基坑開挖與鄰近高層建筑施工耦合模擬研究

戴仕鵬 吳永紅，2 徐世端

(1.昆明理工大學建筑工程學院 昆明 650500； 2.云南博航交通科技有限公司 昆明 650000；3. 云南省曲靖市設計研究院有限責任公司高新分公司 昆明 650000)

0 引言

近年來，隨著城市化進程的加快，巖土工程領域出現了大量深基坑與高層建筑動態耦合作用的工程。這些基坑工程往往鄰近正在施工的高層建筑，包括基坑開挖至坑底，鄰近高層建筑開始施工與相鄰高層建筑正在施工時基坑也開始開挖兩種類型。基坑開挖對土體是一個卸載的過程，可能引起附近地表的沉降和鄰近施工狀態是動態變化的過程，也將引起基坑側壁土壓力的增加，影響基坑的安全性，進而影響自身的安全性，給基坑設計帶來更大風險。

近年隨著計算機的發展，利用數值計算軟件對巖土工程問題進行定量與定性分析成為一種發展趨勢；劉燕等[1]利用二維有限元進行數值計算，分析了基坑開挖對周圍巖土體位移場、應力場及基坑結構參數的變化影響；張曉峰等[2]通過有限元計算對開挖造成的主樓樁基與地基土的相互作用機理的分析，表明樁對土的約束作用限制在一定范圍內；張紅宇等[3]通過對基坑開挖和支護過程實時監測土體與支護結構的應力和變形情況，總結變化特征與規律；易文迪等[4]采用了以CSM工法構建的等厚度水泥土攪拌墻新工藝,成功實現了臨江超大面積深基坑的設計；胡耘等[5]以上海虹橋商務區D13街坊項目的設計和實踐為例,介紹了“樁墻合一”技術和TRD水泥土攪拌墻兩項巖土工程新技術在基坑工程的應用，取得了良好的效果。

在過去學者的研究中，對于基坑開挖及鄰近建筑的耦合影響在動態的情形，主要集中于基坑開挖對臨近建筑的影響[6-11]，對于正在施工的臨近高層建筑對基坑穩定性的研究較少。

本文利用MIDAS GTS-NX有限元軟件模擬基坑開挖及鄰近高層建筑施工的耦合作用，為了模型的簡便性，模型中假設該高層地下室施工為一個施工階段進行簡化，只分步施工地面部分。計算中模擬了基坑開挖及鄰近正在施工的實際過程，討論了其耦合影響，并對鄰近正在施工主體建筑的基坑工程的選址及初步設計及支護方案提供一定建議。

1 基坑變形類型及影響因素

基坑由于卸荷主要影響有基坑側壁、基坑坑底及基坑周圍的巖土體的應力場和應變場的改變。其外在表現特征為基坑坑內土體隆起、支護結構的側向變形、基坑周圍的地表沉降、鄰近建(構)筑物不均勻沉降，建筑主體傾斜于開裂，嚴重情況甚至會導致建筑物倒塌。

1.1 基坑開挖變形類型

根據基坑支護結構的水平變形與周圍地表沉降值的比值、地表沉降值大小與影響范圍的關系，基坑開挖的變形可分為大變形和小變形兩種。

產生大變形的基坑工程雖然未出現坍塌事故，但是由于基坑側壁變形過大，引起基坑周圍巖土體產生較大沉降。如果這種狀態下的基坑位于地面建筑密集、地下工程及地下管線分布復雜的周邊環境下,必然會導致鄰近建筑物的不均勻沉降，建筑物主體產生傾斜和開裂，也會導致地下管線及地下工程破壞，在此基礎上可能進一步導致基坑變形加大，甚至出現垮塌事故。在目前的設計中，大變形狀態基坑很少出現了，但是由于周邊環境的敏感性，比如基坑鄰近高層建筑，小變形狀態的基坑(位移小于10 mm)也是不允許的。在基坑的設計中，不僅要考慮基坑本身的穩定性，還需要考慮對周邊環境的影響，確保鄰近建筑物的安全。

1.2 基坑開挖變形影響因素

影響基坑開挖變形主要因素有兩個，分別如下：

(1)基坑支護結構變形?；又ёo結構的變形主要受巖土體本身的物理力學性質影響，也和支護結構本身的剛度、入土深度及影響區域內的外荷載有關。

(2)基坑坑內土體隆起?；觾犬a生隆起的主要原因是一次開挖量的大小，也就是開挖面積、開挖深度及開挖的時間，在存在工程樁情況下，也受到工程樁的數量、分布情況及樁長的影響。

