用于VSM竖井施工过程中多模态变形的三维土-竖井-机械相互作用模型

垂直井机（VSM）通过高效、安全、适应性强的新工艺提升地下空间开发效率，但土-井-机相互作用及分节井变形机理研究不足。本文基于广义梁理论构建VSM竖向土-井-机耦合模型，涵盖水平位移、扭转、弯曲等六种变形模式，通过最小势能原理推导有限元方程，结合两工程案例验证模型准确性，并开展关键参数敏感性分析，最后提出分节井姿态控制方法。

　　

刘英斌|廖少明|赵帅|何俊卓|张斌

同济大学岩土工程系，上海200092，中国

摘要

为应对城市地下空间发展的加速需求，提出了一种新型的垂直井机（VSM），与传统沉井方法相比，该技术具有更高的施工效率、安全性和土壤适应性。井、土壤和机器之间的相互作用以及分段井的姿态行为对VSM井的施工安全和长期稳定性至关重要。然而，目前关于这些问题的研究仍然不足。本文旨在研究垂直土壤-井-机器相互作用以及VSM井的多模态变形行为。首先介绍了VSM的施工过程和分段井的姿态行为，并详细讨论了导致姿态变化的因素。然后，基于广义梁理论的垂直土壤-井-机器相互作用模型被提出，以考虑分段井的多模态变形行为，包括水平位移、扭转、弯曲、收缩和压扁。在新模型中，采用了垂直梁-弹簧模型，考虑了周围灌浆的减效应，并考虑了挖掘载荷以及内部和外部水土载荷的影响。利用最小势能原理进行了有限元分析。此外，通过两个案例研究验证了所提出的模型，并将结果与数值软件和现场测量数据进行比较，以评估其准确性。此外，还进行了参数研究，以评估关键参数对分段井变形特性的影响。最后，讨论了分段井姿态行为的控制方法，并揭示了不均匀地压力的影响。所提出的解决方案和结果有助于更好地理解VSM井的变形行为，并改进复杂条件下的井设计和组装。

引言

随着城市土地资源的日益稀缺，开发地下空间已成为满足日益增长的城市基础设施需求的关键解决方案。作为连接地面和地下空间的关键结构，井被广泛应用于地下交通系统、地下商场、停车场和其他复杂设施的建设中。然而，随着城市化进程的加快以及对安全和环境保护要求的提高，传统的沉井方法（如爆破或沉箱）由于其效率低下、安全风险高和显著的环境影响而显示出局限性。在这种工程背景下，出现了一种新的沉井方法，即垂直井机（VSM）（Schm?h，2007）。这种方法具有多个优点，包括高施工效率、增强的安全性、最小的环境影响以及对不同地质条件的广泛适应性（Huang等人，2022）。由于这些优势，VSM技术已在全球得到广泛应用，如表1和图1所示。

VSM方法利用具有多自由度的切割头向下挖掘土壤和岩石，并通过反向循环泥浆清除废料。井段安装在井顶，逐环下沉直至达到设计深度。在施工过程中，有几个关键核心问题需要特别关注：1. 提升系统的悬挂力控制；2. 井段的应力状态；3. 对周围环境的干扰；4. 土壤-井-机器相互作用；5. 井的变形行为或姿态。为了确保VSM井施工的顺利进行，许多研究人员对此进行了研究。Huang等人（2022）监测了施工过程中外部水土载荷对井壁的影响、钢筋的应力以及相邻井段之间的压力，探讨了整个下沉过程中VSM井壁的应力和结构响应。Ma等人（2024）采用精细的数值模拟研究了下沉过程中及之后井和周围土壤的机械行为。Bian（2021）基于模型测试分析了预制井段在下沉过程中的载荷分布模式，揭示了井下沉过程中悬挂力和侧壁摩擦的变化。迄今为止，大多数关于VSM方法的研究都集中在施工技术、结构监测措施和分段井壁的设计上（Bian等人，2021；Jiang等人，2022）。然而，关于土壤-井-机器相互作用和分段井变形行为的研究仍然不足。这两个问题在施工过程中以及井的长期运行安全中起着决定性作用。

