商业文化中心深基坑施工对临近建筑的影响

刘勇，王贵珍、2，夏奎，李英民，刘立平

（1重庆大学土木工程学院重庆4000452重庆工程职业技术学院重庆400037）

商业文化中心深基坑施工对临近建筑的影响

刘勇1，王贵珍1、2，夏奎1，李英民1，刘立平1

（1重庆大学土木工程学院重庆4000452重庆工程职业技术学院重庆400037）

深基坑的稳定是地下空间施工的重点和难点，而有临近建筑的深基坑施工则不仅仅要控制基坑，更重要的是保护周边建筑结构。本文以重庆市南坪中心交通枢纽工程为背景，首先介绍了深基坑施工对临近建筑物的不利影响，然后用ANSYS对6个工况做了弹塑性有限元分析，并从基坑自身的稳定和临近建筑物的不均匀沉降两个方面，评价了支护方案的可靠性和深基坑施工对临近建筑物的影响。

深基坑；临近建筑物；有限元分析

1 前言

随着城市规模的发展，人口的增长，现有商业文化中心基础设施越来越不能满足高密度的人群。地下空间是城市立体再开发的最有效途径，可以有效缓解商业文化中心拥挤的现象，实现人车立体分流、疏导交通，扩充基础设施容量，增加城市绿地，保持城市历史文化景观，减少环境污染，改善城市生态环境。如果说地下空间施工的重点和难点是深基坑的稳定，那么有临近建筑的深基坑施工不仅仅要控制基坑，更重要的是保护周边建筑结构。本文以重庆市南坪中心交通枢纽工程为背景，介绍了深基坑施工对临近建筑物的影响，并且通过弹塑性有限元分析来研究基坑开挖后对两边建筑物的影响规律。

2 工程概况及水文地质条件

南坪中心交通枢纽工程位于连接长江大桥与南岸区的主要交通干线上，主要包括南坪环道改造工程、南坪南北路改造工程、重庆国际会展中心二期拓展工程、大型地下车库改建工程等。本文以重庆市国际会展中心二期拓展工程为例，讨论了深基坑施工对临近建筑的影响。

受山城地形地貌及周边开发情况等客观条件的制约，重庆会展中心的展厅面积及广场面积已经不能满足不断扩大的会展规模的需求，故需对一期工程进行拓展。通过方案比较，拟定通过设置下穿道组织快速过境交通、通过设置环道组织环道交通、通过设置卸货通道组织货运交通等方案，实现对会展中心的拓展。经调查，整个施工场地内岩体较完整，无断层通过，有两组构造裂隙（J1、J2），且无崩塌、滑坡、泥石流等不良地质现象，无地下水。

3 深基坑开挖对临近建筑物的影响

重庆国际会展中心二期拓展工程基坑最大开挖深度达到27m以上。两侧高层建筑林立，基坑开挖线接近建筑物边线，地下空间与相邻上部建筑物相互影响大，所以本工程必须考虑与相邻上部建筑物的相互影响。这种影响如果控制不当，将严重影响周边建筑的安全，甚至导致周围建筑出现严重开裂、倾斜、倒塌等危险。深基坑施工给周边建筑带来的影响具体表现如下。

3.1周围地表沉降

一般来讲，深基坑开挖过程中，周边地表必然会产生沉降。通常在深基坑施工过程中，沉降分为三个阶段：①均匀沉降阶段。均匀沉降对周边建筑物的影响较小；②差异沉降阶段。这一阶段各测点发生明显的差异沉降，对临近建筑物的影响较大，可能导致结构严重的开裂；③沉降加速阶段。这阶段各点差异沉降继续增大，沉降速率也大幅度增加。虽然沉降最终趋于稳定，但是会严重影响周边建筑物的受力和抗震性能。

3.2 导致周边建筑开裂

基坑开挖过程中引起的地表沉降会导致临近建筑发生开裂，更有甚者，使得周边建筑物坍塌，给人们的人身安全带来巨大威胁。

4 有限元分析

为了能较真实地反映边坡的实际情况，并考虑深基坑施工对临近建筑物的影响，有必要采用有限元分析方法进行研究。该工程在ANSYS里通过弹塑性有限元分析来研究深基坑开挖后对两边建筑物的影响。

4.1 断面选择

基于本工程地质环境和坡顶建筑物等条件，选取有代表性的5个典型断面进行弹塑性有限元分析。5个典型断面主要受岩石内的裂隙J2控制。节理结构面的倾角为75度，延伸到坡顶后距开挖线的距离约为7m。

4.2 有限元分析模型及分析

为简化计算，近似按照平面问题进行计算，计算剖面为建筑物作用的最不利剖面。左右竖向边界为水平约束，底面为固端边界，斜向和上表面为自由边界。按柱网估算上部结构荷载，按照裙房与主楼分别均匀分布在建筑物基础底部埋深处，边坡荷载简化图如图1所示。

