庫(kù)項(xiàng)目是中國(guó)首例采用VSM技術(shù)進(jìn)行超深地下空間開(kāi)挖的工程項(xiàng)目,中國(guó)目前無(wú)相關(guān)施工、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。在VSM施工過(guò)程中,開(kāi)挖引起的地基變形對(duì)于施工的安全性和相鄰建筑物的影響都具有重要的研究?jī)r(jià)值。同時(shí),開(kāi)挖面的滲流穩(wěn)定性問(wèn)題也值得關(guān)注。VSM豎井內(nèi)部水位往往與地下水位平齊,這種情況是相對(duì)安全的。但是實(shí)際施工過(guò)程中,截割頭可能會(huì)被土中的硬質(zhì)礫石卡住,需要在豎井內(nèi)降水,提升截割頭進(jìn)行修復(fù)。此時(shí),無(wú)支護(hù)且存在超挖的開(kāi)挖面處于較危險(xiǎn)的狀態(tài),容易發(fā)生滲流破壞,具有失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。

由于實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)較少,利用數(shù)值模擬可以較為方便地對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行研究,采用COMSOL Multiphysics軟件(以下簡(jiǎn)稱COMSOL)進(jìn)行數(shù)值模擬,重點(diǎn)研究開(kāi)挖過(guò)程中的變形問(wèn)題和降水時(shí)的開(kāi)挖面穩(wěn)定性問(wèn)題,以探索驗(yàn)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(jiǎn)介

COMSOL以有限單元法為基礎(chǔ),通過(guò)求解偏微分方程組進(jìn)行對(duì)真實(shí)現(xiàn)象的數(shù)值模擬。軟件中提供完全耦合的多物理場(chǎng)和單物理場(chǎng)建模功能、仿真數(shù)據(jù)管理以及用于構(gòu)建仿真App的工具。COMSOL提供豐富的附加模塊,為電磁、結(jié)構(gòu)力學(xué)、聲學(xué)、流體流動(dòng)、傳熱和化工等領(lǐng)域提供了專(zhuān)業(yè)的分析功能,并包含多個(gè)CAD和其他第三方軟件的接口。COMSOL具有以下優(yōu)勢(shì)。

(1)自編程計(jì)算。用戶能夠隨意定義偏微分方程,軟件可以自動(dòng)求解,自動(dòng)劃分網(wǎng)格。對(duì)于多物理場(chǎng)問(wèn)題能夠自定義耦合方程,不受物理場(chǎng)、耦合形式等等條件的限制。該功能容易實(shí)現(xiàn),不需要編寫(xiě)用戶子程序。用戶隨時(shí)可以對(duì)問(wèn)題進(jìn)行擴(kuò)展,考慮更多的物理效應(yīng)。

(2)參數(shù)化掃描。COMSOL中的參數(shù)化掃描功能可以對(duì)模型的一個(gè)或多個(gè)變量進(jìn)行掃描求解,從而得出各參數(shù)對(duì)模型結(jié)果的影響,尋求最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

(3)App模型開(kāi)發(fā)器。“App開(kāi)發(fā)器”使仿真專(zhuān)業(yè)人員能夠?yàn)樗麄兊挠?jì)算模型創(chuàng)建直觀的用戶界面,即隨時(shí)可用的定制仿真App。如此一來(lái),App用戶就可以更加專(zhuān)注于重要的輸入?yún)?shù)和計(jì)算結(jié)果,而無(wú)需事先了解底層模型。

2.3 數(shù)值模型

由于VSM為圓形豎井,故可采用二維軸對(duì)稱模型對(duì)其建設(shè)進(jìn)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(shù)值模型由土體、預(yù)制混凝土管片、地基處理部分組成,地基處理主要用于承擔(dān)豎井開(kāi)挖裝配過(guò)程中的預(yù)制混凝土管片重力。通過(guò)在豎井內(nèi)壁與開(kāi)挖面上設(shè)置壓力與水頭反映豎井內(nèi)水壓的作用。

