基于VSM沉井施工過程的井壁受力實(shí)測(cè)研究
——以南京沉井式地下智能停車庫工程為例

黃銘亮， 張振光， 徐 杰， 姜 弘， 包鶴立， 柳 獻(xiàn), *

(1. 同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院， 上海 200092； 2. 上海公路橋梁(集團(tuán))有限公司，上海 200433； 3. 上海城市基礎(chǔ)設(shè)施更新工程技術(shù)研究中心， 上海 200032；4. 上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司， 上海 200125)

0 引言

近年來，隨著汽車保有量和停車泊位缺口的持續(xù)增長(zhǎng)，“停車難”已成為困擾城市管理的一個(gè)民生問題。尤其在老舊城區(qū)、建筑密集區(qū)，原有停車場(chǎng)無法滿足當(dāng)前及未來的停車需求，且缺乏足夠的場(chǎng)地建設(shè)傳統(tǒng)停車場(chǎng)，因此，向地下發(fā)展成了創(chuàng)建高效停車空間的新方案。隨著城市發(fā)展，地下停車庫需求增加，亟需探索一種適于城市中心區(qū)建造地下車庫的施工方法。

德國(guó)海瑞克公司提出了一種適用于復(fù)雜擁擠城市環(huán)境中的垂直豎井機(jī)械化沉井工法——VSM工法[1-2]。VSM工法原理是通過全斷面銑挖機(jī)向下破碎巖土，泥漿反循環(huán)排渣，井口安裝續(xù)接的井壁跟隨掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)下沉，直至設(shè)計(jì)深度。該施工技術(shù)已在歐洲、中東、美國(guó)、新加坡等地區(qū)得到應(yīng)用，累計(jì)完成超過80個(gè)豎井工程，最大開挖直徑為11.2 m，最大下沉深度達(dá)115.2 m，最大水下開挖深度達(dá)85 m，總計(jì)開挖深度超過4 630 m，如表1所示。

表1 VSM工法在國(guó)外的工程應(yīng)用

工程實(shí)踐表明，VSM工法具有地層適應(yīng)性廣、施工速度快、施工占用場(chǎng)地小、施工精度高和對(duì)周邊環(huán)境影響小等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可應(yīng)用到建筑密集區(qū)建造豎井車庫等城市地下空間開發(fā)[3-5]，充分利用城市中心區(qū)的邊角料地塊，降低豎井施工對(duì)周邊環(huán)境的影響。

由VSM工法原理可知，此工法屬于全斷面機(jī)械化沉井法鑿井施工范疇[6]。傳統(tǒng)沉井工法破土排渣效率低、井壁下沉阻力大。VSM工法與傳統(tǒng)沉井工法的差異： 一是采用銑削機(jī)械的破土效率高; 二是通過壁后泥漿潤(rùn)滑，井壁下沉阻力小，施工過程中還需要通過鋼絲繩進(jìn)行井壁“吊控”，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)下沉。對(duì)于傳統(tǒng)沉井施工力學(xué)行為的研究主要聚焦于側(cè)壁土壓力、側(cè)壁摩阻力、正面下沉阻力和沉井結(jié)構(gòu)受力等方面。如鄧友生等[7]對(duì)武漢鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋北錨碇大型橋梁圓形沉井下沉施工過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析了側(cè)壁土壓力及結(jié)構(gòu)應(yīng)力隨沉井下沉的變化規(guī)律。穆保崗等[8]根據(jù)馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋南錨碇大型沉井下沉過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了大型沉井基礎(chǔ)下沉機(jī)制和下沉過程中的受力特性。朱勁松等[9]通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)獲得了側(cè)壁摩阻力隨錨碇沉井下沉深度的變化規(guī)律，分析了松弛高度與下沉系數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性。李孟豪[10]以滬通大橋29#主墩沉井為原型，開展了大比例尺室內(nèi)模型試驗(yàn)研究，分析了沉井下沉過程中刃腳承載力空間分布特性。

VSM工法在國(guó)內(nèi)尚無工程實(shí)踐報(bào)道，僅有少量文獻(xiàn)介紹和研究。例如： 劉芳宇等[4]建立了沉井式預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)接縫的4環(huán)殼-接頭模型，得到裝配式豎井在運(yùn)營(yíng)工況下呈現(xiàn)“圓臺(tái)”狀變形的結(jié)論； 卞超等[11]結(jié)合VSM工法特點(diǎn)，分析了裝配式沉井在下沉過程中的荷載分布模式，得到VSM懸吊力和側(cè)壁摩阻力隨沉井下沉的變化規(guī)律。此外，國(guó)外雖已有一些工程實(shí)踐，但僅少數(shù)學(xué)者對(duì)VSM工法的施工效益和機(jī)械設(shè)備改進(jìn)等進(jìn)行了研究。

