商業文化中心深基坑施工對臨近建筑的影響

劉勇，王貴珍、2，夏奎，李英民，劉立平

（1重慶大學土木工程學院重慶4000452重慶工程職業技術學院重慶400037）

商業文化中心深基坑施工對臨近建筑的影響

劉勇1，王貴珍1、2，夏奎1，李英民1，劉立平1

（1重慶大學土木工程學院重慶4000452重慶工程職業技術學院重慶400037）

深基坑的穩定是地下空間施工的重點和難點，而有臨近建筑的深基坑施工則不僅僅要控制基坑，更重要的是保護周邊建筑結構。本文以重慶市南坪中心交通樞紐工程為背景，首先介紹了深基坑施工對臨近建筑物的不利影響，然后用ANSYS對6個工況做了彈塑性有限元分析，并從基坑自身的穩定和臨近建筑物的不均勻沉降兩個方面，評價了支護方案的可靠性和深基坑施工對臨近建筑物的影響。

深基坑；臨近建筑物；有限元分析

1 前言

隨著城市規模的發展，人口的增長，現有商業文化中心基礎設施越來越不能滿足高密度的人群。地下空間是城市立體再開發的最有效途徑，可以有效緩解商業文化中心擁擠的現象，實現人車立體分流、疏導交通，擴充基礎設施容量，增加城市綠地，保持城市歷史文化景觀，減少環境污染，改善城市生態環境。如果說地下空間施工的重點和難點是深基坑的穩定，那么有臨近建筑的深基坑施工不僅僅要控制基坑，更重要的是保護周邊建筑結構。本文以重慶市南坪中心交通樞紐工程為背景，介紹了深基坑施工對臨近建筑物的影響，并且通過彈塑性有限元分析來研究基坑開挖后對兩邊建筑物的影響規律。

2 工程概況及水文地質條件

南坪中心交通樞紐工程位于連接長江大橋與南岸區的主要交通干線上，主要包括南坪環道改造工程、南坪南北路改造工程、重慶國際會展中心二期拓展工程、大型地下車庫改建工程等。本文以重慶市國際會展中心二期拓展工程為例，討論了深基坑施工對臨近建筑的影響。

受山城地形地貌及周邊開發情況等客觀條件的制約，重慶會展中心的展廳面積及廣場面積已經不能滿足不斷擴大的會展規模的需求，故需對一期工程進行拓展。通過方案比較，擬定通過設置下穿道組織快速過境交通、通過設置環道組織環道交通、通過設置卸貨通道組織貨運交通等方案，實現對會展中心的拓展。經調查，整個施工場地內巖體較完整，無斷層通過，有兩組構造裂隙（J1、J2），且無崩塌、滑坡、泥石流等不良地質現象，無地下水。

3 深基坑開挖對臨近建筑物的影響

重慶國際會展中心二期拓展工程基坑最大開挖深度達到27m以上。兩側高層建筑林立，基坑開挖線接近建筑物邊線，地下空間與相鄰上部建筑物相互影響大，所以本工程必須考慮與相鄰上部建筑物的相互影響。這種影響如果控制不當，將嚴重影響周邊建筑的安全，甚至導致周圍建筑出現嚴重開裂、傾斜、倒塌等危險。深基坑施工給周邊建筑帶來的影響具體表現如下。

3.1周圍地表沉降

一般來講，深基坑開挖過程中，周邊地表必然會產生沉降。通常在深基坑施工過程中，沉降分為三個階段：①均勻沉降階段。均勻沉降對周邊建筑物的影響較小；②差異沉降階段。這一階段各測點發生明顯的差異沉降，對臨近建筑物的影響較大，可能導致結構嚴重的開裂；③沉降加速階段。這階段各點差異沉降繼續增大，沉降速率也大幅度增加。雖然沉降最終趨于穩定，但是會嚴重影響周邊建筑物的受力和抗震性能。

3.2 導致周邊建筑開裂

基坑開挖過程中引起的地表沉降會導致臨近建筑發生開裂，更有甚者，使得周邊建筑物坍塌，給人們的人身安全帶來巨大威脅。

4 有限元分析

為了能較真實地反映邊坡的實際情況，并考慮深基坑施工對臨近建筑物的影響，有必要采用有限元分析方法進行研究。該工程在ANSYS里通過彈塑性有限元分析來研究深基坑開挖后對兩邊建筑物的影響。