網(wǎng)格類(lèi)型為三角形,首先預(yù)定義整個(gè)模型的網(wǎng)格為較細(xì)化,設(shè)定最大單元為4.44 m,最小單元為0.015 m,最大單元增長(zhǎng)率為1.25,曲率因子為0.25。在重點(diǎn)關(guān)注的部位,包括豎井底部、地表與地基處理部分采用極細(xì)化命令加密網(wǎng)格,最大單元為1.2 m,最小單元為0.002 4 m,最大單元增長(zhǎng)率為1.1,曲率因子為0.2。最后,由COMSOL軟件自動(dòng)生成2 198個(gè)網(wǎng)格頂點(diǎn),3 929個(gè)網(wǎng)格,如圖5所示。

圖5 模型網(wǎng)格

根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告中的地層情況,②3層粉細(xì)砂為施工范圍內(nèi)最厚的地層,且滲透性最好,是豎井開(kāi)挖過(guò)程最潛在危險(xiǎn)層。選擇②3層粉細(xì)砂作為VSM豎井開(kāi)挖模擬的土體,研究最危險(xiǎn)情況,相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 數(shù)值模型土層參數(shù)

模型涉及兩個(gè)物理場(chǎng)：固體力學(xué)場(chǎng)與滲流場(chǎng)。通過(guò)在滲流場(chǎng)中計(jì)算模型各處的孔隙水壓力與滲透力,再將其作為外部應(yīng)力賦予固體力學(xué)場(chǎng)的方式進(jìn)行兩個(gè)物理場(chǎng)的耦合計(jì)算。

固體力學(xué)場(chǎng)中,土體屈服準(zhǔn)則為匹配莫爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則的德魯克-普拉格準(zhǔn)則。

(1)

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

(2)

(3)

式中：c為土的內(nèi)聚力,kPa;φ為內(nèi)摩擦角,(°)。

滲流場(chǎng)中,利用達(dá)西定律計(jì)算滲流速度場(chǎng),可表示為

(4)

式(4)中：K為滲透系數(shù),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(shè)為自由邊界,側(cè)面與底面設(shè)為輥支撐,僅約束土體的法向變形。數(shù)值模擬計(jì)算時(shí),由于重力的作用,土層會(huì)產(chǎn)生沉降變形,而天然狀態(tài)的土層已經(jīng)在重力作用下固結(jié)變形完畢,所以要在正式計(jì)算前消除重力引起的沉降變形,即進(jìn)行地應(yīng)力平衡。首先對(duì)未開(kāi)挖的模型進(jìn)行計(jì)算,得到土層的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài),再將其作為初值進(jìn)行VSM豎井開(kāi)挖的計(jì)算,得到的相關(guān)變形即為消除了重力影響的變形。

2.4 數(shù)值計(jì)算過(guò)程

(1)根據(jù)南京市兒童醫(yī)院沉井停車(chē)庫(kù)項(xiàng)目的實(shí)際工況,進(jìn)行簡(jiǎn)化的數(shù)值模型計(jì)算,驗(yàn)證VSM在砂性土中施工的安全性。

(2)利用COMSOL的參數(shù)化掃描功能,分別計(jì)算豎井開(kāi)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(kāi)挖深度變化的規(guī)律。

(3)分別計(jì)算不同水位差情況下,對(duì)應(yīng)不同豎井開(kāi)挖深度的穩(wěn)定性安全系數(shù),為實(shí)際工程提供參考。

3 結(jié)果與分析

3.1 南京市兒童醫(yī)院沉井停車(chē)庫(kù)項(xiàng)目數(shù)值模擬

南京市兒童醫(yī)院沉井停車(chē)庫(kù)項(xiàng)目施工時(shí),豎井開(kāi)挖深度為60 m,內(nèi)外水位差為1 m,施工時(shí)開(kāi)挖面存在0.5 m超挖。該工況下數(shù)值模型計(jì)算的井底隆起、地表變形、位移場(chǎng)和滲流場(chǎng)結(jié)果如圖6～圖8所示。

圖6 南京市兒童醫(yī)院沉井停車(chē)庫(kù)項(xiàng)目井底隆起

圖7 南京市兒童醫(yī)院沉井停車(chē)庫(kù)項(xiàng)目地表變形

圖8 南京市兒童醫(yī)院沉y/m井停車(chē)庫(kù)項(xiàng)目位移場(chǎng)與滲流場(chǎng)