南京沉井式地下智能停車庫工程為VSM工法在國(guó)內(nèi)的首次應(yīng)用，其VSM沉井直徑是世界上最大的，外徑達(dá)到12.8 m，最大開挖深度達(dá)68 m。沉井井壁結(jié)構(gòu)的施工受力與施工工藝密切相關(guān)。以此工程為背景，開展VSM沉井井壁受力性能現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，包括對(duì)施工過程中所受外部水土荷載、結(jié)構(gòu)主筋應(yīng)力和井壁(管片)環(huán)間壓力等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以掌握豎井施工過程中井壁結(jié)構(gòu)的縱、環(huán)向應(yīng)力響應(yīng)特征。

1 工程概況

南京市建鄴區(qū)沉井式地下智能停車庫(一期)工程位于建鄴區(qū)中部，南京兒童醫(yī)院北側(cè)，東鄰宜悅街，道路以東為部隊(duì)大院，南鄰保東路，西側(cè)為環(huán)境保護(hù)部華東督察局及和熙臻苑，北側(cè)為雙閘派出所，其基地平面見圖1。

本工程采用VSM工法建設(shè)2座全地下沉井式智能停車庫，最大開挖深度約68 m，合計(jì)車位200個(gè)。豎井結(jié)構(gòu)采用預(yù)制裝配式鋼筋混凝土管片進(jìn)行拼裝。

圖1 基地平面圖

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概況

沉井結(jié)構(gòu)斷面為圓環(huán)狀，外徑12.8 m，壁厚0.4 m，環(huán)寬1.5 m。圓環(huán)分為形式完全相同的6塊，管片設(shè)計(jì)將剪力銷孔和縱向螺栓孔進(jìn)行了統(tǒng)一，如圖2所示。管片為通用管片設(shè)計(jì)，即翻轉(zhuǎn)180°后可互換使用。

圖2 管片圓環(huán)構(gòu)造圖(單位： mm)

管片塊與塊間用2個(gè)M27環(huán)向螺栓緊密相連，將螺栓手孔設(shè)置于外弧面。管片環(huán)與環(huán)間用18個(gè)M27縱向螺栓和18個(gè)剪力銷連接。縱向螺栓可使豎井縱向變形控制在防水要求的范圍內(nèi)；剪力銷在管片拼裝過程中起導(dǎo)向作用，在成井后起抗剪作用。管片采用錯(cuò)縫拼裝，相鄰環(huán)間的旋轉(zhuǎn)角度為20°，如圖3所示。

圖3 豎井錯(cuò)縫拼裝圖

1.2 地層條件

豎井最大開挖深度約68 m，穿越地層按從上到下的順序大致分為5層(見表2)： 1)雜填土層，含雜填土層和素填土層，厚度為2.8～4.2 m； 2)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，厚度為2.9～5.2 m； 3)粉細(xì)砂層，含粉細(xì)砂、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂夾粉質(zhì)黏土層，厚度為41.1～43.1 m； 4)卵礫石層，含中粗砂混卵礫石層和卵礫石層，粒徑為10～100 mm，局部最大粒徑大于100 mm，厚度為7.8～8.5 m； 5)砂質(zhì)泥巖層，含強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖層和中等風(fēng)化砂質(zhì)泥巖層，遇水軟化，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ級(jí)，厚度為13.9～14.8 m，以中等風(fēng)化砂質(zhì)泥巖層作為豎井封底持力層。

表2 地層物理力學(xué)參數(shù)表

1.3 施工概況

2#沉井施工工序如圖4所示，為： 1)場(chǎng)地平整、地層加固； 2)刃腳環(huán)施工區(qū)開挖，刃腳環(huán)施作(現(xiàn)澆)； 3)刃腳環(huán)脫模，環(huán)形圈梁施作(現(xiàn)澆)； 4)沉降單元安裝，鋼絞線連接； 5)撐靴環(huán)拼裝，VSM主機(jī)安裝與調(diào)試； 6)井內(nèi)注水，壁后注膨潤(rùn)土泥漿，水下開挖下沉； 7)管片拼裝，井筒接高； 8)循環(huán)第6)和第7)步驟，直至下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高，進(jìn)行底部擴(kuò)挖； 9)井壁沖刷，井底清淤； 10)水下封底，壁后泥漿置換； 11)井內(nèi)抽水，底板施作； 12)封頂環(huán)施作，將井筒與圈梁連接成整體。

