基坑开挖与邻近高层建筑施工耦合模拟研究

戴仕鹏 吴永红，2 徐世端

(1.昆明理工大学建筑工程学院 昆明 650500； 2.云南博航交通科技有限公司 昆明 650000；3. 云南省曲靖市设计研究院有限责任公司高新分公司 昆明 650000)

0 引言

近年来，随着城市化进程的加快，岩土工程领域出现了大量深基坑与高层建筑动态耦合作用的工程。这些基坑工程往往邻近正在施工的高层建筑，包括基坑开挖至坑底，邻近高层建筑开始施工与相邻高层建筑正在施工时基坑也开始开挖两种类型。基坑开挖对土体是一个卸载的过程，可能引起附近地表的沉降和邻近施工状态是动态变化的过程，也将引起基坑侧壁土压力的增加，影响基坑的安全性，进而影响自身的安全性，给基坑设计带来更大风险。

近年随着计算机的发展，利用数值计算软件对岩土工程问题进行定量与定性分析成为一种发展趋势；刘燕等[1]利用二维有限元进行数值计算，分析了基坑开挖对周围岩土体位移场、应力场及基坑结构参数的变化影响；张晓峰等[2]通过有限元计算对开挖造成的主楼桩基与地基土的相互作用机理的分析，表明桩对土的约束作用限制在一定范围内；张红宇等[3]通过对基坑开挖和支护过程实时监测土体与支护结构的应力和变形情况，总结变化特征与规律；易文迪等[4]采用了以CSM工法构建的等厚度水泥土搅拌墙新工艺,成功实现了临江超大面积深基坑的设计；胡耘等[5]以上海虹桥商务区D13街坊项目的设计和实践为例,介绍了“桩墙合一”技术和TRD水泥土搅拌墙两项岩土工程新技术在基坑工程的应用，取得了良好的效果。

在过去学者的研究中，对于基坑开挖及邻近建筑的耦合影响在动态的情形，主要集中于基坑开挖对临近建筑的影响[6-11]，对于正在施工的临近高层建筑对基坑稳定性的研究较少。

本文利用MIDAS GTS-NX有限元软件模拟基坑开挖及邻近高层建筑施工的耦合作用，为了模型的简便性，模型中假设该高层地下室施工为一个施工阶段进行简化，只分步施工地面部分。计算中模拟了基坑开挖及邻近正在施工的实际过程，讨论了其耦合影响，并对邻近正在施工主体建筑的基坑工程的选址及初步设计及支护方案提供一定建议。

1 基坑变形类型及影响因素

基坑由于卸荷主要影响有基坑侧壁、基坑坑底及基坑周围的岩土体的应力场和应变场的改变。其外在表现特征为基坑坑内土体隆起、支护结构的侧向变形、基坑周围的地表沉降、邻近建(构)筑物不均匀沉降，建筑主体倾斜于开裂，严重情况甚至会导致建筑物倒塌。

1.1 基坑开挖变形类型

根据基坑支护结构的水平变形与周围地表沉降值的比值、地表沉降值大小与影响范围的关系，基坑开挖的变形可分为大变形和小变形两种。

产生大变形的基坑工程虽然未出现坍塌事故，但是由于基坑侧壁变形过大，引起基坑周围岩土体产生较大沉降。如果这种状态下的基坑位于地面建筑密集、地下工程及地下管线分布复杂的周边环境下,必然会导致邻近建筑物的不均匀沉降，建筑物主体产生倾斜和开裂，也会导致地下管线及地下工程破坏，在此基础上可能进一步导致基坑变形加大，甚至出现垮塌事故。在目前的设计中，大变形状态基坑很少出现了，但是由于周边环境的敏感性，比如基坑邻近高层建筑，小变形状态的基坑(位移小于10 mm)也是不允许的。在基坑的设计中，不仅要考虑基坑本身的稳定性，还需要考虑对周边环境的影响，确保邻近建筑物的安全。

1.2 基坑开挖变形影响因素

影响基坑开挖变形主要因素有两个，分别如下：

(1)基坑支护结构变形。基坑支护结构的变形主要受岩土体本身的物理力学性质影响，也和支护结构本身的刚度、入土深度及影响区域内的外荷载有关。

(2)基坑坑内土体隆起。基坑内产生隆起的主要原因是一次开挖量的大小，也就是开挖面积、开挖深度及开挖的时间，在存在工程桩情况下，也受到工程桩的数量、分布情况及桩长的影响。

