基坑工程支护结构的变形和稳定性，除了与开挖深度，施工方法，支护结构本身刚度等有关外，还受到工程地质条件的影响^[1]。岩土体在大多数情况下都呈现非均质性和各向异性等特征，而工程实践中，只能从地层中某些特定位置抽样测定土体参数，并经过经验修正来确定其设计值，由此必然会与真实值之间存在差异，称为地层参数的不确定性^[2]。以往研究表明^[3-4]，地层分布规律，土体弹性模量、抗剪强度等参数对基坑工程设计分析存在较大的影响。

格形地下连续墙是一种近年来发展比较迅速的新型支护结构，主要用于沉管隧道护岸、船坞工程等不便设置内支撑或拉锚结构的工程中，在深基坑工程中也有应用^[5-6]。格形地墙由内、外纵墙和横隔墙(或肋条)组成，和其内部的原状土体共同形成半重力式结构，共同抵抗施工过程中的水土压力，且通常无需内支撑体系，就可有效限制基坑变形^[7]。由于格形地墙结构形式较为复杂，与传统的支护结构具有明显的差异，其理论研究落后于工程实践，制约了格形地墙的应用和推广^[8-9]。

一些学者^[10-12]通过数值模拟、理论推导及现场监测等方法研究了格形地墙的受力变形性状。梁穑稼^[10]通过整理实测数据发现格形地下连续墙围护结构水平位移均表现出墙底变形最小，墙顶变形最大的规律，而且沿深度方向几乎呈直线关系，呈现重力式挡土结构的变形特征。梅英宝^[12]认为格栅连续墙结构的受力变形模式会受到前后墙的间距、后墙深度、中间分隔地墙的深度与间距的影响。但是这些研究都未考虑地层参数不确定性的不利影响。

本研究以如意坊沉管隧道护岸工程为例，建立三维有限元模型，研究了基槽开挖诱发的格形地墙变形，开展了地层参数敏感性分析，揭示了土体模量、土体强度和基岩埋深对地墙侧移的影响规律，得到的结论可为类似工程提供参考借鉴。

如意坊放射线工程位于广州市荔湾区，自内环路向南跨越珠江、塞坝涌延伸到芳村大道，是广州市快速路网骨架的重要组成部分。如意坊隧道平面线形为曲线如意形，全长1 511 m，采用双向六车道断面。隧道结构根据不同的埋深设置为敞开段和暗埋段，其中过珠江暗埋段采用沉管工法。场区地貌属珠江三角洲冲积平原，地势较平坦，呈上软下硬的特点，深度约24 m以上以松散的填土、深厚的淤泥和淤泥质砂为主，24 m以下为强风化至微风化泥岩，岩质较坚硬。

如意坊沉管隧道芳村端护岸工程属于超深基坑无支撑开挖，一级边坡坡率1∶6，挖深8.7 m，二级边坡坡率1∶4，挖深13.9 m(图 1)。由于护岸段变形要求较高，考虑到现场条件的可行性，采用半重力式格形地墙维持护岸稳定。设计基本思路为先施工内外两道地下连续墙，再根据不同区域的要求(如开挖深度、盾构隧道下穿越)，在两墙中间增设肋条、横隔墙等，由此可将地墙分为A1、A2、B这3种类型。格形地墙的横剖面详见图 2，纵剖面详见图 3。

图 1 基槽护岸工程示意图 Fig. 1 Schematic diagram of trench and revetment project

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图 2 芳村护岸横剖面示意图(单位：m) Fig. 2 Schematic diagram of cross-section of Fangcun revetment(unit: m)

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图 3 芳村护岸纵剖面示意图 Fig. 3 Schematic diagram of longitudinal section of Fangcun revetment

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在有限元软件Z-Soil中建立了如图 4所示的芳村端护岸三维有限元模型。模型范围取沉管隧道中线以南的半结构，长度200 m，宽度50 m，高度65 m。图 3为格形地墙的纵剖面图，模型中考虑了A1, A2, B型地连墙的不同格构形式。模型边界的约束条件为固定底面与周围4个面的法向位移。