4.1 斷面選擇

基于本工程地質環境和坡頂建筑物等條件，選取有代表性的5個典型斷面進行彈塑性有限元分析。5個典型斷面主要受巖石內的裂隙J2控制。節理結構面的傾角為75度，延伸到坡頂后距開挖線的距離約為7m。

4.2 有限元分析模型及分析

為簡化計算，近似按照平面問題進行計算，計算剖面為建筑物作用的最不利剖面。左右豎向邊界為水平約束，底面為固端邊界，斜向和上表面為自由邊界。按柱網估算上部結構荷載，按照裙房與主樓分別均勻分布在建筑物基礎底部埋深處，邊坡荷載簡化圖如圖1所示。

圖1 邊坡荷載簡化圖

有限元模擬計算按6步進行，分別模擬初始地應力場、邊坡開挖和樁錨支護等過程。模擬第二步與第三步是為了通過對比得出支護對邊坡的控制效果。

第一步：模擬初始地應力場；

第二步：邊坡第一層開挖（開挖至邊坡高度一半）；

第三步：邊坡第二層開挖（開挖至基坑底部）；

第四步：模擬逆作法施工，開挖至邊坡高度一半，并支護所有開挖斷面；

第五步：模擬逆作法施工，在第四步的基礎上開挖整個邊坡；

第六步：在第五步的基礎上，支護邊坡還未支護部分，使整個邊坡都形成支護。

下文給出了3-3斷面各個分析步的有限元模型，如圖2所示。

圖2 3-3斷面有限元分析

4.3 主要分析結果

控制深基坑開挖對臨近建筑的影響，一方面是控制基坑自身的穩定；另一方面是控制由于基坑開挖引起的附加位移對建筑物的不利影響。

4.3.1 從計算結果的三方面來評價深基坑自身的穩定，即位移影響、應力影響、塑性區分析。

（1）邊坡位移

表1列出了由于開挖引起的邊坡頂端和邊坡底部的水平位移值以及加錨桿后的水平位移值。

表1 開挖引起邊坡位移以及加錨桿對邊坡位移的控制

表2 各斷面主應力計算結果

由表1結果可知，在開挖第一層和全部開挖后坡頂和坡底水平位移迅速增加。加了支護后，可以有效減少基坑的變形，且沿線基坑開挖引起的建筑物底部附加位移都滿足規范要求。

（2）邊坡應力

表2列出了基坑開挖后各斷面的應力情況。

由表2可以知道各斷面在第三步的最大主拉應力均超過巖石抗拉強度，且在支護后最大主拉應力也超過抗拉強度，但是各斷面的最大主拉應力出現位置均不在J2處，所以對邊坡穩定并不起控制作用。3-3與4-4斷面在第三步的最大主壓應力超過了巖石的抗壓強度，但在支護后最大主壓應力迅速減小，低于巖石的抗壓強度，所以邊坡支護是有效的。

（3）塑性區發展

由分析結果知，各個斷面塑性應變主要出現在J2節理面處和錨樁底部。在初始應力下J2處的塑性應變是由于有限元模擬時加載條件引起的，是計算模型的原因，而非真實的塑性變形，而支護后錨樁底部出現局部較大的塑性應變是由于局部應力集中而引起。各個斷面塑性應變發展如表3所示。

表3 邊坡最大塑性應變

由表3可見，第一次開挖后塑性應變比初始應力下的塑性應變大，第二次開挖后的塑性應變比第一次開挖后的塑性應變大，表明第一次開挖與第二次開挖后塑性應變發展迅速，邊坡失去穩定。但是在支護后，塑性應變明顯減小，比第二次開挖后的塑變小兩個數量級左右，表明高切坡支護方案能有效控制邊坡塑性區發展，支護方案是有效的。