2#沉井施工過程日進(jìn)度統(tǒng)計(jì)如圖5所示。2#沉井自2020年12月23日始發(fā)試掘進(jìn)，于2021年2月6日下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高，累計(jì)下沉深度61.75 m，最大開挖深度67.25 m(含底部擴(kuò)挖深度2.8 m)。2#沉井平均下沉速度約為1.54 m/d，最快下沉速度為4 m/d，在砂性土層中下沉速度較快，在黏性土層、卵礫石層和泥巖層中下沉速度較慢。

圖4 2#沉井施工工序

圖5 2#沉井施工過程日進(jìn)度統(tǒng)計(jì)圖

2 監(jiān)測(cè)方案及內(nèi)容

在預(yù)制管片內(nèi)預(yù)先埋設(shè)傳感器和采集模塊，數(shù)據(jù)經(jīng)由采集模塊傳輸至地面發(fā)射機(jī)箱，由發(fā)射機(jī)箱上傳至云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)云端數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與存儲(chǔ)。對(duì)本工程施工的全過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)頻率為每5 min 1次，為施工提供數(shù)據(jù)支持。結(jié)合VSM工法特性和工程特點(diǎn)，確定監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括側(cè)壁土壓力、側(cè)壁孔隙水壓力、側(cè)壁摩阻力、刃腳斜面壓力和環(huán)向鋼筋應(yīng)力；監(jiān)測(cè)環(huán)包括刃腳環(huán)、撐靴環(huán)(設(shè)置VSM主機(jī))、標(biāo)準(zhǔn)環(huán)(第5、10、22環(huán))。各監(jiān)測(cè)環(huán)測(cè)點(diǎn)沿圓周按60°/個(gè)均勻布置，如圖6所示。傳感器參數(shù)如表3所示。

圖6 監(jiān)測(cè)環(huán)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

表3 傳感器選型表

2.1 側(cè)壁壓力監(jiān)測(cè)

VSM工法采用四周超挖、泥漿套助沉，其側(cè)壁壓力作用規(guī)律和理論計(jì)算方法尚未明確。因此，在管片外弧面安裝土壓力計(jì)，監(jiān)測(cè)井壁在下沉過程中的側(cè)壁壓力作用規(guī)律，為沉井設(shè)計(jì)和施工提供數(shù)據(jù)支持。

2.2 刃腳斜面壓力監(jiān)測(cè)

刃腳斜面壓力可反映沉井下沉過程中刃腳斜面阻力大小及其分布規(guī)律，是確定下沉阻力的關(guān)鍵指標(biāo)。采用振弦式土壓力計(jì)對(duì)斜面壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，土壓力計(jì)表面與刃腳斜面齊平。斜面壓力計(jì)布置如圖7所示。

圖7 斜面壓力計(jì)布置示意圖

2.3 側(cè)壁摩阻力監(jiān)測(cè)

側(cè)壁摩阻力是沉井施工的重要參數(shù)，施工中采用同濟(jì)大學(xué)自主研發(fā)的表面摩擦力計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。表面摩擦力計(jì)預(yù)埋在管片外弧面，其表面與管片外弧面齊平，可測(cè)量井壁所受豎向摩阻力值，如圖8所示。

圖8 表面摩擦力計(jì)

2.4 鋼筋應(yīng)力監(jiān)測(cè)

鋼筋應(yīng)力能直接反映下沉過程中外荷載作用下的沉井結(jié)構(gòu)響應(yīng)，通過在管片內(nèi)預(yù)埋鋼筋應(yīng)力計(jì)對(duì)井壁結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。鋼筋應(yīng)力計(jì)安裝見圖9。

圖9 鋼筋應(yīng)力計(jì)安裝圖

2.5 環(huán)間壓力監(jiān)測(cè)

環(huán)縫防水設(shè)計(jì)是裝配式豎井設(shè)計(jì)中的重要一環(huán)，通過在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)管片環(huán)面中央布設(shè)壓力計(jì)，以反映井筒豎向應(yīng)力，為豎井環(huán)縫防水設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。環(huán)間壓力計(jì)布置如圖10所示。

圖10 環(huán)間壓力計(jì)布置示意圖

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果

根據(jù)VSM工法特性和工藝流程，施工過程可分為下沉工況和抽水工況。從下沉工況和抽水工況2個(gè)方面對(duì)VSM沉井施工過程受力特性展開分析，并以第10環(huán)為例，分析下沉工況下的監(jiān)測(cè)結(jié)果。