图 4 护岸三维有限元模型 Fig. 4 Three-dimensional FE model of revetment

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有限元模型中，将实际施工过程简化为以下几个分析步：地应力平衡，格形地墙施工，一级边坡开挖(以1∶6坡率，下挖8.7 m)，二级边坡开挖(以1∶4坡率，下挖5.2 m)，盾构隧道施工(左右两线同时开挖)。边坡开挖采用“杀死”指定范围内土体单元，并释放全部单元应力的方法进行模拟。而由于盾构隧道开挖后会施做衬砌支护，土体应力不会完全释放，故参考相关研究经验^[13-14]，选取0.5的应力释放系数。

HSS模型是一种适合于软土基坑开挖分析的高级本构，能够很好地模拟诸如基坑开挖卸载的工程问题，国内外许多学者^[15-16]的应用案例均证明了其可靠性。本研究在参数取值时，依据地勘报告数据，参考了王卫东等^[17]的研究成果，综合确定了各土层的参数取值(表 1)。

基槽开挖后的模型变形如图 5所示。墙后土体沉降，坑底土体隆起，最大变形34.8 mm，格形地墙发生向珠江侧的倾斜，左端格形地墙的侧移最大。图 6为盾构隧道开挖诱发的变形云图，可知拱顶土体沉降，拱底土体隆起，但变形增量很小。

图 5 基槽开挖后的变形云图(单位：mm，放大300倍) Fig. 5 Nephogram of deformation after foundation trench excavation(unit: mm)

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图 6 盾构隧道开挖诱发的模型变形云图(单位：mm) Fig. 6 Nephogram of model deformation induced by shield tunnel excavation(unit: mm)

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提取格形地墙顶边和左边的变形，得到两个方向的侧移曲线，如图 7所示。一级边坡开挖后，最大开挖深度H=8.6 m，地墙最大侧移14.1 mm(1.64‰H)；二级边坡开挖后，最大开挖深度H=13.7 m，地墙最大侧移23.8 mm(1.74‰H)。

图 7 不同施工步下地墙护岸的侧移 Fig. 7 Lateral deformations of diaphragm wall under different excavation steps

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从顶边水平侧移曲线可知，由于基槽采用放坡开挖，左侧开挖深度大于右侧，故模型左侧地墙侧移大于右侧，开挖卸载的影响范围约为120 m。左边竖向侧移曲线显示，格形地墙上部呈整体倾斜；12~22 m深度范围内，地墙侧移值迅速减少；而地墙嵌固在中风化岩石中的部分(24 m以下)几乎没有发生变形。由于盾构隧道位于中风化岩层中，隧道开挖对基槽及护岸的扰动较小，地墙最大侧移增大为24.3 mm(1.77‰H)。

由于工程地质条件的不确定性，地质勘探钻孔及室内土工试验受到数量和精度的限制，得到的结果可能与实际情况存在一定的偏差，故有必要在数值模型中进行地层参数敏感性分析。

敏感性分析法^[18]假设一个系统包含系统特性P及它的n个因素。先假定一个基准状态P^*=f(x₁^*，x₂^*，…，x_n^*)，然后分别令每个因素x_i在可能的取值范围内变动，研究和预测x_i的变动对系统特性P的影响程度。若x_i较小的变化就能引起P的较大变化，则表明P对x_i敏感，可认为x_i为系统特性P的高敏感参数，反之为低敏感参数。敏感度的定义为:

(1)

式中，S_k为因素x_k的敏感度，k=1，2，…，n; |ΔP/P|为系统特性的相对变化率；|Δx_k/x_k|为因素的相对变化率。

土体模量决定了应力-应变曲线形状，直接影响了基槽开挖引起的变形。相关研究^{[1, 18-19]}中，土体参数的相对变化率常取0.1~0.5。故参考该范围，本研究将土体模量分别乘上0.6，0.8和1.2的调整系数，以研究格形地墙的侧移对土体模量的敏感性。需注意，HSS模型中的模量参数包括E₅₀, E_oed, E_ur和E₀，一般认为四者之间存在比例关系^[20]，故本研究在分析时同时调整了这4个参数。