數(shù)值模擬結(jié)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?chē)馏w的位移較小,僅豎井底部開(kāi)挖面附近產(chǎn)生一定變形。由于VSM采用的水下施工方法,豎井內(nèi)外水位差僅有0～3 m,滲流場(chǎng)穩(wěn)定平緩,計(jì)算得到的穩(wěn)定安全系數(shù)為2.278。

同位于南京市的南京地鐵一號(hào)線北延線二橋公園站出入場(chǎng)線段基坑工程采用明挖法施工,圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔樁+內(nèi)支撐形式,平均開(kāi)挖深度為12 m[12]。距離該基坑5 m處出現(xiàn)最大沉降,為23.1 mm。與之相比,南京市兒童醫(yī)院沉井停車(chē)庫(kù)項(xiàng)目的開(kāi)挖深度大得多,而沉降量很小,說(shuō)明VSM工法施工對(duì)周邊環(huán)境擾動(dòng)更小,在安全性上也更具優(yōu)勢(shì)。

3.2 變形分析

圖9為不同開(kāi)挖深度對(duì)應(yīng)的井底變形曲線。在開(kāi)挖過(guò)程中,井底出現(xiàn)不同程度的隆起現(xiàn)象,最大隆起發(fā)生在中心位置。開(kāi)挖至60 m深時(shí),最大隆起量為178 mm,處于安全范圍內(nèi)。隨開(kāi)挖深度的增加,井底的隆起量也增加。

圖9 不同開(kāi)挖深度對(duì)應(yīng)的井底變形曲線

井底隆起現(xiàn)象有兩方面原因：一是豎井內(nèi)部土體被挖除,井底土卸荷產(chǎn)生的回彈變形;二是豎井外的土體在開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化形成向豎井側(cè)向位移。隨著開(kāi)挖深度增加,卸荷量相應(yīng)增加,表現(xiàn)出的結(jié)果即為井底隆起量隨開(kāi)挖深度的增加而增加。

圖10為不同開(kāi)挖深度對(duì)應(yīng)的地表變形曲線。在靠近豎井側(cè)壁的位置,由于預(yù)先進(jìn)行過(guò)地基處理,沉降量很小。隨距豎井邊緣的距離增加,地表產(chǎn)生勺型沉降槽,最后趨于穩(wěn)定。

圖10 不同開(kāi)挖深度對(duì)應(yīng)的地表變形曲線

從圖10可以看出,豎井開(kāi)挖導(dǎo)致的地面沉降具有明顯規(guī)律。在豎井邊緣3 m范圍內(nèi)的地面,存在地面荷載的同時(shí)還要承擔(dān)預(yù)制混凝土管片的重力,從而采用了地基加固。從數(shù)值模擬結(jié)果(圖10)來(lái)看,地基處理部分在豎井開(kāi)挖至60 m時(shí)僅有0.5 mm的沉降,體現(xiàn)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(yuǎn)處),地表均形成了勺型沉降槽,范圍約為1倍開(kāi)挖深度,隨著豎井開(kāi)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(guò)2倍開(kāi)挖深度。雖然未地基加固部分相對(duì)沉降量增大,但隨著開(kāi)挖面的加深,最大地表沉降依然控制在毫米數(shù)量級(jí)內(nèi),最大沉降在開(kāi)挖深度60 m時(shí)才擴(kuò)展至約13 mm。

3.3 穩(wěn)定性分析

實(shí)際施工過(guò)程中,如若地下水位突然發(fā)生變化、汛期、發(fā)生掉鉆需抽水進(jìn)行維修,則會(huì)存在豎井內(nèi)外水頭差大幅增大的情況。對(duì)于上述問(wèn)題,可以通過(guò)數(shù)值模型分別計(jì)算不同水頭差工況下豎井開(kāi)挖深度的穩(wěn)定性安全系數(shù),以輔助施工并確保工程安全。同時(shí),通過(guò)分析該計(jì)算結(jié)果,可以在VSM豎井開(kāi)挖過(guò)程中適當(dāng)降低豎井內(nèi)水位,方便觀察豎井內(nèi)情況與對(duì)截割頭進(jìn)行維護(hù)。計(jì)算結(jié)果如表3、圖11所示。