3.1 銑挖下沉井壁階段

3.1.1 側(cè)壁壓力

第10環(huán)管片于2021年1月14日下沉至圈梁頂面(地表)以下，其側(cè)壁壓力時(shí)程曲線如圖11所示。第10環(huán)管片各測(cè)點(diǎn)側(cè)壁壓力發(fā)展趨勢(shì)基本一致，側(cè)壁壓力與下沉深度基本呈線性關(guān)系。下沉初期(1月14日—1月16日)，沉井姿態(tài)良好，井壁四周與外界土體間隙保持均勻，各測(cè)點(diǎn)壓力值基本一致，第10環(huán)管片側(cè)壁壓力呈現(xiàn)均勻分布； 1月17日，沉井姿態(tài)因側(cè)向超挖量改變而發(fā)生變化，井壁四周與外界土體間隙出現(xiàn)差異，側(cè)壁壓力呈現(xiàn)不均勻分布； 1月19日后，隨著沉井姿態(tài)反復(fù)調(diào)整，各測(cè)點(diǎn)間壓力差波動(dòng)變化，壓力差值基本保持在40 kPa以內(nèi)。此外，第10環(huán)管片側(cè)壁壓力時(shí)程曲線在1月24日—1月28日出現(xiàn)2次下降段，與現(xiàn)場(chǎng)VSM主機(jī)吊起導(dǎo)致井內(nèi)外液位降低時(shí)間點(diǎn)一致。

圖11 第10環(huán)側(cè)壁壓力時(shí)程曲線

綜上可知，銑挖下沉階段VSM沉井側(cè)壁壓力與沉井姿態(tài)、井內(nèi)外液位密切相關(guān)。

3.1.2 刃腳斜面壓力

施工過程中，控制豎向掘進(jìn)超挖量與單次下沉量相等，故刃腳斜面與下方土體無接觸。刃腳環(huán)斜面壓力時(shí)程曲線如圖12所示。

圖12 刃腳環(huán)斜面壓力時(shí)程曲線

刃腳環(huán)各測(cè)點(diǎn)斜面壓力數(shù)據(jù)趨勢(shì)一致，斜面壓力與下沉深度基本呈線性變化。各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)基本一致，下沉過程中未出現(xiàn)突增現(xiàn)象，說明刃腳下方實(shí)現(xiàn)有效超挖，刃腳斜面未與土體直接接觸。斜面壓力時(shí)程曲線存在若干下降段、平滑段和突增段，對(duì)應(yīng)井內(nèi)液位下降、穩(wěn)定和上升，說明井內(nèi)液位變化直接影響刃腳斜面壓力。

3.1.3 側(cè)壁摩阻力

VSM沉井下沉?xí)r通過沉降單元將井筒略微上提，導(dǎo)致施工過程中側(cè)壁摩阻力方向產(chǎn)生變化，其時(shí)程曲線如圖13所示，正值表示摩阻力方向向上，反之向下。

圖13 第10環(huán)側(cè)壁摩阻力時(shí)程曲線

VSM工法采用側(cè)向超挖和膨潤(rùn)土泥漿套助沉，其中膨潤(rùn)土泥漿起到護(hù)壁和潤(rùn)滑作用。下沉工況下沉井四周為膨潤(rùn)土泥漿，由于膨潤(rùn)土泥漿的護(hù)壁作用，側(cè)壁摩阻力極小。實(shí)測(cè)結(jié)果表明： 在沉井下沉過程中，側(cè)壁摩阻力基本保持在3 kPa以內(nèi)；當(dāng)沉井姿態(tài)發(fā)生變化，井筒局部與外界土體直接接觸，但由于膨潤(rùn)土泥漿的潤(rùn)滑作用，側(cè)壁摩阻力增量較小，仍保持在5 kPa以內(nèi)。

3.1.4 鋼筋應(yīng)力

銑挖下沉階段，第10環(huán)管片內(nèi)外弧面鋼筋應(yīng)力時(shí)程曲線如圖14所示，正值為拉應(yīng)力，負(fù)值為壓應(yīng)力。

