0 引言

　　地铁等工程的深基坑支护一般采用地下连续墙、连续桩等方法^[1]。地铁基坑开挖时，必然会使土体受到扰动，土层应力会进行调整，继而会对基坑围护结构、周边地表及附近建筑物造成不良影响，甚至威胁到基坑工程本体和周边地表以及建筑物的安全^[2]。基坑开挖引起的事故也时常发生，因此，地铁基坑施工的安全性必须引起重视。

　　近年来，国内外学者通过数值模拟或现场测试对基坑的变形特性进行了大量研究，并取得了不少成果。丁勇春^[3]等基于FLAC3D建立了考虑基坑分步开挖与支护全过程的三维动态计算模型，分析了基坑施工中围护墙变形、地表沉降、坑底隆起、坑外深层土体变形的基本特性，计算得到的地表沉降曲线具有一定的适用性。李淑等^[4]对北京地区地铁基坑开挖引起的地表沉降进行统计，结合30个明挖车站的现场实测数据分析得到北京地区地表的沉降规律，对今后北京地区基坑开挖起到了指导性作用。帅红岩等^[5]对武汉市某深基坑地下连续墙和环撑施工全过程进行数值模拟，为基坑开挖方案提出优化。贺炜等^[6]对河心洲地铁车站基坑开挖进行施工监测，得出施工过程中支护结构内力、地下连续墙侧向位移、周边地表沉降及原有桥梁变形规律，对施工中的技术操作给予高度警示，认为施工技术可以有效保护基坑安全。此结论具有较大认可度，基坑施工中，开挖原理及机械操作技术等对基坑围护结构的变形具有较大影响。

　　综上，较多学者对地下连续墙的变形及周边地表沉降进行了较多研究，但地铁车站基坑施工变形特性受到较多因素的影响，基址条件不同对基坑开挖过程中引起的变形量截然不同^[7,8,9]。本文针对苏州某地铁车站施工过程中地下连续墙及周边地表的变形特征进行研究，采用ABAQUS有限元软件对基坑开挖全过程进行仿真模拟并结合现场实测数据对基坑围护结构的变形以及地表沉降从定量的角度对开挖过程中地下连续墙位移及地表沉降的演变规律进行研究，为该地区类似工程的设计与施工提供数据支持。

　　1 工程概况

　　1.1 工程概况

　　此车站采用明挖顺做法施工。车站外包总长度198.91m，标准段结构宽度19.70m，车站总建筑面积11 179.51m²。车站基坑标准段开挖深度16.29～16.63m，端头井开挖深度约18.05m，车站采用地下连续墙作为围护结构，地下连续墙与内部结构二衬组合成叠合墙作为永久结构。地下连续墙800mm厚，竖向设置4道支撑+1道换撑，其中第1道支撑为800mm×1 000mm钢筋混凝土支撑，其余4道支撑采用管径609mm，厚度16mm钢支撑，如图1所示。

　　1.2 地质条件

　　据基坑开挖处详勘报告，拟建场地60.00m深度范围内地基土属第四纪河泛相、河口-海湾相、滨海相、河口三角洲相及冲积相沉积物。主要由黏性土、粉土及砂土组成，一般呈水平向分布。根据拟建场区地基土的特征、成因、年代及物理力学性质不同，并参照“该地地铁勘察标准层”，该场地地层划分为7个层次，具体土层名称及物理力学指标如表1所示。

　　图1 基坑示意  

　　表1 土层名称及物理力学指标 

　　注:ρb为天然容重(kN/m3);c为黏聚力(MPa);φ为内摩擦角(°);Es为弹性模量(MPa);h为深度(m)

　　2 数值模拟

　　2.1 计算模型

　　以基坑标准段建立模型，模型选取100m×60m的平面模型，地下连续墙深度为31.00m，宽度为0.80m。第1道支撑采用截面为800mm×1 000mm混凝土支撑，第2～5道支撑采用管径为609mm，厚度16mm的钢管支撑。模型采用平面应变单元，单元类型为CPE4。模型尺寸如图2所示。

　　图2 模型尺寸及网格划分  

　　模型左右两边加以水平方向约束，底部固结。在模拟地下连续墙和土之间的接触时采用面-面接触单元模拟墙-土接触面上的非线性，墙侧面被作为主接触面。混凝土支撑与地下连续墙接触采用Tie，钢支撑与墙体接触使用MPC Tie。

　　开挖、支护模拟共分成10个步骤进行。第1步为基坑开挖至2m，在距离地面以下1m处设置第1道钢筋混凝土支撑，第2步为基坑开挖至6m，在5m处设置第2道钢支撑，第3步为基坑开挖至10m，在8m处设置第3道钢支撑，第4步为基坑开挖至14m，在12m处设置第4道钢支撑，第5步为基坑开挖至16.5m，在16m处设置第5道钢支撑。

　　2.2 计算结果分析

　　2.2.1 地下连续墙的变形

　　基坑周边土体受力分布及地下连续墙水平应力云图如图3所示，土体水平应力分布图分层明显，在基坑开挖的部位应力发生变化，这是由于开挖卸载引起的，但在自重的作用下从上到下应力呈递增趋势。基坑周边土体随着到基坑边缘距离的增大应力迅速减少。地下连续墙的水平应力最大值为8.35×10⁵Pa，位于地下连续墙的最底部。土体自上而下应力逐渐增加，地下连续墙底部接触的土体应力最大，土体传于地下连续墙直接接触，从而使地下连续墙底部水平应力较大。