2 模型概況

該基坑模型為矩形，基坑規模較小，長50 m,寬40 m，開挖面積2 000 m2，基坑周長180 m；基坑整體開挖深度為10 m?；优杂幸粭澱谑┕さ母邔咏ㄖ?，該高層距離基坑支護邊界10 m，高度為90 m,主體部分尺寸為42 m×26 m，地下室埋深為7.5 m。高層的地下室施工完成，主體施工與基坑開挖同步進行，環境敏感度高，外荷載處于動態變化，且基坑開挖與鄰近建筑主體施工相互耦合。

基坑與鄰近高層的平面布置如圖1所示:

圖1 基坑與鄰近高層的平面布置圖(單位：m)

基坑模型開挖范圍內無地下水分布。覆蓋層土層依次為：1—雜填土、2—素填土、3—粘土、4—含礫粉質黏土、5—粉質黏土、6—粉土、7—粘土、8—粉土、9—強風化泥巖(以下對各土層簡稱其層號)。

本基坑模型側壁主要由1、2、3、4層組成，1、2、3層土強度低、壓縮性好、敏感性高，對支護結構控制變形不利。

3 有限模型建立

基坑開挖是一個巖土體、支護結構及周邊環境共同作用的復雜過程，巖土體本構關系的選擇是建立數值模型的關鍵過程。本模型選擇工程中常用的摩爾-庫倫模型，其主要參數為粘聚力c和內摩擦角φ。

本基坑采用1 m厚的地連墻支護體系，模型的參數如表1、表2及表3所示，基坑周圍的施工荷載取20 kPa，每5層鄰近高層建筑樁頂附加荷載為-60 kN。

表1 地連墻計算參數

表2 鄰近高層建筑計算參數

表3 巖土體本構計算參數

基坑與鄰近建筑的有限元模型見圖2。

圖2 基坑與鄰近建筑的有限元模型

4 基坑開挖及鄰近建筑施工全過程模擬

4.1 施工階段

文中采用有限元軟件MIDAS GTS-NX模擬其施工過程，各施工階段如表4所示。

表4 基坑開挖及鄰近建筑施工階段

4.2 數值模擬結果分析

4.2.1 基坑坑頂在各個施工階段的水平位移分析

基坑坑頂在各個施工階段的水平位移如圖3所示。在施工階段1—2中，基坑兩側工況一致，模擬結果坑頂位移一致。

圖3 基坑坑頂水平位移

在施工階段3—4中，基坑左右兩側存在工況差異，因此基坑坑頂水平位移存在差異，基坑受到鄰近建筑影響的坑頂水平位移為7.8 mm,未受到影響的位移為4.6 mm，但由于鄰近建筑單根樁基受力僅為-60 kN，基坑開挖深度為5 m，因此坑頂位移受到的影響較小，由此說明在實際工程中，由于基坑開挖深度及鄰近建筑的荷載較小時，坑頂水平位移受到鄰近建筑的影響可忽略不計。

在施工階段5中，基坑開挖深度為10 m，鄰近建筑單根樁承載力為-180 kN，基坑受到鄰近建筑影響的坑頂水平位移為38.1 mm,未受到影響的坑頂水平位移為29.4 mm，由于坑深較大，且單樁荷載較大，基坑兩側位移存在較大差距。分析其原因是樁頂荷載通過樁基礎與土的作用，增大的土體對支護結構的水平作用，使支護結構的變形相應增加。在實際工程設計中，在這種情況下，應該充分考慮鄰近建筑對基坑水平位移的影響,適當將該部位的支護結構進行加強。

在施工階段6—8中，未受鄰近建筑影響基坑一側由于沒有荷載影響，且不考慮土體蠕變作用，基坑坑頂水平位移保持不變；受鄰近建筑影響基坑一側由于鄰近建筑繼續施工，其單樁荷載由-180 kN增加到-300 kN,基坑坑頂位移也相應從38.1 mm增加至58.3 mm，基坑坑頂變形遠大于允許值，該基坑存在較大的風險。在實際基坑的設計中，應當充分考慮該因素對基坑坑頂位移的影響。

4.2.2基坑-5 m處土體應力隨施工工況變化分析

基坑-5 m處土體水平應力隨施工工況變化如圖4所示，在施工階段1-2的模擬中，由于工況相同，模擬結果為應力一致。

圖4 基坑-5 m處土體水平應力變化

在施工階段3-4中，基坑左右兩側存在工況差異，導致基坑兩側的土體應力存在差異，在施工階段3中，應力差異為3.75 kPa,出現該差異的原因是基坑右側進行地下室施工。施工階段4中土體應力差異為6.24 kPa，由于基坑左側的鄰近建筑施工了1～5層，上部結構荷載增加，且鄰近建筑距離坑邊緣為2倍坑深，鄰近建筑施工仍對基坑開挖土體應力產生影響。