在第10環(huán)管片下沉初期，內(nèi)外弧面鋼筋應(yīng)力均朝拉應(yīng)力方向發(fā)展，鋼筋呈現(xiàn)受拉狀態(tài)。1月16日后，部分測(cè)點(diǎn)鋼筋應(yīng)力時(shí)程曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，朝壓應(yīng)力方向發(fā)展。以B3測(cè)點(diǎn)為例，該處內(nèi)外弧面鋼筋應(yīng)力發(fā)展趨勢(shì)呈現(xiàn)明顯的對(duì)稱性，內(nèi)弧面鋼筋應(yīng)力朝壓應(yīng)力方向發(fā)展，外弧面反之。整體而言，第10環(huán)管片下沉過程中鋼筋應(yīng)力值較小，其中內(nèi)弧面鋼筋應(yīng)力在-10～15 MPa，外弧面鋼筋應(yīng)力在-10～25 MPa。

綜上可知，銑挖下沉階段，由于井內(nèi)水壓力與井壁壓力相互抵消，VSM沉井結(jié)構(gòu)內(nèi)力較小，鋼筋應(yīng)力水平低；下沉初期，鋼筋應(yīng)力整體呈現(xiàn)拉應(yīng)力狀態(tài)，即VSM沉井在內(nèi)水壓力作用下有向外擴(kuò)張趨勢(shì)；部分管片內(nèi)外弧面鋼筋應(yīng)力呈現(xiàn)對(duì)稱性發(fā)展趨勢(shì)，說明沉井結(jié)構(gòu)部分截面在下沉過程中受彎。

(a) 第10環(huán)內(nèi)弧面鋼筋應(yīng)力

(b) 第10環(huán)外弧面鋼筋應(yīng)力

(c) 測(cè)點(diǎn)A1、B3鋼筋應(yīng)力

3.1.5 環(huán)間壓力

下沉階段，第10環(huán)環(huán)間壓力時(shí)程曲線如圖15所示。

圖15 第10環(huán)環(huán)間壓力時(shí)程曲線

下沉初期，由于止水墊設(shè)置和拼裝誤差等因素導(dǎo)致環(huán)間未完全壓緊，各測(cè)點(diǎn)環(huán)間壓力呈現(xiàn)一定的差值。而隨著沉井下沉，環(huán)間壓力逐漸增大，各測(cè)點(diǎn)間壓力值趨于一致。實(shí)測(cè)環(huán)間壓力值在井內(nèi)外液位下降時(shí)也出現(xiàn)下降，產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因?yàn)椋?外弧面嵌縫防水失效，止水墊的存在導(dǎo)致環(huán)間并非完全平面接觸，實(shí)測(cè)環(huán)間壓力為接觸應(yīng)力與外水壓力的合力。

3.2 排漿固壁成井階段

2#沉井于2021年2月19日—2月25日進(jìn)行刃腳內(nèi)壁沖刷、井底泥漿循環(huán)清淤等封底準(zhǔn)備工作，2月26日進(jìn)行水下封底，3月2日—3月5日進(jìn)行壁后泥漿置換，3月7日—3月21日按照“少量多次”原則進(jìn)行井內(nèi)抽水。施工過程中傳感器丟失較多，第10環(huán)僅剩A2管片上測(cè)點(diǎn)存活，故以該測(cè)點(diǎn)為例，對(duì)抽水工況下沉井結(jié)構(gòu)外荷載及內(nèi)力變化情況進(jìn)行分析。排漿固壁成井階段，第10環(huán)側(cè)壁壓力和鋼筋應(yīng)力時(shí)程曲線以及環(huán)間壓力時(shí)程曲線分別如圖16和圖17所示。

圖16 排漿固壁成井階段第10環(huán)側(cè)壁壓力和鋼筋應(yīng)力時(shí)程曲線

圖17 排漿固壁成井階段第10環(huán)環(huán)間壓力時(shí)程曲線

在泥漿置換過程中，測(cè)點(diǎn)A2環(huán)向鋼筋應(yīng)力與側(cè)壁壓力呈現(xiàn)明顯的對(duì)稱性發(fā)展，具體表現(xiàn)為： 側(cè)壁壓力值隨壁后注漿波動(dòng)增大，鋼筋應(yīng)力朝壓應(yīng)力方向發(fā)展；側(cè)壁壓力隨壁后水泥漿凝結(jié)逐漸降低，鋼筋應(yīng)力朝拉應(yīng)力方向迅速發(fā)展。抽水工況下，測(cè)點(diǎn)A2環(huán)向鋼筋應(yīng)力與側(cè)壁壓力同向發(fā)展，具體表現(xiàn)為： 內(nèi)水壓下降時(shí)，管片向內(nèi)收縮變形，管片與水泥層接觸應(yīng)力下降，側(cè)壁壓力值隨之下降，鋼筋應(yīng)力朝壓應(yīng)力方向發(fā)展；停止抽水時(shí)，鋼筋應(yīng)力保持穩(wěn)定，最終呈現(xiàn)壓應(yīng)力狀態(tài)。由此可知，井內(nèi)抽水工況下，內(nèi)水壓力下降，管片在外荷載作用下向內(nèi)收縮變形，即管片環(huán)向壓緊。