4.3.2 選取臨近建筑物底部由于開挖引起的建筑物附加水平和豎向位移，來判斷臨近建筑的總體沉降、傾斜問題和不均勻沉降。

本文以會展中心拓展工程3-3的計算結果為例。3-3斷面形成基坑深度達到27m左右，邊坡計算高度內有J1和J2裂隙，距離邊坡45m處為揚子江酒店。揚子江酒店是地上22層、地下1層的大樓。如表4所示，為基坑頂建筑物范圍內5個點的附加位移，1～5個節點由近到遠均勻分布在建筑物底部。

表4 3-3斷面基坑頂建筑范圍內節點附加位移

由以上數據可以得出深基坑施工對臨近建筑物的影響規律：

（1）同一工況下，距離基坑越近沉降越大，即建筑物傾斜方向是朝向基坑的，產生了沿坡腳的剪切滑動面，應該考慮靜止側向壓力，如圖3所示。

根據數值分析結果，取出不同工況下建筑物底部左右節點1、5的附加豎向位移值，定義其位移差Δ=Ydisp(1)-Ydisp (5)，L為1、5兩點水平距離24m，Δ/L即為傾斜幅度，如表5所示。

由表5數據可知，每個工況下的建筑物傾斜幅度絕對值均小于規范規定的量值(0．002～ 0．004)。說明該場地和地質情況下，基坑開挖對臨近建筑物的影響均在規范允許范圍之內。

（2）各點的附加沉降相差不大，不均勻沉降不明顯，對建筑物的影響不大，且總的沉降值滿足規范要求。

（3）附加下沉增量和水平增量最大值都發生在工況3（全部開挖），加支護后大幅減少，說明所采用的支護可以有效地減小基坑開挖對臨近建筑物的不利影響。

圖3 建筑物傾斜方向

5 結語

5．1本文通過有限元模擬了初始地應力場、邊坡開挖和樁錨支護等6個工況，得出基坑支護對臨近邊坡的建筑物控制效果，表明高切坡支護方案能有效控制邊坡塑性區發展，支護方案是有效的。

5．2控制深基坑開挖對臨近建筑的影響，主要是控制基坑自身的穩定。本文從位移影響、應力影響、塑性區三方面評價了深基坑自身的穩定。由計算結果知，各個工況下，邊坡都是穩定的。

5．3控制深基坑開挖對臨近建筑物的影響，還必須控制由于基坑開挖引起附加位移對建筑物的不利影響。本文選取邊坡頂建筑物范圍內5均布點的水平和豎直附加位移，來判斷臨近建筑物的總體沉降、傾斜問題和不均勻沉降，分析表明建筑物是穩定的。

表5 建筑物的傾斜弧度

[1]薛蓮，傅晏，劉新榮．深基坑開挖對臨近建筑物的影響研究[J]．地下空間與工程學報，第4卷第5期，2008年10月

[2]高學伸，鄒厚存，蔣畢忠．質量檢測[R]．第28卷2010年第4期．[3]JGJ 120-1999，建筑基坑支護技術規范[S].北京:中國建筑工業出版社，1999.

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[7]袁海峰，鄭剛.鄰近建筑物受基坑開挖影響有限元分析[J].低溫建筑技術，2006.

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責任編輯：余詠梅

Effects of Deep Excavation in the Urban Business and Culture Center on adjacent Buildings

The stability of deep foundation is important and difficult in the underground construction.What's more,buildings adjacent deep excavations,together with the deep foundations,are all objects to be protected under construction.This thesis first takes about the Transport Hub Program in Nanping center district as background to introduce the adverse effects of deep excavation to the adjacent buildings and then makes plastic finite element analysis of the six construction conditions by using the ANSYS technique.It also evaluates the reliability of support programs and the effects of deep excavation to adjacent buildings based on the stability of foundation itself and Differential settlement of the adjacent buildings.

deep foundation;adjacent buildings;finite element analysis

TU755

A

1671-9107（2010）09-0041-04

論文：建設部節能省地型建筑科技示范工程項目；重慶市建設科技計劃項目。

10.3969／j.issn.1671-9107.2010.9.041

2010-7-16

劉勇（1985-），女，重慶長壽人，碩士研究生，主要從事結構計算方向。導師：李英民（1968-），男，山東無棣人，工學博士，教授，博士生導師，重慶大學土木工程學院副院長，主要從事工程結構地震動輸入、結構抗震設計方法等研究。