2 模型概况

该基坑模型为矩形，基坑规模较小，长50 m,宽40 m，开挖面积2 000 m2，基坑周长180 m；基坑整体开挖深度为10 m。基坑旁有一栋正在施工的高层建筑，该高层距离基坑支护边界10 m，高度为90 m,主体部分尺寸为42 m×26 m，地下室埋深为7.5 m。高层的地下室施工完成，主体施工与基坑开挖同步进行，环境敏感度高，外荷载处于动态变化，且基坑开挖与邻近建筑主体施工相互耦合。

基坑与邻近高层的平面布置如图1所示:

图1 基坑与邻近高层的平面布置图(单位：m)

基坑模型开挖范围内无地下水分布。覆盖层土层依次为：1—杂填土、2—素填土、3—粘土、4—含砾粉质黏土、5—粉质黏土、6—粉土、7—粘土、8—粉土、9—强风化泥岩(以下对各土层简称其层号)。

本基坑模型侧壁主要由1、2、3、4层组成，1、2、3层土强度低、压缩性好、敏感性高，对支护结构控制变形不利。

3 有限模型建立

基坑开挖是一个岩土体、支护结构及周边环境共同作用的复杂过程，岩土体本构关系的选择是建立数值模型的关键过程。本模型选择工程中常用的摩尔-库伦模型，其主要参数为粘聚力c和内摩擦角φ。

本基坑采用1 m厚的地连墙支护体系，模型的参数如表1、表2及表3所示，基坑周围的施工荷载取20 kPa，每5层邻近高层建筑桩顶附加荷载为-60 kN。

表1 地连墙计算参数

表2 邻近高层建筑计算参数

表3 岩土体本构计算参数

基坑与邻近建筑的有限元模型见图2。

图2 基坑与邻近建筑的有限元模型

4 基坑开挖及邻近建筑施工全过程模拟

4.1 施工阶段

文中采用有限元软件MIDAS GTS-NX模拟其施工过程，各施工阶段如表4所示。

表4 基坑开挖及邻近建筑施工阶段

4.2 数值模拟结果分析

4.2.1 基坑坑顶在各个施工阶段的水平位移分析

基坑坑顶在各个施工阶段的水平位移如图3所示。在施工阶段1—2中，基坑两侧工况一致，模拟结果坑顶位移一致。

图3 基坑坑顶水平位移

在施工阶段3—4中，基坑左右两侧存在工况差异，因此基坑坑顶水平位移存在差异，基坑受到邻近建筑影响的坑顶水平位移为7.8 mm,未受到影响的位移为4.6 mm，但由于邻近建筑单根桩基受力仅为-60 kN，基坑开挖深度为5 m，因此坑顶位移受到的影响较小，由此说明在实际工程中，由于基坑开挖深度及邻近建筑的荷载较小时，坑顶水平位移受到邻近建筑的影响可忽略不计。

在施工阶段5中，基坑开挖深度为10 m，邻近建筑单根桩承载力为-180 kN，基坑受到邻近建筑影响的坑顶水平位移为38.1 mm,未受到影响的坑顶水平位移为29.4 mm，由于坑深较大，且单桩荷载较大，基坑两侧位移存在较大差距。分析其原因是桩顶荷载通过桩基础与土的作用，增大的土体对支护结构的水平作用，使支护结构的变形相应增加。在实际工程设计中，在这种情况下，应该充分考虑邻近建筑对基坑水平位移的影响,适当将该部位的支护结构进行加强。

在施工阶段6—8中，未受邻近建筑影响基坑一侧由于没有荷载影响，且不考虑土体蠕变作用，基坑坑顶水平位移保持不变；受邻近建筑影响基坑一侧由于邻近建筑继续施工，其单桩荷载由-180 kN增加到-300 kN,基坑坑顶位移也相应从38.1 mm增加至58.3 mm，基坑坑顶变形远大于允许值，该基坑存在较大的风险。在实际基坑的设计中，应当充分考虑该因素对基坑坑顶位移的影响。

4.2.2基坑-5 m处土体应力随施工工况变化分析

基坑-5 m处土体水平应力随施工工况变化如图4所示，在施工阶段1-2的模拟中，由于工况相同，模拟结果为应力一致。

图4 基坑-5 m处土体水平应力变化

在施工阶段3-4中，基坑左右两侧存在工况差异，导致基坑两侧的土体应力存在差异，在施工阶段3中，应力差异为3.75 kPa,出现该差异的原因是基坑右侧进行地下室施工。施工阶段4中土体应力差异为6.24 kPa，由于基坑左侧的邻近建筑施工了1～5层，上部结构荷载增加，且邻近建筑距离坑边缘为2倍坑深，邻近建筑施工仍对基坑开挖土体应力产生影响。