泥漿置換過程中，環(huán)間壓力隨壁后注漿波動(dòng)增大，注漿停止后環(huán)間壓力保持穩(wěn)定。環(huán)間壓力隨井內(nèi)多次抽水逐次增大；停止抽水后，環(huán)間壓力隨水壓力消散略有下降，但仍比抽水前壓力值高。由此可知，VSM沉井在抽水工況下呈現(xiàn)縱向壓緊的響應(yīng)特征。

綜上可知，排漿固壁成井階段，沉井井壁結(jié)構(gòu)的環(huán)向、豎向均呈現(xiàn)壓緊響應(yīng)特征。

4 理論分析

4.1 側(cè)壁壓力空間分布規(guī)律

VSM沉井采用四周超挖下沉施工，超挖間隙由膨潤(rùn)土泥漿填充，即沉井下沉過程中浸泡在泥漿液中，管片不與外界土體直接接觸。因此，沉井側(cè)壁壓力理論值即為膨潤(rùn)土泥漿壓力。膨潤(rùn)土泥漿液位在施工過程中存在波動(dòng)，根據(jù)施工記錄，取其波動(dòng)0～5 m作為理論計(jì)算的上下限，則側(cè)壁壓力理論值

(1)

式中：γp為膨潤(rùn)土泥漿重度，取10.5 kN/m3；h為到圈梁頂面距離。

取各監(jiān)測(cè)環(huán)多個(gè)測(cè)點(diǎn)側(cè)壁壓力平均值與理論值進(jìn)行對(duì)比。側(cè)壁壓力空間分布曲線如圖18所示。

圖18 側(cè)壁壓力空間分布曲線

各監(jiān)測(cè)環(huán)側(cè)壁壓力曲線發(fā)展趨勢(shì)一致，均隨沉井下沉基本呈線性增大，平均值增速在9.95～10.67 kPa/m。各監(jiān)測(cè)環(huán)下沉至同一高度時(shí)，受注漿壓力影響，導(dǎo)致刃腳環(huán)側(cè)壁壓力值最大，第1環(huán)次之，第5環(huán)和第10環(huán)側(cè)壁壓力值相近。因此，在誤差允許范圍內(nèi)，可認(rèn)為同一高度下各監(jiān)測(cè)環(huán)實(shí)測(cè)壓力值相同。此外，VSM沉井下沉過程中實(shí)測(cè)側(cè)壁壓力值基本位于理論值上限和下限之間，且其曲線基本與理論值曲線相互平行。綜上可知，下沉過程中沉井側(cè)壁壓力即為膨潤(rùn)土泥漿壓力。

4.2 斜面壓力空間分布規(guī)律

由3.1.2節(jié)可知，本次VSM沉井下沉過程中刃腳斜面未接觸下方土體，斜面壓力即為井內(nèi)漿液壓力。井內(nèi)泥漿液位在施工過程中存在波動(dòng)，根據(jù)施工記錄，取其波動(dòng)范圍0～2.5 m作為理論計(jì)算的上下限，則斜面壓力理論值(即井內(nèi)泥漿壓力)

(2)

式中：γw為井內(nèi)泥漿重度，取10 kN/m3；h為到圈梁頂面距離。

取刃腳環(huán)斜面壓力實(shí)測(cè)值與理論值進(jìn)行對(duì)比。斜面壓力空間分布曲線如圖19所示。

圖19 斜面壓力空間分布曲線

實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，斜面壓力值隨沉井下沉基本呈線性增大，增速為8.92～10.91 kPa/m。在沉井下沉過程中，實(shí)測(cè)值與理論值空間曲線基本保持平行，實(shí)測(cè)值整體位于理論值上下限之間，實(shí)測(cè)值與理論值下限較為接近。VSM沉井刃腳斜面壓力與井內(nèi)漿液壓力接近，說明在超挖條件下刃腳下沉阻力為井內(nèi)漿液浮力。

