商業(yè)文化中心深基坑施工對(duì)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(xué)土木工程學(xué)院重慶4000452重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院重慶400037）

商業(yè)文化中心深基坑施工對(duì)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(xué)土木工程學(xué)院重慶4000452重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院重慶400037）

深基坑的穩(wěn)定是地下空間施工的重點(diǎn)和難點(diǎn)，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(hù)周邊建筑結(jié)構(gòu)。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(duì)臨近建筑物的不利影響，然后用ANSYS對(duì)6個(gè)工況做了彈塑性有限元分析，并從基坑自身的穩(wěn)定和臨近建筑物的不均勻沉降兩個(gè)方面，評(píng)價(jià)了支護(hù)方案的可靠性和深基坑施工對(duì)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(guī)模的發(fā)展，人口的增長(zhǎng)，現(xiàn)有商業(yè)文化中心基礎(chǔ)設(shè)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(fā)的最有效途徑，可以有效緩解商業(yè)文化中心擁擠的現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)人車立體分流、疏導(dǎo)交通，擴(kuò)充基礎(chǔ)設(shè)施容量，增加城市綠地，保持城市歷史文化景觀，減少環(huán)境污染，改善城市生態(tài)環(huán)境。如果說地下空間施工的重點(diǎn)和難點(diǎn)是深基坑的穩(wěn)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(hù)周邊建筑結(jié)構(gòu)。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(duì)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(duì)兩邊建筑物的影響規(guī)律。

2 工程概況及水文地質(zhì)條件

南坪中心交通樞紐工程位于連接長(zhǎng)江大橋與南岸區(qū)的主要交通干線上，主要包括南坪環(huán)道改造工程、南坪南北路改造工程、重慶國際會(huì)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(huì)展中心二期拓展工程為例，討論了深基坑施工對(duì)臨近建筑的影響。

受山城地形地貌及周邊開發(fā)情況等客觀條件的制約，重慶會(huì)展中心的展廳面積及廣場(chǎng)面積已經(jīng)不能滿足不斷擴(kuò)大的會(huì)展規(guī)模的需求，故需對(duì)一期工程進(jìn)行拓展。通過方案比較，擬定通過設(shè)置下穿道組織快速過境交通、通過設(shè)置環(huán)道組織環(huán)道交通、通過設(shè)置卸貨通道組織貨運(yùn)交通等方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)會(huì)展中心的拓展。經(jīng)調(diào)查，整個(gè)施工場(chǎng)地內(nèi)巖體較完整，無斷層通過，有兩組構(gòu)造裂隙（J1、J2），且無崩塌、滑坡、泥石流等不良地質(zhì)現(xiàn)象，無地下水。

3 深基坑開挖對(duì)臨近建筑物的影響

重慶國際會(huì)展中心二期拓展工程基坑最大開挖深度達(dá)到27m以上。兩側(cè)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(dāng)，將嚴(yán)重影響周邊建筑的安全，甚至導(dǎo)致周圍建筑出現(xiàn)嚴(yán)重開裂、傾斜、倒塌等危險(xiǎn)。深基坑施工給周邊建筑帶來的影響具體表現(xiàn)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(huì)產(chǎn)生沉降。通常在深基坑施工過程中，沉降分為三個(gè)階段：①均勻沉降階段。均勻沉降對(duì)周邊建筑物的影響較??；②差異沉降階段。這一階段各測(cè)點(diǎn)發(fā)生明顯的差異沉降，對(duì)臨近建筑物的影響較大，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)嚴(yán)重的開裂；③沉降加速階段。這階段各點(diǎn)差異沉降繼續(xù)增大，沉降速率也大幅度增加。雖然沉降最終趨于穩(wěn)定，但是會(huì)嚴(yán)重影響周邊建筑物的受力和抗震性能。

3.2 導(dǎo)致周邊建筑開裂

基坑開挖過程中引起的地表沉降會(huì)導(dǎo)致臨近建筑發(fā)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(shí)地反映邊坡的實(shí)際情況，并考慮深基坑施工對(duì)臨近建筑物的影響，有必要采用有限元分析方法進(jìn)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(duì)兩邊建筑物的影響。

4.1 斷面選擇

基于本工程地質(zhì)環(huán)境和坡頂建筑物等條件，選取有代表性的5個(gè)典型斷面進(jìn)行彈塑性有限元分析。5個(gè)典型斷面主要受巖石內(nèi)的裂隙J2控制。節(jié)理結(jié)構(gòu)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(jiǎn)化計(jì)算，近似按照平面問題進(jìn)行計(jì)算，計(jì)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(wǎng)估算上部結(jié)構(gòu)荷載，按照裙房與主樓分別均勻分布在建筑物基礎(chǔ)底部埋深處，邊坡荷載簡(jiǎn)化圖如圖1所示。

圖1 邊坡荷載簡(jiǎn)化圖

有限元模擬計(jì)算按6步進(jìn)行，分別模擬初始地應(yīng)力場(chǎng)、邊坡開挖和樁錨支護(hù)等過程。模擬第二步與第三步是為了通過對(duì)比得出支護(hù)對(duì)邊坡的控制效果。

第一步：模擬初始地應(yīng)力場(chǎng)；

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(hù)所有開挖斷面；

第五步：模擬逆作法施工，在第四步的基礎(chǔ)上開挖整個(gè)邊坡；

第六步：在第五步的基礎(chǔ)上，支護(hù)邊坡還未支護(hù)部分，使整個(gè)邊坡都形成支護(hù)。

下文給出了3-3斷面各個(gè)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(jié)果

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

4.3.1 從計(jì)算結(jié)果的三方面來評(píng)價(jià)深基坑自身的穩(wěn)定，即位移影響、應(yīng)力影響、塑性區(qū)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(duì)邊坡位移的控制