从图 8发现，格形地墙的侧移与土体模量成负相关。当土体模量折减到0.6倍时，地墙最大侧移增加到37.1 mm，相比原模型增大了约52%；当采用0.8倍土体模量时，地墙最大侧移为28.7 mm，相比原模型增大了约18%；当土体模量增大到1.2倍时，地墙最大侧移减小到21.6 mm，相比原模型减小了约11%。还可以发现，土体模量越小，地墙侧移对土体模量的改变越敏感。

图 8 不同土体模量取值时的地墙侧移 Fig. 8 Lateral deformations of diaphragm wall with different elastic moduli of soil

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有效黏聚力c和有效内摩擦角φ，不仅决定了土体的抗剪强度，还影响土体的塑性变形^[21]。本节以原模型中的c和tan φ为基准，添加0.6倍、0.8倍、1.2倍强度参数3种对比工况，分析了4种不同强度参数下的模型变形。

由图 9可知，格形地墙的侧移随着土体强度指标的增大而减小。当采用0.6倍土体强度指标时，地墙最大侧移为31.0 mm，相比原模型增大了约27%；当土体强度指标增大到1.2倍时，地墙最大侧移减小到23.4 mm，比原模型减小了0.8 mm。由此可见，减小土体强度对地墙侧移的影响较大，而增大土体强度对地墙侧移的影响较小。

图 9 不同土体强度取值时的地墙侧移 Fig. 9 Lateral deformations of diaphragm wall with different soil strengths

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本工程场地呈上软下硬，软硬地层分界面的位置，决定了地墙嵌入中风化岩石的长度，对地墙的稳定性有较大的影响。地勘报告显示基岩埋深为24 m，设计方案中地墙长度为30 m，故地墙嵌岩长度为6 m。以此为基准，考虑基岩埋深增大3 m，增大1.5 m，减少1.5 m和减少3 m这4种对比工况，分析不同基岩埋深下的地墙侧移。

图 10表明，格形地墙的侧移与基岩埋深成正相关，基岩埋深增加，地墙嵌岩长度减小，侧移增大，反之，侧移减小。当基岩埋深增加3 m，地墙最大侧移增加到36.7 mm，相比原模型增大了约51%；当基岩埋深减少3 m，地墙最大侧移为15.9 mm，相比原模型减少了约34%。

图 10 不同基岩埋深时的地墙侧移 Fig. 10 Lateral deformations of diaphragm wall with different bedrock depths

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本节采用敏感度分析法，研究了土体模量、强度和基岩埋深3个因素对格形地墙变形的影响，由式(1)计算得到各参数的敏感度，如表 2所示。

由表 2可以看出：该模型中地墙护岸的侧向变形，对基岩埋深的变化最为敏感，然后是土体模量，最不敏感的是土体强度。因此，在进行前期地质勘探和设计计算时，应特别重视基岩埋深和地墙嵌岩长度的确定和分析。

针对沉管隧道格形地墙护岸工程开展了建模分析，研究了基槽开挖引起的格形地墙侧移，进行了地层参数的敏感性分析，计算结果显示：

(1) 现有设计方案能够有效控制施工扰动，一级基槽边坡开挖后，地墙最大侧移14.1 mm(1.64‰H)，二级基槽边坡开挖后，地墙最大侧移23.8 mm(1.74‰H)。

(2) 改变基岩埋深对计算结果的影响最大，土体模量次之，而地墙侧移对土体强度的变化最不敏感。

(3) 基岩埋深越深，地墙嵌岩长度越短，开挖后的变形越大，因此在勘探和设计时，应尤其重视对基岩埋深和地墙嵌岩长度的分析。

(4) 减小土体模量和强度，地墙侧移明显增大，而增大土体参数对侧移的影响较小。