4.3 側(cè)壁摩阻力空間分布規(guī)律

第10環(huán)管片下沉工況下側(cè)壁摩阻力(豎向)空間分布曲線如圖20所示。

圖20 側(cè)壁摩阻力空間分布曲線

實(shí)測(cè)結(jié)果表明，在膨潤(rùn)土泥漿護(hù)壁作用下，沉井在下沉過程中不與外界土體直接接觸，側(cè)壁摩阻力值較小，基本在3 kPa內(nèi)；在-10 m，沉井姿態(tài)發(fā)生變化，側(cè)壁摩阻力在局部區(qū)段有所增大，是井壁與土體直接接觸導(dǎo)致，但摩阻力值仍較小，基本小于5 kPa。

根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研，膨潤(rùn)土泥漿剪切強(qiáng)度τ一般小于1 kPa，且除極高壓強(qiáng)條件外該剪切強(qiáng)度不會(huì)有較大影響。結(jié)合本工程實(shí)際情況(VSM沉井四周均為膨潤(rùn)土泥漿)和實(shí)測(cè)側(cè)壁摩阻力數(shù)據(jù)可知，下沉工況下側(cè)壁摩阻力值與膨潤(rùn)土泥漿的剪切強(qiáng)度τ接近。

4.4 管片內(nèi)結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)分析

根據(jù)4.2節(jié)可知，斜面壓力實(shí)測(cè)值為井內(nèi)靜水壓力，從而可反算得到第10環(huán)管片所受內(nèi)水壓力。標(biāo)準(zhǔn)環(huán)受荷作用如圖21所示。

圖21 標(biāo)準(zhǔn)環(huán)受荷作用示意圖

以第10環(huán)為例，將監(jiān)測(cè)得到的時(shí)程曲線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為空間曲線，對(duì)豎井下沉過程中所受側(cè)壁土壓力及內(nèi)、外弧面鋼筋應(yīng)力進(jìn)行對(duì)照分析，如圖22所示。

(a) 側(cè)壁壓力

(b) 內(nèi)弧面鋼筋應(yīng)力

(c) 外弧面鋼筋應(yīng)力

監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示： 在0～-13 m，內(nèi)水壓力大于井壁壓力，在內(nèi)水壓力作用下，管片具有向外擴(kuò)張的趨勢(shì)，環(huán)向鋼筋受拉；在-13～-35 m，內(nèi)水壓力與井壁壓力差保持穩(wěn)定，管片環(huán)向鋼筋保持受拉狀態(tài)；在-35 m，沉井姿態(tài)有所調(diào)整，各測(cè)點(diǎn)間壓力差出現(xiàn)變化，結(jié)構(gòu)受彎矩作用，環(huán)向鋼筋應(yīng)力發(fā)展趨勢(shì)發(fā)生變化，部分管片內(nèi)、外弧面鋼筋應(yīng)力反向發(fā)展。整體而言，由于內(nèi)水壓力與井壁壓力相互抵消，第10環(huán)在下沉過程中結(jié)構(gòu)內(nèi)力較小，環(huán)向鋼筋應(yīng)力水平較低，其中內(nèi)弧面鋼筋應(yīng)力值基本在-10～15 MPa，外弧面鋼筋應(yīng)力值在-10～25 MPa。

綜上分析，第10環(huán)管片在下沉過程中，在內(nèi)水壓力作用下，管片具有向外擴(kuò)張的趨勢(shì)；下沉過程中，內(nèi)水壓力與井壁壓力相互抵消，且兩者壓力差保持穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)內(nèi)力平穩(wěn)保持在低水平狀態(tài)；當(dāng)側(cè)壁壓力分布隨沉井姿態(tài)變化而變化時(shí)，管片受到彎矩作用。

4.5 管片環(huán)間壓力分布分析

以圈梁頂面為零點(diǎn)，繪制環(huán)間壓力空間分布曲線，如圖23所示。

圖23 環(huán)間壓力空間分布曲線

實(shí)測(cè)結(jié)果表明，第10環(huán)各測(cè)點(diǎn)環(huán)間壓力發(fā)展趨勢(shì)一致，環(huán)間壓力隨沉井下沉逐漸增大。下沉初期，環(huán)間未壓緊； 而隨環(huán)間壓力增大，各測(cè)點(diǎn)在不同下沉深度依次壓緊，環(huán)間壓力值趨于一致，環(huán)間壓力分布均勻。

4.6 懸吊力理論分析

井筒在整個(gè)施工過程中由沉降單元提住，通過調(diào)節(jié)沉降單元懸吊力實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)放沉。下沉工況沉井豎向受力示意如圖24所示。其荷載間關(guān)系為：

T=G+GVSM-F浮-f。

(3)

