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2025 , Vol. 42 >Issue 10: 120 - 128

DOI: https://doi.org/10.11988/ckyyb.20240968

岩土工程

复杂条件下双筒深竖井施工结构应力变形分析

  • 易顺 , 1 ,
  • 李红心 2 ,
  • 潘家军 1 ,
  • 王艳丽 1 ,
  • 程华强 3 ,
  • 徐晗 1 ,
  • 陈云 1
展开
  • 1 长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室,武汉 430010
  • 2 国能青海黄河玛尔挡水电开发有限公司,青海 青海果洛藏族自治州 814000
  • 3 武汉市市政建设集团有限公司,武汉 430023

易 顺(1993-),男,湖北黄冈人,工程师,博士,主要从事水工岩土工程数值计算与分析的研究工作。E-mail:

收稿日期: 2024-09-11

  修回日期: 2024-12-24

  网络出版日期: 2025-10-05

基金资助

中央级科研院所基本科研业务费项目(CKSF20241005/YT)

中央级科研院所基本科研业务费项目(CKSF2023318/YT)

中央级科研院所基本科研业务费项目(CKSF20241024/YT)

国家自然科学基金重点项目(U21A20158)

收起

Stress Deformation of Construction Structures in Double-Tube Deep Shafts under Complex Conditions

  • YI Shun , 1 ,
  • LI Hong-xin 2 ,
  • PAN Jia-jun 1 ,
  • WANG Yan-li 1 ,
  • CHENG Hua-qiang 3 ,
  • XU Han 1 ,
  • CHEN Yun 1
Expand
  • 1 Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources, Changjiang River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China
  • 2 Guoneng Qinghai Yellow River Maerdang Hydropower Development Co., Ltd., Guoluo Tibetan Autonomous Prefecture 814000,China
  • 3 Wuhan Municipal Construction Group Co., Ltd., Wuhan 430023, China

Received date: 2024-09-11

  Revised date: 2024-12-24

  Online published: 2025-10-05

Fold

摘要

深竖井作为水工岩土工程中一种常见的地下工程型式,其应力变形及安全性问题受到广泛关注。依托某引调水工程,对临近水库的双筒深竖井应力变形规律展开研究分析。首先借助多种软件平台,开展交互式建模,构建能反映实际复杂条件下的双筒深竖井三维数值模型,继而分别研究了不同施工因素对双筒竖井结构应力变形的影响规律,并对不同影响因素展开参数敏感性分析。研究结果表明:地连墙分幅是双筒竖井施工过程中的最敏感因素,地连墙嵌固深度次之,施工顺序和分节开挖高度对施工的影响较小。在竖井施工过程中,尤其要注意地连墙分幅的影响。研究成果可为类似水工岩土工程的应力变形研究提供有益的参考。

关键词： 双筒深竖井; 交互式建模; 施工因素; 应力变形; 敏感性分析

本文引用格式

易顺 , 李红心 , 潘家军 , 王艳丽 , 程华强 , 徐晗 , 陈云 . 复杂条件下双筒深竖井施工结构应力变形分析[J]. 长江科学院院报, 2025 , 42(10) : 120 -128 . DOI: 10.11988/ckyyb.20240968

Abstract

[Objective] As a common form of underground structure in hydraulic geotechnical engineering, deep shafts have attracted widespread attention regarding their stress deformation and safety issues. This study takes a double-tube deep shaft near a reservoir in a water diversion project as the research subject, aiming to investigate its stress deformation characteristics and key influencing factors. [Methods] An integrated numerical modeling approach was employed, using multi-software platform interactive modeling to establish a 3D numerical model that accounted for complex geological conditions and reservoir proximity effects. Then, the influence patterns of key parameters, such as diaphragm wall segmentation, embedment depth, construction sequence, and segmented excavation height, were systematically analyzed. [Results] Diaphragm wall segmentation was identified as the most sensitive factor affecting the stress deformation of structures, with its segmentation scheme directly determining the distribution patterns of wall stress deformation. Embedment depth of the diaphragm wall ranked second in significance, while the construction sequence and segmented excavation height exhibited relatively minor effects on construction. [Conclusions] This study innovatively reveals the stress deformation mechanisms of double-tube shafts, providing crucial theoretical foundations and practical guidance for the safe construction of similar underground hydraulic engineering projects.