在VSM施工过程中，井段不断受到来自切割机器的剪切力和机器旋转力的作用，这不可避免地会导致井的姿态变化。施工过程中的姿态偏差主要表现为井段的水平和扭转变形。此外，在过度挖掘和非均匀地质条件下，这些姿态变化可能会变得灾难性。过度的姿态偏差会导致井段错位，进而导致结构泄漏、井段开裂和螺栓过早失效（Shen等人，2014；Wu等人，2015）。此外，井段的扭转变形还会进一步恶化井段和螺栓的应力状态（Feng等人，2022；Liu等人，2023b）。因此，控制VSM井的姿态是施工中的一个关键方面，因为它有助于减少施工引起的残余应力并提高井的长期韧性。控制VSM井的姿态需要解决两个关键问题：首先，了解导致姿态偏差的机制和因素；其次，明确井、机器和土壤之间的相互作用。

土壤-井-机器相互作用对于理解分段井的变形和应力状态至关重要。许多研究人员研究了土壤-井或土壤-桩相互作用模型（Lin等人，2023；Ouyang等人，2024；Zhang等人，2021；Zhang等人，2023），但这些模型主要适用于传统沉井方法建造的井的结构分析。在VSM施工过程中，除了内部和外部水土载荷外，井还受到安装在井内的VSM机器传递的挖掘反作用力的影响，这会导致井段发生显著的水平变形、扭转、收缩和弯曲。挖掘载荷的额外效应是分析分段井应力状态的关键因素，这也是它与传统方法的不同之处。类似的土壤-衬砌-机器相互作用模型已被用于盾构/TBM隧道施工领域，以分析施工过程中的井段变形（Talmon和Bezuijen，2013；Chen等人，2018），其中盾构/TBM直接与土壤接触而不是与井段接触。由于机器与井段的连接方式不同，这两种方法的相互作用模型也存在差异。因此，还需要进行额外的综合研究来研究VSM井特有的土壤-井-机器相互作用。尽管如此，现有的土壤-衬砌-机器相互作用研究为本文的分析提供了宝贵的见解和参考。

本文旨在研究垂直土壤-井-机器相互作用以及分段井的姿态行为，以促进VSM井的设计和施工。本文的结构如下：首先介绍VSM的施工过程和分段井的姿态行为。随后，基于广义梁理论（GBT）开发了一个垂直土壤-井-机器相互作用模型，以捕捉分段井的多模态变形特性。然后将该模型应用于两个工程案例，并通过与数值模拟和现场测量的比较来评估其性能。此外，还进行了一系列参数研究，以考察关键影响因素对分段井结构响应的影响。最后，讨论了分段井姿态行为的控制方法，并揭示了不均匀地压力的影响。

部分摘录

VSM的施工和分段井的姿态行为

VSM是一种高度机械化的地下井施工技术。其施工过程如图2所示，可以分为七个步骤（Huang等人，2022）：

• 1.
  现场准备和切割环组装：平整施工场地，必要时进行地面改良（例如喷射灌浆）。在井位置预先组装钢-混凝土复合切割边缘环。
• 2.
  基础环梁施工和提升系统安装：

基于GBT的垂直土壤-井-机器相互作用模型

根据上述说明，在挖掘过程中，分段井的水平位移和扭转很容易发生，而土壤-井-机器相互作用是分析井变形的关键。在本节中，提出了一种基于广义梁理论（GBT）的垂直土壤-井-机器相互作用模型，以解决分段井的变形行为。

验证

在本节中，通过两个案例研究来验证所提出方法的有效性。

参数分析

进行参数分析，以研究一些设计参数对分段井结构响应的影响，包括厚度与宽度比、长度与宽度比、灌浆减量比、接头刚度和土壤层理的影响。以案例II中采用的井为例进行参数分析。

分段井姿态行为的控制

在VSM施工过程中，由于土壤不均匀性、过度挖掘以及单向切割和旋转的影响，姿态变化是不可避免的。为了确保井的垂直度和施工精度，有效的姿态控制方法至关重要。以下是一些建议。

• 1.
  姿态监测系统：安装多点激光测距仪、陀螺仪和倾斜仪，实时监测VSM的姿态变化。

结论

本文提出了一种基于GBT的垂直土壤-井-机器相互作用模型（GVSSMI），用于研究VSM建造的分段井的多模态变形行为。此外，还研究了下沉过程中井姿态变化的机制，并讨论了控制方法。可以得出以下结论。

1.
在沉井和挖掘过程中，水平位移和扭转很容易发生。累积的单向切割会导致水平变形，

CRediT作者贡献声明

刘英斌：撰写——原始稿件、验证、监督、方法论、调查、形式分析、概念化。廖少明：撰写——原始稿件、验证、监督、调查、形式分析、概念化。赵帅：验证、监督、形式分析、数据管理。何俊卓：撰写——原始稿件、验证、形式分析、数据管理。张斌：验证、资源获取、资金筹集。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52090082）的支持。