在施工階段5中，由于基坑開挖深度增加至-10 m，同時基坑左側建筑施工6～15層，土體應力差變為6.76 kPa，該差異的產生是由于鄰近地下室埋深小于基坑開挖深度，且鄰近建筑距離為1倍基坑開挖深度，上部荷載通過樁傳遞至土體，導致土體應力差增大。

在施工階段6—8中，基坑左側土體應力保持穩定，基坑右側土體應力逐漸增加且為直線變化，土體應力差異由7.73 kPa增加至11.42 kPa，在6—8施工階段出現土體應力差異主要是因為鄰近建筑施工，上部荷載增加。

綜合分析可以得出基坑開挖與鄰近建筑施工具有耦合作用，影響基坑側壁土體應力狀態，當基坑開挖深度僅為5 m且距離為2倍基坑開挖深度時仍然有較大影響；當基坑開挖深度達到1倍距離時，影響更大；在基坑開挖深度達到-10 m時，樁頂荷載達到-180 kN時，當繼續增加樁頂荷載時，對土體的應力影響趨于穩定。

在平時的工程設計中，我們常常會將有鄰近建筑影響的基坑的土壓力進行折減，但在建筑距離基坑邊線較小時，往往不應該進行折減，反而應該作為重點區域考慮，鄰近建筑的荷載會對基坑安全性產生較大影響。

4.2.3基坑支護結構地連墻在觀光樓施工與基坑開挖的應力變化

在基坑開挖與鄰近建筑地面部分施工過程中，基坑支護結構地連墻的應力云圖如圖5～圖9所示。

圖5 基坑開挖至-5 m與鄰近建筑施工1～5層時地連墻x軸向應力云圖

圖6 基坑開挖至-10 m與鄰近建筑施工6～15層時地連墻x軸向應力云圖

圖7 基坑開挖至-10 m與鄰近建筑施工15～20層時地連墻x軸向應力云圖

圖8 基坑開挖至-10 m與鄰近建筑施工21～25層時地連墻x軸向應力云圖

圖9 基坑開挖至-10 m與鄰近建筑施工26～30層時地連墻x軸向應力云圖

隨著施工階段的發展，鄰近施工高層建筑與遠離施工建筑的-10 m處地連墻在角點和非角點位置的應力變化如圖10～圖11所示。

圖10 地連墻角點處x向的應力變化

圖11 地連墻非角點處x向的應力變化

在施工階段2—3中，本文假設地連墻的應力為0，地連墻中應力全部由基坑開挖和鄰近觀光樓施工引起。

在施工階段4—8中，基坑支護結構地連墻的x方向合應力變化呈增長趨勢，在角點處的地連墻受到與其垂直的地連墻約束，導致鄰近施工高層建筑處地連墻角點附近的地連墻的應力與其他位置存在較大差異，最大差異階段為第5施工階段，最大差異值為172.8 kPa。

地連墻角點處應力大小在施工階段4—5中由于基坑開挖與鄰近建筑施工，地連墻角點處存在應力集中，受到外荷載的影響明顯；但在6—8施工階段中，未受鄰近建筑施工影響的地連墻角點處的應力保持穩定狀態，受到鄰近建筑影響的地連墻應力值呈線性增加；從第6施工階段開始，基坑兩側地連墻應力差值均為鄰近建筑施工引起，在第8施工階段應力差達到47.3 kPa。

在施工階段4—5中，基坑開挖，但在開挖過程中，地連墻的埋深較大，同時鄰近施工建筑施加的荷載較小，受到鄰近施工建筑影響較小，應力主要受到基坑開挖的影響；但在6—8施工階段中，基坑開挖完畢后，地連墻埋深僅為10 m,懸臂較大，同時由于鄰近建筑施工的荷載不斷增加，導致地連墻應力變化較大,受到鄰近建筑物施工影響，兩側應力差達到104.2 kPa。

在地連墻的設計中要充分考慮鄰近建筑物施工導致主體荷載改變對于基坑支護結構的影響。

5 結論

(1)基坑的開挖與鄰近建筑施工存在耦合作用。

(2)模型計算中基坑支護結構的位移受鄰近建筑荷載影響較大，其位移最大差為10.1 mm。

(3)基坑側壁土體應力也隨鄰近建筑施工荷載的改變而改變，隨著鄰近荷載增加，土體應力逐漸增加，但隨著荷載增加會呈現穩定增加的特征。

(4)基坑支護結構角點處與非角點處應力差較大，在設計中因充分考慮；對于支護結構角點，受到鄰近建筑施工影響較小，但是非角點位置受鄰近建筑施工影響較大，在設計中應充分考慮該因素。