Key words： double-tube deep shaft; interactive modeling; construction factors; stress deformation; sensitivity analysis

0 引言

随着国家地下空间的利用和发展,竖井作为一种典型的地下工程型式进入建设的快通道,并广泛应用在交通、水利、矿山等诸多领域[1-3]。随着竖井工程建设数量及开挖深度的逐步增加,工程建设所面临的地质条件和周边环境也愈发复杂,致使大量竖井工程不可避免地修建在复杂地质环境和周边敏感环境中,极易诱发工程事故或给周边环境带来不利影响等,甚至会造成一定的人员伤亡和较大的经济损失,给工程安全带来了巨大挑战。竖井工程作为一项复杂的系统工程,影响因素众多,其应力变形规律具有明显的空间效应,这些均会给系统的结构安全性带来潜在的影响。因此,开展复杂地质与敏感环境下的竖井施工应力变形及其结构安全性研究具有十分重要的现实意义和实用价值。
针对深竖井等地下工程施工应力变形及安全性方面的研究,国内外学者做了大量有益的工作。史蓝天等[4]考虑到竖井地基固结过程中排水体井阻随时间和深度不断变化,基于等应变假定,引入竖井涂抹区渗透系数不同的变化模式,建立真空联合堆载预压下地基固结模型,并获得固结模型对应的解析解;曹程明等[5]考虑到土拱效应对深竖井受力的影响,对深竖井倒挂壁支护结构的内力进行计算分析,得到其受力沿深度的分布规律;易顺等[6]针对深开挖引起变形响应方面的问题,采用随机场理论和数值计算相结合的方法,研究土体刚度参数空间变异性对开挖地表沉降和围护墙侧移变形规律的影响,并探讨了变形超出监测控制值的可能性;秦政等[7]依托以礼河IV级电站出线竖井工程,从竖井掘进机选型、施工工艺步骤等方面探讨了竖井掘进机与局部爆破开挖组合施工的可行性,通过数值模拟和现场实践研究了该组合施工方法在破碎地层中的适用性;张卜等[8]利用ABAQUS软件建立了岩土交界面场地与竖井结构的三维土-结构相互作用模型,采用等效线性化的动力时程分析方法,对水平地震动作用下的竖井内力分布及直径变形率进行了研究;杨鹏等[9]利用分段线性方法,建立真空-堆载联合预压下竖井地基大变形非线性固结沉降模型;朱正国等[10]利用朗肯土压力理论荷载结构模式和连续介质空间模型对地铁深竖井围护结构安全性展开分析,探讨目前地铁设计中常用的朗肯土压力理论对深竖井围护结构设计计算的适用性;孙昌利等[11]提出了针对深竖井外倾结构面下破碎岩体吊脚基坑可能存在的3种破坏模式,并研究了不同破坏模式下影响稳定安全系数的参数;张振光等[12]依托上海竹园白龙港污水连通工程,综合对比理论计算、现场实测和数值模拟结果,对垂直竖井沉降掘进工法(Vertical Shaft Machine, 简称“VSM”)施工引起的地层变形展开研究;闵征辉等[13]针对圆形竖井,采用均匀试验方法设计了不同的分节开挖高度、锚桩倾角等施工要素,再利用有限元模拟方法对不同试验方案的计算结果进行了对比分析;周禹良等[14]利用裂隙型类岩竖井注浆帷幕试样进行三轴开挖卸荷模拟试验,测试了开挖卸荷过程中试样的应变响应,并采用CT扫描对开挖卸荷后试样的破裂模式和破坏范围进行分析。可以发现,在竖井深基坑研究方面已经开展了许多有益的研究工作,并取得了一些成果。但针对复杂地质与敏感环境条件下的竖井结构应力变形研究仍不够深入,尤其是对竖井施工应力变形中的影响因素并未深入地开展系统性研究。
鉴于此,本文依托某引调水工程,对临近水库的深竖井施工结构应力变形规律展开研究分析。首先借助多种软件平台,构建能反映实际复杂地质条件及环境的双筒深竖井三维数值模型,继而研究不同施工因素对竖井应力变形的影响规律。在此基础上,对不同施工因素展开敏感性分析。本研究可为类似工程项目的应力变形研究及结构安全性控制提供有益的参考。