在施工阶段5中，由于基坑开挖深度增加至-10 m，同时基坑左侧建筑施工6～15层，土体应力差变为6.76 kPa，该差异的产生是由于邻近地下室埋深小于基坑开挖深度，且邻近建筑距离为1倍基坑开挖深度，上部荷载通过桩传递至土体，导致土体应力差增大。

在施工阶段6—8中，基坑左侧土体应力保持稳定，基坑右侧土体应力逐渐增加且为直线变化，土体应力差异由7.73 kPa增加至11.42 kPa，在6—8施工阶段出现土体应力差异主要是因为邻近建筑施工，上部荷载增加。

综合分析可以得出基坑开挖与邻近建筑施工具有耦合作用，影响基坑侧壁土体应力状态，当基坑开挖深度仅为5 m且距离为2倍基坑开挖深度时仍然有较大影响；当基坑开挖深度达到1倍距离时，影响更大；在基坑开挖深度达到-10 m时，桩顶荷载达到-180 kN时，当继续增加桩顶荷载时，对土体的应力影响趋于稳定。

在平时的工程设计中，我们常常会将有邻近建筑影响的基坑的土压力进行折减，但在建筑距离基坑边线较小时，往往不应该进行折减，反而应该作为重点区域考虑，邻近建筑的荷载会对基坑安全性产生较大影响。

4.2.3基坑支护结构地连墙在观光楼施工与基坑开挖的应力变化

在基坑开挖与邻近建筑地面部分施工过程中，基坑支护结构地连墙的应力云图如图5～图9所示。

图5 基坑开挖至-5 m与邻近建筑施工1～5层时地连墙x轴向应力云图

图6 基坑开挖至-10 m与邻近建筑施工6～15层时地连墙x轴向应力云图

图7 基坑开挖至-10 m与邻近建筑施工15～20层时地连墙x轴向应力云图

图8 基坑开挖至-10 m与邻近建筑施工21～25层时地连墙x轴向应力云图

图9 基坑开挖至-10 m与邻近建筑施工26～30层时地连墙x轴向应力云图

随着施工阶段的发展，邻近施工高层建筑与远离施工建筑的-10 m处地连墙在角点和非角点位置的应力变化如图10～图11所示。

图10 地连墙角点处x向的应力变化

图11 地连墙非角点处x向的应力变化

在施工阶段2—3中，本文假设地连墙的应力为0，地连墙中应力全部由基坑开挖和邻近观光楼施工引起。

在施工阶段4—8中，基坑支护结构地连墙的x方向合应力变化呈增长趋势，在角点处的地连墙受到与其垂直的地连墙约束，导致邻近施工高层建筑处地连墙角点附近的地连墙的应力与其他位置存在较大差异，最大差异阶段为第5施工阶段，最大差异值为172.8 kPa。

地连墙角点处应力大小在施工阶段4—5中由于基坑开挖与邻近建筑施工，地连墙角点处存在应力集中，受到外荷载的影响明显；但在6—8施工阶段中，未受邻近建筑施工影响的地连墙角点处的应力保持稳定状态，受到邻近建筑影响的地连墙应力值呈线性增加；从第6施工阶段开始，基坑两侧地连墙应力差值均为邻近建筑施工引起，在第8施工阶段应力差达到47.3 kPa。

在施工阶段4—5中，基坑开挖，但在开挖过程中，地连墙的埋深较大，同时邻近施工建筑施加的荷载较小，受到邻近施工建筑影响较小，应力主要受到基坑开挖的影响；但在6—8施工阶段中，基坑开挖完毕后，地连墙埋深仅为10 m,悬臂较大，同时由于邻近建筑施工的荷载不断增加，导致地连墙应力变化较大,受到邻近建筑物施工影响，两侧应力差达到104.2 kPa。

在地连墙的设计中要充分考虑邻近建筑物施工导致主体荷载改变对于基坑支护结构的影响。

5 结论

(1)基坑的开挖与邻近建筑施工存在耦合作用。

(2)模型计算中基坑支护结构的位移受邻近建筑荷载影响较大，其位移最大差为10.1 mm。

(3)基坑侧壁土体应力也随邻近建筑施工荷载的改变而改变，随着邻近荷载增加，土体应力逐渐增加，但随着荷载增加会呈现稳定增加的特征。

(4)基坑支护结构角点处与非角点处应力差较大，在设计中因充分考虑；对于支护结构角点，受到邻近建筑施工影响较小，但是非角点位置受邻近建筑施工影响较大，在设计中应充分考虑该因素。