表2 各斷面主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

由表1結(jié)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(hù)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(guī)范要求。

（2）邊坡應(yīng)力

表2列出了基坑開挖后各斷面的應(yīng)力情況。

由表2可以知道各斷面在第三步的最大主拉應(yīng)力均超過巖石抗拉強(qiáng)度，且在支護(hù)后最大主拉應(yīng)力也超過抗拉強(qiáng)度，但是各斷面的最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)位置均不在J2處，所以對(duì)邊坡穩(wěn)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(yīng)力超過了巖石的抗壓強(qiáng)度，但在支護(hù)后最大主壓應(yīng)力迅速減小，低于巖石的抗壓強(qiáng)度，所以邊坡支護(hù)是有效的。

（3）塑性區(qū)發(fā)展

由分析結(jié)果知，各個(gè)斷面塑性應(yīng)變主要出現(xiàn)在J2節(jié)理面處和錨樁底部。在初始應(yīng)力下J2處的塑性應(yīng)變是由于有限元模擬時(shí)加載條件引起的，是計(jì)算模型的原因，而非真實(shí)的塑性變形，而支護(hù)后錨樁底部出現(xiàn)局部較大的塑性應(yīng)變是由于局部應(yīng)力集中而引起。各個(gè)斷面塑性應(yīng)變發(fā)展如表3所示。

表3 邊坡最大塑性應(yīng)變

由表3可見，第一次開挖后塑性應(yīng)變比初始應(yīng)力下的塑性應(yīng)變大，第二次開挖后的塑性應(yīng)變比第一次開挖后的塑性應(yīng)變大，表明第一次開挖與第二次開挖后塑性應(yīng)變發(fā)展迅速，邊坡失去穩(wěn)定。但是在支護(hù)后，塑性應(yīng)變明顯減小，比第二次開挖后的塑變小兩個(gè)數(shù)量級(jí)左右，表明高切坡支護(hù)方案能有效控制邊坡塑性區(qū)發(fā)展，支護(hù)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(huì)展中心拓展工程3-3的計(jì)算結(jié)果為例。3-3斷面形成基坑深度達(dá)到27m左右，邊坡計(jì)算高度內(nèi)有J1和J2裂隙，距離邊坡45m處為揚(yáng)子江酒店。揚(yáng)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(nèi)5個(gè)點(diǎn)的附加位移，1～5個(gè)節(jié)點(diǎn)由近到遠(yuǎn)均勻分布在建筑物底部。

表4 3-3斷面基坑頂建筑范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)附加位移

由以上數(shù)據(jù)可以得出深基坑施工對(duì)臨近建筑物的影響規(guī)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(chǎn)生了沿坡腳的剪切滑動(dòng)面，應(yīng)該考慮靜止側(cè)向壓力，如圖3所示。

根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果，取出不同工況下建筑物底部左右節(jié)點(diǎn)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(diǎn)水平距離24m，Δ/L即為傾斜幅度，如表5所示。

由表5數(shù)據(jù)可知，每個(gè)工況下的建筑物傾斜幅度絕對(duì)值均小于規(guī)范規(guī)定的量值(0．002～ 0．004)。說明該場(chǎng)地和地質(zhì)情況下，基坑開挖對(duì)臨近建筑物的影響均在規(guī)范允許范圍之內(nèi)。

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

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

圖3 建筑物傾斜方向

5 結(jié)語

5．1本文通過有限元模擬了初始地應(yīng)力場(chǎng)、邊坡開挖和樁錨支護(hù)等6個(gè)工況，得出基坑支護(hù)對(duì)臨近邊坡的建筑物控制效果，表明高切坡支護(hù)方案能有效控制邊坡塑性區(qū)發(fā)展，支護(hù)方案是有效的。

5．2控制深基坑開挖對(duì)臨近建筑的影響，主要是控制基坑自身的穩(wěn)定。本文從位移影響、應(yīng)力影響、塑性區(qū)三方面評(píng)價(jià)了深基坑自身的穩(wěn)定。由計(jì)算結(jié)果知，各個(gè)工況下，邊坡都是穩(wěn)定的。

5．3控制深基坑開挖對(duì)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(duì)建筑物的不利影響。本文選取邊坡頂建筑物范圍內(nèi)5均布點(diǎn)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(wěn)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(duì)臨近建筑物的影響研究[J]．地下空間與工程學(xué)報(bào)，第4卷第5期，2008年10月

[2]高學(xué)伸，鄒厚存，蔣畢忠．質(zhì)量檢測(cè)[R]．第28卷2010年第4期．[3]JGJ 120-1999，建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，1999.

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責(zé)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(shè)部節(jié)能省地型建筑科技示范工程項(xiàng)目；重慶市建設(shè)科技計(jì)劃項(xiàng)目。

10.3969／j.issn.1671-9107.2010.9.041

2010-7-16

劉勇（1985-），女，重慶長(zhǎng)壽人，碩士研究生，主要從事結(jié)構(gòu)計(jì)算方向。導(dǎo)師：李英民（1968-），男，山東無棣人，工學(xué)博士，教授，博士生導(dǎo)師，重慶大學(xué)土木工程學(xué)院副院長(zhǎng)，主要從事工程結(jié)構(gòu)地震動(dòng)輸入、結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法等研究。