1 复杂条件下的双筒深竖井数值模型

1.1 工程概况

某临近水库的深竖井泵站采用“上方下圆二联筒”布置方案,单个泵房在地面层以下为圆筒形结构,图1为该泵站竖井围护结构横向和纵向地质剖面图。
图1 泵站竖井围护结构横向和纵向地质剖面

Fig.1 Transverse and longitudinal geological profiles of shaft retaining wall of pumping station

竖井开挖深度约为52.68 m,岩土体自上而下分别为:残坡积(Qel+pl)砂石土、石英砂岩、细砂岩、泥质粉砂岩。土石分级为Ⅷ级;泥质粉砂岩—砂质页岩属软岩,岩石强度低,岩体具碎块状结构,岩体厚度大,遇水易软化,土石分级为Ⅵ—Ⅶ级。
该泵站泵房均为圆形结构,采用双层衬砌结构,外层为地下连续墙,内层为现浇钢筋混凝土内衬墙。单个泵房井深52.68 m,内径为28 m。围护结构主要包括有:冠梁、地下连续墙、内衬墙、底板等。其中,冠梁采用现浇钢筋混凝土,对地下连续墙及内衬起到压顶作用,其内径为28.0 m,外径为34.0 m;地连墙为接地式结构,采用现浇钢筋混凝土,墙厚为1.2 m,内径31.0 m,外径33.4 m,墙深57.68 m,深入底板以下5 m。内衬墙采用钢筋混凝土,在开挖过程中作为成环结构,对地下连续墙起到弹性内支撑作用,内衬墙厚1.5 m,高44.68 m,内径28.0 m,外径31.0 m;底板采用现浇钢筋混凝土,厚5.0 m,直径31.0 m。

1.2 数值模型的建立

借助多种软件平台,按照地层范围及设计尺寸,建立数值模型,如图2—图4所示。模型包括有365 912个单元,392 530个节点。模型水平方向为X轴和Y轴方向,竖直方向为Z轴正方向。模型长度为352 m,宽度232 m,超过竖井直径的4.5倍。根据圣维南原理可认为,模型边界对竖井结构的受力和变形无影响;模型表面有一定的起伏,这与工程现场地质地貌情况保持一致。模型底部边界距离竖井底部约为75 m,数值模拟结果显示竖井开挖过程对模型底部无明显影响。模型侧向与底部采用位移边界条件,4个侧向边界上施加法向约束,模型底部边界施加三向固定约束。采用六面体单元网格划分技术,开挖区域附近网格较密,远离开挖区域网格较稀。
图2 双筒竖井数值模型