　　图3 地下连续墙水平应力云图  

　　ABAQUS计算地下连续墙水平位移如图4所示，变化趋势为中部变形大，两端变形小。在基坑开挖过程中，地下连续墙的水平位移随着基坑开挖深度的增加而增大，最大水平位移达到59.86mm;约占开挖深度的0.360%。随着开挖的进行，土体应力进一步释放，地下连续墙水平位移的最大值位置也有所下降，位于深度19.85～22.89m，处于开挖深度的1.20～1.39。

　　2.2.2 地表沉降及钢支撑轴力

　　图5是ABAQUS计算得出的地表沉降曲线。地表整体变形为“凹”形。随着距基坑边缘长度的增加，基坑地表沉降呈现出逐渐增加的趋势，计算得到地面沉降的最大值为-16.95mm，达到开挖深度的0.103%。

　　图4 地下连续墙水平位移计算值 

　　图5 地表下沉计算值  

　　在距离基坑边缘较近的地表隆起随着基坑开挖的进行出现上升的趋势，基坑开挖中地表有明显的地表隆起现象。在模型中施加初始地应力用来模拟土中受到的天然应力，当土体开挖卸载时，坑内应力得到释放，下部地下连续墙向坑内弯曲，使地下连续墙顶部有朝着土体移动的趋势，顶部土体受力向上引起地表隆起。

　　钢支撑的轴力计算如图6所示。轴力的变化幅度比较大，在钢支撑安置好之后，初始轴力变化不稳定，随着基坑开挖深度的增加，整体趋势随之增加。第1道钢支撑受到墙体的挤压力较大，使其产生较大的轴力，最大轴力为1 243.91kN。

　　图6 钢支撑轴力计算值  

　　3 监测结果分析

　　3.1 地下连续墙的变形分析

　　图7表示测斜孔在对应开挖深度时的水平位移，从整体看，地下地下连续墙沿深度方向的变形为“弓”形，即中间变形大两头变形小，且在开挖过程中，这种“弓”形变化越来越大，基坑最大变形的位置也逐渐下降。

　　图7 测斜孔水平位移实测值  

　　10号测斜孔第2次开挖时，地下连续墙水平位移最大值为6.72mm，约占开挖深度的0.111%，对应基坑深度为10m;第3次开挖时，地下连续墙水平位移最大值为33.60mm，约占开挖深度的0.330%，对应的基坑深度为11m;第4次开挖时，地下连续墙水平位移最大值为41.69mm，约占开挖深度的0.294%，对应的基坑深度为11.5m;第5次开挖时，地下连续墙水平位移最大值为51.01mm，对应的基坑深度为12m，约占开挖深度的0.309%。

　　同10号测斜孔分析11号、12号、13号测斜孔，统计得到最大变形大致分布于基坑深度的0.60～1.39，最大侧移值基本在0.105%H和0.360%H。

　　在基坑开挖较浅时，地下连续墙的变形有向着基坑内，也有向着基坑外。当基坑开挖至6m时，地下连续墙的变形指向坑内。基坑开挖深度值10m时，地下连续墙的位移均向基坑内。在基坑开挖时，由于天然应力的存在，坑内土体卸载，周边土体处于不稳定状态，土体的应力比较复杂，土体整体向基坑内有变形趋势，但局部土体的变形方向难以确定，这有可能导致地下连续墙的位移方向产生变化。

　　3.2 地表沉降分析

　　地表沉降测点沿垂直基坑边缘的方向每间距为6m设置1处，共5处，图8是测点的地表沉降曲线。现场实测数据显示地表沉降整体呈“凹”形，基坑开挖过程中，地表不仅产生沉降也会产生隆起，但随着基坑开挖的进行，地表沉降或隆起也会发生变化。基坑开挖初期，地表下沉量随开挖的进行而缓慢增加，当开挖深度达到10m以上时，地下连续墙顶部位移会朝着基坑周边土体移动，从而产生地表隆起。

　　图8 地表沉降实测值  

　　从图8可知第3次开挖时，地表已开始隆起，在接下来的两次开挖中，地面隆起量不断增加。距离基坑较近的测点隆起量最大，数值模拟计算同样得到距离地下连续墙最近的地表隆起最大。

　　实测最大沉降值3.59mm，约占基坑深度的0.022%。基坑开挖不仅会使地表产生沉降，还会导致地面隆起，但隆起值随开挖深度的增加而减小，最终隆起峰值会降低，地面隆起的面积也随之降低。地表沉降具有明显的时空效应，地表沉降测点监测的时间间隔周期并不完全相同，地表沉降变化的速率明显不同，说明时间是影响地表沉降的原因之一。

　　4 结语

　　本文以实际工程为背景，通过计算值与实测值的对比分析，表明数值模拟可以较好计算出地下连续墙及地表沉降的变形规律。随着基坑开挖的增加，地下连续墙最大水平位移也随之增加，且最大变形量所在的位置也逐渐下移。

　　地下连续墙的横向和纵向变形均呈“弓”形，最大侧移值基本在0.110%H和0.360%H之间，基坑最大变形对应的位置基本分布在基坑深度的0.60～1.39。

　　随着基坑开挖深度的增加，地表下沉随之增加，地表下沉的最大量基本在开挖深度的0.014%～0.326%，钢支撑的初始轴力变化不稳定，整体趋势随之增加。