表3 不同水位差、不同開(kāi)挖深度的穩(wěn)定性安全系數(shù)

圖11 不同水位差、不同開(kāi)挖深度的穩(wěn)定性安全系數(shù)

可以看出,開(kāi)挖面安全系數(shù)與水位差和開(kāi)挖深度均為負(fù)相關(guān)。根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120—2012)[13]的有關(guān)規(guī)定,安全等級(jí)為一級(jí)的支護(hù)結(jié)構(gòu)滲流穩(wěn)定性安全系數(shù)不應(yīng)小于1.6。南京市兒童醫(yī)院沉井停車(chē)庫(kù)項(xiàng)目的60 m豎井?dāng)?shù)值模型在降水10 m的情況下仍有1.965的穩(wěn)定性安全系數(shù)。通過(guò)模型計(jì)算開(kāi)挖70 m的安全系數(shù)仍有冗余,驗(yàn)證了VSM在砂性土中開(kāi)挖屬于較安全的施工方案。

實(shí)際工程中,可以由上述數(shù)值模擬結(jié)果估計(jì)在規(guī)定的穩(wěn)定性安全系數(shù)條件下,豎井中水位與相應(yīng)的可開(kāi)挖的最大深度,即臨界開(kāi)挖深度。計(jì)算結(jié)果表明,在開(kāi)挖初期(開(kāi)挖深度較小時(shí)),穩(wěn)定安全系數(shù)較高,可適當(dāng)放寬豎井內(nèi)外水位差,而隨著開(kāi)挖深度的不斷加深,尤其臨界開(kāi)挖深度附近,可適當(dāng)補(bǔ)充注水,提高開(kāi)挖穩(wěn)定安全系數(shù)。以南京市兒童醫(yī)院沉井停車(chē)庫(kù)項(xiàng)目為例,內(nèi)外水位差長(zhǎng)期控制在約1 m,注水量較大的同時(shí),如若偶爾發(fā)生VSM開(kāi)挖刷頭卡土問(wèn)題,排水注水工程量也大。未來(lái)進(jìn)一步工程應(yīng)用中可根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行精細(xì)化控制,即開(kāi)挖初期適當(dāng)注水,方便施工,在挖至臨界深度后提高豎井內(nèi)水位,實(shí)現(xiàn)分段精細(xì)化開(kāi)挖。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)南京市兒童醫(yī)院沉井停車(chē)庫(kù)項(xiàng)目的實(shí)際工況,利用COMSOL Multiphysics軟件建立VSM數(shù)值計(jì)算模型。對(duì)比同樣地層VSM豎井與較淺基坑的地表變形情況,VSM在開(kāi)挖深度大的同時(shí)對(duì)周邊環(huán)境擾動(dòng)反而較小,且由于采用水下施工,大厚度粉細(xì)砂開(kāi)挖滲流穩(wěn)定安全系數(shù)高,穩(wěn)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(kāi)挖深度內(nèi),VSM開(kāi)挖過(guò)程中最大地表沉降均能較好控制在毫米數(shù)量級(jí)(12.90 mm),開(kāi)挖較大擾動(dòng)集中在1倍開(kāi)挖深度范圍內(nèi),變形影響范圍控制在2倍開(kāi)挖深度;且深度達(dá)60 m時(shí)仍具有較高開(kāi)挖面穩(wěn)定安全系數(shù)。驗(yàn)證了VSM在較深砂性土豎井施工的可行性、安全性與擾動(dòng)小的優(yōu)勢(shì)。

(3)VSM豎井開(kāi)挖過(guò)程中,安全系數(shù)與水位差和開(kāi)挖深度均為負(fù)相關(guān)。計(jì)算結(jié)果表明在一定的水位差和安全系數(shù)下,豎井開(kāi)挖具有明確的臨界深度。該結(jié)果可用于指導(dǎo)實(shí)際施工,甚至實(shí)現(xiàn)分段施工與精細(xì)化控制。

(4)VSM深井掘進(jìn)技術(shù)在砂性土中具有結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單、施工速度快、對(duì)周邊環(huán)境擾動(dòng)小等優(yōu)勢(shì),可被廣泛用于城市深層地下空間的科學(xué)合理高效開(kāi)發(fā)。