Fig.2 Numerical model of double-tube shaft

图3 双筒竖井地连墙分幅示意

Fig.3 Schematic diagram of diaphragm wall segmentation for double-tube shaft

图4 双筒竖井内衬墙与冠梁支护体系

Fig.4 Inner lining wall and crown beam support system of double-tube shaft

在数值计算中,土体和地连墙均采用实体单元,内衬墙和底板均采用Liner结构单元,冠梁采用Beam单元。本文开展交互式建模,构建能反映实际地层产状、不规整地形、地连墙分幅施工工艺、水库水位压力等复杂条件的双筒深竖井三维数值模型,具体如下:
(1)利用CAD、Hypermesh等软件建立能反映双筒竖井的不规整地形的三维数值模型,通过接口程序将其导入至FLAC3D计算软件中,可以实现双筒竖井不规整地形的模拟;
(2)利用地层产状中的视倾角、视倾向和真倾角等之间的转换关系,自编Fish语言,实现真实地层产状到数值计算模型中的映射,并在数值模型中考虑各地层之间的空间位置关系。
考虑到混凝土材料与周边岩土体材料的差异性,在地连墙-岩土材料、内衬墙-地连墙、分幅地连墙模拟均设置有接触面单元,其中分幅地连墙的接触面单元可以模拟地连墙接头的弱化效应,与实际工程较为接近。FLAC3D计算软件中接触面参数有法向刚度Kn和切向刚度Ks,本计算中岩土-地连墙接触面参数为Kn=Ks=1.98 GPa/m,分幅地连墙之间的接触面参数为Kn=Ks=185.8 GPa/m。
通过自编Fish语言,计算水库区域各网格节点处的水压力值,并施加到对应的网格节点上,实现水库区域水压力的模拟。可以看出,本文所建立的数值模型基本上与实际工况保持一致,为复杂条件下的岩土水工工程建模提供了一条有效的途径。
根据地勘资料,确定岩土层的基本计算参数,其中强度准则参数按照工程地质报告所给参数选取,衬砌混凝土结构视为线弹性材料,并采用弹性模型。本文计算所使用的岩土体参数和结构体参数分别列于表1和表2中。
表1 岩土体计算参数值

Table 1 Calculated parameter values of rock and soil

介质 重度γ/
(kN·m-3)		 泊松
比υ		 有效内摩
擦角φ'/
(°)		 有效黏
聚力
c'/kPa		 弹性模
量E/
MPa
残坡积砂石土 18.5 0.36 19.0 20 13.6
泥质粉砂岩 23.5 0.36 23.0 200 100.0
细砂岩 23.5 0.35 29.0 300 1 200.0
石英砂岩 23.5 0.36 23.0 200 100.0
细砂岩夹泥质粉砂岩 23.5 0.36 23.0 200 100.0
细砂岩夹石英砂岩 27.0 0.31 34.0 600 4 000.0
表2 结构体计算参数值

Table 2 Calculated parameter values of structures

介质 重度γ/(kN·m-3) 泊松比υ 弹性模量E/GPa
地下连续墙C30 25.0 0.167 30.0
内衬墙C35 25.0 0.167 31.5
冠梁C35 25.0 0.167 31.5
底板C35 25.0 0.167 31.5

1.3 数值计算工况

根据现场中的施工经验及工程实践,认为竖井分节开挖高度、地连墙嵌固深度、双筒施工顺序、地连墙分幅等是可能影响双筒竖井施工应力变形及结构安全性的敏感性因素。鉴于此,本文重点对这些可能影响因素展开分析,并开展如表3所示工况案例的计算分析。
表3 双筒竖井应力变形计算方案

Table 3 Calculation schemes of stress deformation of double-tube shaft

工况编号 分节高度/m 嵌固深度/m 施工顺序 研究重点
Case1 3.0 5 Ⅰ、Ⅱ筒同步 基础计算方案
Case2 4.5 5 Ⅰ、Ⅱ筒同步 分节开挖高度
Case3 3.0 3 Ⅰ、Ⅱ筒同步 嵌固深度
Case4 3.0 5 Ⅰ先Ⅱ后 双筒先后顺序
Case5 3.0 5 Ⅱ先Ⅰ后 双筒先后顺序
Case6 3.0 5 Ⅰ、Ⅱ筒同步 地连墙不分幅

2 数值计算结果分析

通过数值模拟手段,研究竖井施工对地下连续墙、内衬墙、冠梁等结构应力变形的影响规律。为了研究支护结构最不利情况,以下主要针对应力变形的最大值(取绝对值大小)来开展研究。