图1 边坡荷载简化图

有限元模拟计算按6步进行，分别模拟初始地应力场、边坡开挖和桩锚支护等过程。模拟第二步与第三步是为了通过对比得出支护对边坡的控制效果。

第一步：模拟初始地应力场；

第二步：边坡第一层开挖（开挖至边坡高度一半）；

第三步：边坡第二层开挖（开挖至基坑底部）；

第四步：模拟逆作法施工，开挖至边坡高度一半，并支护所有开挖断面；

第五步：模拟逆作法施工，在第四步的基础上开挖整个边坡；

第六步：在第五步的基础上，支护边坡还未支护部分，使整个边坡都形成支护。

下文给出了3-3断面各个分析步的有限元模型，如图2所示。

图2 3-3断面有限元分析

4.3 主要分析结果

控制深基坑开挖对临近建筑的影响，一方面是控制基坑自身的稳定；另一方面是控制由于基坑开挖引起的附加位移对建筑物的不利影响。

4.3.1 从计算结果的三方面来评价深基坑自身的稳定，即位移影响、应力影响、塑性区分析。

（1）边坡位移

表1列出了由于开挖引起的边坡顶端和边坡底部的水平位移值以及加锚杆后的水平位移值。

表1 开挖引起边坡位移以及加锚杆对边坡位移的控制

表2 各断面主应力计算结果

由表1结果可知，在开挖第一层和全部开挖后坡顶和坡底水平位移迅速增加。加了支护后，可以有效减少基坑的变形，且沿线基坑开挖引起的建筑物底部附加位移都满足规范要求。

（2）边坡应力

表2列出了基坑开挖后各断面的应力情况。

由表2可以知道各断面在第三步的最大主拉应力均超过岩石抗拉强度，且在支护后最大主拉应力也超过抗拉强度，但是各断面的最大主拉应力出现位置均不在J2处，所以对边坡稳定并不起控制作用。3-3与4-4断面在第三步的最大主压应力超过了岩石的抗压强度，但在支护后最大主压应力迅速减小，低于岩石的抗压强度，所以边坡支护是有效的。

（3）塑性区发展

由分析结果知，各个断面塑性应变主要出现在J2节理面处和锚桩底部。在初始应力下J2处的塑性应变是由于有限元模拟时加载条件引起的，是计算模型的原因，而非真实的塑性变形，而支护后锚桩底部出现局部较大的塑性应变是由于局部应力集中而引起。各个断面塑性应变发展如表3所示。

表3 边坡最大塑性应变

由表3可见，第一次开挖后塑性应变比初始应力下的塑性应变大，第二次开挖后的塑性应变比第一次开挖后的塑性应变大，表明第一次开挖与第二次开挖后塑性应变发展迅速，边坡失去稳定。但是在支护后，塑性应变明显减小，比第二次开挖后的塑变小两个数量级左右，表明高切坡支护方案能有效控制边坡塑性区发展，支护方案是有效的。

4.3.2 选取临近建筑物底部由于开挖引起的建筑物附加水平和竖向位移，来判断临近建筑的总体沉降、倾斜问题和不均匀沉降。

本文以会展中心拓展工程3-3的计算结果为例。3-3断面形成基坑深度达到27m左右，边坡计算高度内有J1和J2裂隙，距离边坡45m处为扬子江酒店。扬子江酒店是地上22层、地下1层的大楼。如表4所示，为基坑顶建筑物范围内5个点的附加位移，1～5个节点由近到远均匀分布在建筑物底部。

表4 3-3断面基坑顶建筑范围内节点附加位移

由以上数据可以得出深基坑施工对临近建筑物的影响规律：

（1）同一工况下，距离基坑越近沉降越大，即建筑物倾斜方向是朝向基坑的，产生了沿坡脚的剪切滑动面，应该考虑静止侧向压力，如图3所示。

根据数值分析结果，取出不同工况下建筑物底部左右节点1、5的附加竖向位移值，定义其位移差Δ=Ydisp(1)-Ydisp (5)，L为1、5两点水平距离24m，Δ/L即为倾斜幅度，如表5所示。

由表5数据可知，每个工况下的建筑物倾斜幅度绝对值均小于规范规定的量值(0．002～ 0．004)。说明该场地和地质情况下，基坑开挖对临近建筑物的影响均在规范允许范围之内。

（2）各点的附加沉降相差不大，不均匀沉降不明显，对建筑物的影响不大，且总的沉降值满足规范要求。

（3）附加下沉增量和水平增量最大值都发生在工况3（全部开挖），加支护后大幅减少，说明所采用的支护可以有效地减小基坑开挖对临近建筑物的不利影响。

图3 建筑物倾斜方向

5 结语

5．1本文通过有限元模拟了初始地应力场、边坡开挖和桩锚支护等6个工况，得出基坑支护对临近边坡的建筑物控制效果，表明高切坡支护方案能有效控制边坡塑性区发展，支护方案是有效的。

5．2控制深基坑开挖对临近建筑的影响，主要是控制基坑自身的稳定。本文从位移影响、应力影响、塑性区三方面评价了深基坑自身的稳定。由计算结果知，各个工况下，边坡都是稳定的。

5．3控制深基坑开挖对临近建筑物的影响，还必须控制由于基坑开挖引起附加位移对建筑物的不利影响。本文选取边坡顶建筑物范围内5均布点的水平和竖直附加位移，来判断临近建筑物的总体沉降、倾斜问题和不均匀沉降，分析表明建筑物是稳定的。

表5 建筑物的倾斜弧度

[1]薛莲，傅晏，刘新荣．深基坑开挖对临近建筑物的影响研究[J]．地下空间与工程学报，第4卷第5期，2008年10月

[2]高学伸，邹厚存，蒋毕忠．质量检测[R]．第28卷2010年第4期．[3]JGJ 120-1999，建筑基坑支护技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社，1999.

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责任编辑：余咏梅

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

论文：建设部节能省地型建筑科技示范工程项目；重庆市建设科技计划项目。

10.3969／j.issn.1671-9107.2010.9.041

2010-7-16

刘勇（1985-），女，重庆长寿人，硕士研究生，主要从事结构计算方向。导师：李英民（1968-），男，山东无棣人，工学博士，教授，博士生导师，重庆大学土木工程学院副院长，主要从事工程结构地震动输入、结构抗震设计方法等研究。