式中：T為懸吊力；G為井筒自重；GVSM為主機(jī)自重，為已知量；F浮為漿液浮力，按阿基米德公式計(jì)算得到，取漿液液位保持在圈梁頂面以下2 m；f為側(cè)壁摩阻力，按1 kPa均勻分布進(jìn)行計(jì)算。

因此，可由式(3)計(jì)算得到懸吊力T的理論值。井筒在下沉前需對(duì)井筒進(jìn)行“上提”操作，從而下沉工況下側(cè)壁摩阻力正負(fù)交替(定義側(cè)壁摩阻力向上為正，向下為負(fù))。因此，摩阻力向上時(shí)計(jì)算得到理論懸吊力下限，反之則得到理論懸吊力上限。

圖24 下沉工況沉井豎向受力示意圖

懸吊力空間分布曲線如圖25所示。懸吊力實(shí)測(cè)值基本位于理論值上下限之間，兩者發(fā)展趨勢(shì)基本一致，且懸吊力實(shí)測(cè)值與理論懸吊力上限值相近，-20 m以后誤差在10%以內(nèi)。因此，在誤差允許范圍內(nèi)，可通過該方法估算下沉階段沉降單元懸吊力。

圖25 懸吊力空間分布曲線

單次下沉初始，由于“上提”操作，側(cè)壁摩阻力方向向下，此時(shí)下沉阻力為漿液浮力與懸吊力之和。其中懸吊力占比隨沉井下沉逐漸降低，從87.5%降至65.8%。下沉力為井筒自重與側(cè)壁摩阻力之和，側(cè)壁摩阻力占比隨下沉深度增加而上升，從3.2%增至8.8%。下沉過程中，側(cè)壁摩阻力方向向上，此時(shí)下沉阻力為漿液浮力、懸吊力與側(cè)壁摩阻力之和，側(cè)壁摩阻力占比隨下沉深度增加而上升，從3.3%增至9.6%，懸吊力占比從83.8%降至52.9%。由上述分析可知，VSM沉井側(cè)壁摩阻力在施工中方向反復(fù)變化，影響下沉阻力值。

5 結(jié)論與討論

本文以南京市建鄴區(qū)沉井式地下智能停車庫(一期)工程為背景，對(duì)VSM沉井施工全過程的井壁受力和結(jié)構(gòu)響應(yīng)規(guī)律展開實(shí)測(cè)研究，得到以下結(jié)論：

1)銑挖下沉井壁階段，VSM沉井井壁浸泡在膨潤(rùn)土泥漿中，側(cè)壁壓力為膨潤(rùn)土泥漿壓力，與下沉深度呈線性相關(guān)； 此外，側(cè)壁壓力分布模式與沉井姿態(tài)密切相關(guān)，若沉井姿態(tài)良好，則井壁與四周土體間隙均勻，側(cè)壁壓力均勻分布。

2)銑挖下沉井壁階段，VSM沉井刃腳斜面壓力與井內(nèi)漿液壓力接近，刃腳下沉阻力為井內(nèi)漿液浮力。

3)VSM沉井在膨潤(rùn)土泥漿的護(hù)壁作用和潤(rùn)滑作用下，側(cè)壁摩阻力與膨潤(rùn)土泥漿的剪切強(qiáng)度值接近，單位摩阻力值基本小于3 kPa。

4)下沉過程中，井內(nèi)泥水壓力和井壁壓力相互抵消，井壁結(jié)構(gòu)應(yīng)力值較小，環(huán)向鋼筋應(yīng)力水平較低，在-10～20 MPa內(nèi)；在內(nèi)水壓力作用下，第10環(huán)的環(huán)向鋼筋呈現(xiàn)受拉狀態(tài)，管片呈向外擴(kuò)張趨勢(shì)特征； 特征抽水工況下，沉井井壁結(jié)構(gòu)的環(huán)向、豎向均呈現(xiàn)壓緊響應(yīng)特征。

5)下沉初始，側(cè)壁摩阻力方向向上，下沉阻力實(shí)測(cè)值基本等于懸吊力與漿液浮力之和；下沉過程中，摩阻力向下，摩阻力與下沉阻力之比隨下沉深度增加而增大，從3.3%增至9.6%。

本文以現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，簡(jiǎn)析了VSM沉井結(jié)構(gòu)在施工過程中的力學(xué)行為特征。后續(xù)將從理論分析和數(shù)值模擬方面入手，對(duì)VSM沉井結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)階段受力特征、特殊環(huán)管片施工力學(xué)行為展開深化研究。