2.1 地下连续墙受力变形分析

在数值计算中,地下连续墙采用混凝土实体单元模拟。根据材料力学的算法,将应力转换为对应的弯矩与轴力[15-16]。在此基础上,对不同影响因素条件下的双筒竖井地连墙内力变形开展研究分析。
为了更加清楚地呈现地连墙水平变形规律,本文重点对地连墙环向位移(已去掉竖向位移分量)展开分析。鉴于地质条件和双筒竖井结构型式的复杂性,本文对双筒竖井地连墙变形进行统一化处理,通过编写程序,提取不同工况下的双筒竖井地连墙环向变形最大值,探讨不同因素在施工过程中对变形最大值的影响规律。
图5是地连墙最大环向位移随施工开挖深度的变化曲线。由图5(a)可以发现,随着施工的推进,双筒竖井最大环向位移逐步增大;当开挖深度较小(如<24 m)时,地连墙嵌固深度、分节开挖高度、地连墙分幅对最大环向位移的影响很小;当开挖深度较大(如>24 m)时,各因素的影响增大,尤其是对地连墙分幅的影响最大。底板施工阶段,相对于不考虑地连墙分幅(Case6)时的情况,考虑地连墙分幅(基础工况,Case1)的最大环向位移增加了9.2%,这说明分幅施工会进一步加大地连墙的应力变形,给工程施工带来不利因素。
图5 地连墙最大环向位移随施工开挖深度的变化

Fig.5 Variation of maximum circumferential displacement of diaphragm wall with excavation depth

由图5(b)可以发现,Ⅰ筒和Ⅱ筒竖井的最大环向位移仍有些许差异,说明周围地层地质的不均匀分布对双筒竖井的应力变形规律产生了一定的影响,究其原因,Ⅰ筒竖井整体上的地层条件更“软”,Ⅱ筒竖井地层条件相对“硬”,使得Case4工况中的地连墙最大环向位移更大;在先行竖井开挖过程中,地连墙最大环向位移迅速增大,后行竖井开挖对地连墙最大环向位移的影响不大,说明环向位移最大值的分布主要在先行竖井中,后行竖井对此的影响可以忽略不计;此外可以注意到Case1和Case4、Case5在施工过程中的地连墙最大环向位移差距较大,这主要是因为Case1双筒竖井同时施工,实际施工深度仅为Case4和Case5的施工深度的一半;但在最终施工结束后的最大环向位移非常接近,说明双筒竖井施工先后顺序对最终环向位移最大值几乎没有影响。总体而言,地连墙最大环向位移≤8 mm,满足《水电水利工程竖井斜井施工规范》(DL/T5407—2019)[17]中的质量控制要求。
图6展示了不同施工条件下的地连墙最大弯矩随施工深度的变化情况。从图6可以看出,地连墙最大弯矩总体上随着施工推进而逐步增大,其中Case6工况下的地连墙最大弯矩远远低于其他工况条件下的结果,这说明地连墙分幅对弯矩的影响很大,主要是因为地连墙分幅减小了环向刚度,导致地连墙施工的不利风险因素增大。地连墙环向刚度Kd计算参考文献[18]中的方法,见式(1),即
K d = α E d R 0 2 　 。
式中:E是地下连续墙墙体材料的弹性模量(kN/m2);d是地下连续墙有效厚度(m),应考虑施工偏差的影响;R0是地下连续墙墙体中心线半径(m);α是地连墙环向刚度折减系数,当缺乏实践经验时,可取α=0.4~0.7;当R0较大或槽段数较多时,取小值。
图6 地连墙最大弯矩随施工开挖深度的变化

Fig.6 Variation of maximum bending moment of diaphragm wall with excavation depth

从式(1)可知,当折减系数为1时,相当于不考虑地连墙分幅的影响;当折减系数在0~1之间时,即考虑地连墙分幅引起环向刚度弱化效应的影响。因此式(1)可定量地描述地连墙分幅对其环向刚度的影响。
此外可以发现,分节开挖高度、嵌固深度和地连墙施工先后顺序对地连墙最大弯矩的影响较小;注意到在图6(b)中,先行竖井施工过程中Case4的最大弯矩大于Case5的最大弯矩,这主要源于Ⅰ竖井的工程地质条件要差于Ⅱ竖井的工程地质条件;总体而言,后行竖井施工对先行竖井的影响甚微,竖井的弯矩变化基本都源于自身的施工过程。
图7展示了不同施工条件下的地连墙最大轴力随施工深度的变化情况。从图7可以看出,随着竖井施工深度的增加,地连墙最大轴力逐步增大。不同工况下的地连墙最大轴力相差较小,说明分节开挖高度、嵌固深度、双筒竖井施工顺序对地连墙最大轴力影响较小。未分幅工况(Case6)下的轴力明显小于分幅工况下的轴力,因此地连墙分幅对地连墙内力的影响可以视为敏感性因素。
图7 地连墙最大轴力随施工开挖深度的变化

Fig.7 Variation of maximum axial force of diaphragm wall with excavationdepth

2.2 内衬墙受力变形分析

内衬墙作为竖井支护系统中的重要组成部分,本文采用Liner单元模拟内衬墙的应力变形规律,分别对内衬墙最大环向位移、内衬墙最大弯矩、内衬墙最大轴力展开分析。
图8展示了不同施工条件下的内衬墙最大环向位移随施工深度的变化情况。由图8可知,内衬墙最大环向位移总体上随着竖井开挖深度的增大而增大,最大≤4 mm,低于地连墙最大环向位移。各工况下的数值计算结果相差不大,说明不同影响因素对内衬墙最大环向位移的影响较小。值得注意的是,地连墙分幅因素在此处的影响不大,这一点有区别于地连墙,说明地连墙分幅对地连墙本身的应力变形规律影响较大,但对内衬墙的影响较小。
图8 内衬墙最大环向位移随施工深度的变化

Fig.8 Variation of maximum circumferential displacement of inner lining wall with construction depth

图9展示了不同施工条件下内衬墙最大弯矩随施工深度的变化情况。由图9可知,内衬墙弯矩基本上随着施工深度的增大而增大,其中底板的施工对内衬墙的最大弯矩影响很大,这主要源于施工完成后的底板与内衬墙形成了一个整体,同时底板受到下覆水土压力的影响,内衬墙形成了很大的弯曲应力,显著地增大了内衬墙的弯矩,这一规律在双筒竖井同时施工和先后施工的工况中均有出现。
图9 内衬墙最大弯矩随施工深度的变化

Fig.9 Variation of maximum bending moment of inner lining wall with construction depth

图10展示了不同施工条件下的内衬墙最大轴力随施工深度的变化情况。从图10可以看出,内衬墙最大轴力随着施工深度的增大而增大,总体而言内衬墙轴力小于地连墙轴力,说明地连墙在支护系统中受到的压力要大于内衬墙受到的压力,地连墙在承受水土压力过程中的贡献更大些。
图10 内衬墙最大轴力随施工深度的变化

Fig.10 Variation of maximum axial force of inner lining wall with construction depth

2.3 冠梁受力变形分析

冠梁可以将分幅地连墙连成一个整体,防止竖井顶部边缘发生坍塌,并承担地连墙部分的水平压力和竖向剪力。本小节重点对冠梁的最大环向位移、最大弯矩和最大轴力展开分析。
图11展示了冠梁最大环向位移随施工深度的变化情况。可以看出,总体上冠梁最大环向位移随着竖井开挖深度的增大而增大,但是开挖到一定深度,冠梁最大环向位移呈现略微减小的趋势。究其原因,当开挖深度较小时,地连墙和内衬墙临空,冠梁受到地连墙传递的水平压力,产生了环向位移,并随开挖深度逐步增大;当开挖深度增大时,地连墙深部的环向位移逐步增大至较大值,而地连墙顶部的环向位移略微减小,冠梁环向位移亦有略微减小。总体上,底板施工时的地连墙环向位移为最大,此时地连墙和冠梁均承受因开挖临空而产生的较大轴力和弯矩。
图11 冠梁最大环向位移随施工深度的变化

Fig.11 Variation of maximum circumferential displacement of crown beam with construction depth

图12展示了冠梁最大轴力随施工深度的变化情况。从图12可以看出,冠梁最大轴力呈现先减小后增大的变化规律,底板施工后,冠梁轴力达到最大值;对于双筒竖井先后施工的工况,冠梁最大轴力先减小后增大,先行竖井底板施工后冠梁轴力陡升,而后后行竖井施工,后行竖井底板施工亦进一步增大了冠梁最大轴力。图12(b)中的Case1和Case4(Case5)的最大轴力变化过程不甚相同,这主要是因为Case1和Case4(Case5)施工顺序不同,其中Case1是双筒竖井同时施工,而Case4(Case5)是双筒竖井先后施工,施工引起的周围岩土体应力扰动范围和扰动程度差别较大。因此随着双筒竖井开挖累积深度的增加,Case1和Case4(Case5)的应力变形规律会有较大的差异。
图12 冠梁最大轴力随施工深度的变化情况

Fig.12 Variation of maximum axial force of crown beam with construction depth

图13展示了冠梁最大弯矩随施工深度的变化情况。从图13(a)可以看出,冠梁最大弯矩先增大后减小,而后又逐步增大,究其原因,刚开始竖井开挖地连墙产生变形,并对冠梁产生较大的弯矩作用,此后随着开挖的进行,地连墙的环向刚度发挥作用,减少了冠梁所承担的弯矩,但随着地连墙变形越来越大,冠梁弯矩亦受到影响,呈现增大的规律,其中可以注意到Case6曲线形态与其他曲线形态有明显差别,这主要是源于Case6不考虑地连墙分幅的影响,而其它工况均考虑了地连墙分幅的影响,地连墙不分幅时的环向刚度较大,使得冠梁最大弯矩小于其它工况。图13(b)的规律与此类似。
图13 冠梁最大弯矩随施工深度的变化

Fig.13 Variation of maximum bending moment of crown beam with construction depth

3 竖井应力变形影响因素的敏感性分析

双筒竖井施工过程的应力变形规律受到多种因素的影响,基于多种因素组合的数值计算,总结不同因素对双筒竖井应力变形规律的影响,进行不同因素的参数敏感性分析,确定双筒竖井应力变形中的主控因素,并给出合理化的施工建议。
为能够对各因素的敏感性进行对比分析,参照文献[19]中定义,基于不同参数的变化可以计算出敏感性系数k。该系数是输出结果变化百分率与输入参数变化百分率的比值,计算式为
k = f x + Δ x - f x / f x Δ x / x 　 。
式中:x是研究参数的输入值,f(x)是对应的计算结果;Δx是输入参数的变化值;f(x+Δx)是对应输入参数(x+Δx)时的计算结果。
本文重点关注的竖井施工应力变形影响因素有分节开挖高度、地连墙嵌固深度、双筒竖井施工顺序、地连墙分幅等,双筒竖井施工顺序无法利用式(1)得到其具体的敏感性系数,但由前述分析结果可知,双筒竖井施工顺序对双筒竖井应力变形的影响不大,即双筒竖井施工顺序是双筒竖井应力变形分析中的不敏感因素。鉴于此,本文重点对分节开挖高度、地连墙嵌固深度、地连墙分幅这3个因素展开敏感性分析。表4给出了开挖到底板(底板未施工)时不同工况条件下的影响参数敏感性系数对比情况,表5给出了施工结束后不同工况条件下的影响参数敏感性系数对比情况。可以看出,在不同施工阶段情况下,地连墙最大受力变形敏感性系数排序为:地连墙分幅>地连墙嵌固深度>分节开挖高度;此外,从内衬墙最大受力变形和冠梁最大受力变形的敏感性分析来看,地连墙嵌固深度、地连墙分幅、分节开挖高度均对结构的受力变形有一定的影响,但地连墙分幅和地连墙嵌固深度的影响略大一些。此外由前述可知,地连墙在整个双筒竖井的支护系统中的贡献最大,因此可以将地连墙分幅作为整个竖井施工最敏感因素,并可以大致得出结论:地连墙分幅对双筒竖井施工的应力变形影响最大,地连墙嵌固深度次之,分节开挖高度影响较小。
表4 不同工况条件下的影响参数敏感性系数(开挖至底板)

Table 4 Sensitivity analysis results of influencing parameters under different conditions (excavation to bottom slab)

部位 影响
参数		 不同工况下影响因素的敏感性系数 敏感性系数
大小排序
分节开
挖高度
(①)		 地连墙嵌
固深度
(②)		 地连墙
分幅(③)
地连墙
最大值		 环向位移 0 2.7×10-2 9.1×10-2 ③>②>①
弯矩 1.0×10-2 1.8×10-2 7.2×10-1 ③>②>①
轴力 1.7×10-2 2.1×10-2 8.4×10-2 ③>②>①
内衬墙
最大值		 环向位移 4.8×10-2 8.9×10-2 1.4×10-1 ③>②>①
弯矩 1.2×10-1 3.2×10-2 7.2×10-2 ①>③>②
轴力 3.7×10-2 9.3×10-3 9.4×10-2 ③>①>②
冠梁
最大值		 环向位移 3.3×10-3 3.7×10-2 9.9×10-3 ②>③>①
弯矩 2.9×10-2 2.2×10-2 5.4×10-1 ③>①>②
轴力 1.3×10-1 6.1×10-2 5.1×10-2 ①>②>③
表5 不同工况条件下的影响参数敏感性参数(开挖至最终)

Table 5 Sensitivity analysis results of influencing parameters under different conditions (excavation tocompletion)

部位 影响
参数		 不同工况下影响因素的敏感性系数 敏感性系数
大小排序
分节开
挖高度
(①)		 地连墙嵌
固深度
(②)		 地连墙
分幅(③)
地连墙
最大值		 环向位移 9.4×10-3 2.1×10-2 8.5×10-2 ③>②>①
弯矩 6.3×10-3 2.6×10-2 6.7×10-1 ③>②>①
轴力 1.8×10-3 2.8×10-2 1.3×10-1 ③>②>①
内衬墙
最大值		 环向位移 1.8×10-2 3.9×10-2 2.6×10-2 ②>③>①
弯矩 6.2×10-3 3.8×10-2 1.3×10-2 ②>③>①
轴力 1.0×10-2 1.2×10-2 8.5×10-2 ③>②>①
冠梁
最大值		 环向位移 1.3×10-2 4.5×10-2 1.4×10-2 ②>③>①
弯矩 2.2×10-2 8.2×10-3 5.4×10-1 ③>①>②
轴力 8.2×10-2 2.6×10-2 5.2×10-2 ①>③>②
由此可见,在竖井施工过程中,尤其是要注意地连墙分幅的影响,同时也不能忽视地连墙嵌固深度对施工开挖的影响。

4 结论

本文依托某引调水工程,开展复杂条件下的双筒深竖井三维数值分析,主要得到了以下结论:
(1)借助多种软件平台,开展交互式建模,构建能反映实际地层产状、不规整地形、地连墙分幅施工工艺、水库水位压力等复杂条件的双筒深竖井三维数值模型,该模型基本上与实际工况保持一致,为复杂条件下的水工岩土工程建模提供了一条有效的途径。
(2)冠梁环向位移、冠梁轴力和冠梁弯矩随着竖井开挖深度的增大呈现相互关联的变化规律,这是由于冠梁-地连墙-内衬墙支护体系在竖井施工开挖过程中因地连墙环向刚度发挥作用而发生的力学传递引起的。
(3)地连墙分幅减小了地连墙的环向刚度,对双筒竖井施工的应力变形影响最大,地连墙嵌固深度次之,对施工顺序和分节开挖高度的影响最小;在竖井施工过程中,尤其是要注意地连墙分幅的影响,但也不能忽视地连墙嵌固深度对施工开挖的影响,嵌固深度为5 m比嵌固深度为3 m时更有利于竖井的安全性。
本文在竖井数值仿真模拟、应力变形因素分析中取得了一些有益的结论,但对竖井应力变形理论解析等方面没有涉及,这也是下一步工作的重点。

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