具有相鄰建筑結構的基坑開挖影響性解析

尹海松，李紀果，趙青羽，丁國治，劉伯江

（中建二局第一建筑工程有限公司，北京100176）

1 引言

相鄰建筑結構的基坑開挖影響性研究，是針對城市化建設中，高層建筑數量增多，加上地下工程范圍擴大，建筑密集度增加，在這種情況下，如果不能對基坑開挖科學處理，必然會影響周圍相鄰建筑結構的安全。正因為如此，必須加大具有相鄰建筑結構的基坑開挖的影響性研究力度，注意新建基坑施工期間，隨時觀察周圍沉降情況，并且還要對地層移動提高重視。將基坑開挖對相鄰建筑結構穩定性的影響降到最低，同時保證基坑開挖施工質量。

2 具有相鄰建筑結構的基坑開挖影響性研究現狀

具有相鄰建筑結構的基坑開挖的影響性研究作為近些年建筑結構升級，穩定性保證的基礎，當下研究觀點眾多。參考陳志敏，歐陽康淼等人的研究，對當前基坑開挖對周圍相鄰建筑結構的影響的計算方法展開全面驗證，并且以彈性理論為基礎，總結出具有相鄰建筑結構的基坑開挖應力變化計算公式，研究的參考對象為隧道周圍土體[1]。隨著計算機技術與研究人員的增多，基坑工程中不同階段對周圍建筑結構影響，均可以通過有限元方法對位移等進行模擬，及時掌握現場實測數據，并且對比模擬結果，定量分析十分準確。這為具有相鄰建筑結構的基坑開挖影響性研究提供了有利條件，同時，為后期基坑施工研究以及對相鄰建筑結構穩定性的控制等提供參考[2]。

3 剖析影響基坑開挖出現變形的因素

對于基坑開挖施工來講，如果開挖期間不能做好防護處理，受到多方因素的影響，基坑開挖結構會出現變形。基坑開挖施工環境特殊，巖土體會對施工產生比較大的卸荷作用，基坑會出現不同程度的變化，尤其是底面、位移場以及側壁等。觀察基坑開挖變形，以土體隆起或者相鄰建筑結構發生明顯傾斜等表現為主。

3.1 明確基坑開挖變形特點

基坑開挖中，因為卸荷作用，基坑支護結構出現變形，加上地表沉降的影響，導致沉降量比值波動，所以基坑出現明顯變形。總結基坑開挖變形，具體特點如下：

1）大變形。基坑支護結構在出現大變形時，雖然坍塌并不嚴重，但是，基坑支護結構受到嚴重影響，沉降情況十分明顯[3]。這種情況下，若基坑位置處于密集建筑結構群，相鄰建筑結構會出現不同程度沉降，嚴重的情況下甚至出現開裂、失穩等。近些年，基坑施工技術不斷升級創新，對大變形下相鄰建筑結構受影響的情況控制得非常好，嚴重變形或者開裂等現象的出現率極低[4]。當然，若基坑施工期間遇到敏感建筑或者特殊建筑結構，基坑開挖施工還需要特別注意。

2）小變形。小變形主要指基坑支護結構變形并不明顯。但是，基坑施工計算不能局限于基坑施工本身，還需要考慮到周圍建筑結構[5]。具體設計不僅要對強度有效控制，還要將支擋結構內力有效控制，能夠將其影響性降到最低，由此來提高基坑施工、相鄰建筑結構的安全性。

3.2 影響因素剖析

基坑卸載影響因素主要體現在3方面：（1）基坑支護結構出現明顯位移變形。排除不可避免的物理力學性質等因素，基坑施工期間，剛度的設定、入土深度的計算以及支撐體系選擇等都是主要影響因素[6]。此外，還要對錨桿支護處理提高關注度。（2）坑內土體隆起情況，影響因素以開挖面積、深度為主，同時卸荷時間、工程樁分布等也會對其造成影響。（3）坑周地表沉降[7]。

4 具有相鄰建筑結構的基坑開挖影響的有限元研究

4.1 基坑開挖工程介紹

此次研究主要參考某國際機場擴建項目。為滿足機場運行需要，規劃增加下穿通道，以箱涵形式，施工方法選擇明挖法。該項目屬于機場內部擴建，與空管指揮塔緊密相鄰，同時銜接主要滑行道，因此，施工難度比較大。基坑施工規劃等級均按照航空機場相關規范，安全等級必須達到一級標準。基坑施工地質調查中發現，地下4.25 m以下均屬于中風化白云質灰巖，裂隙類型以直立、陡傾角為主，并沒有順層結構面。基于這種情況，有限元研究中，可以將結構面影響排除。相鄰建筑結構主體為框架-剪力墻。通過對已有建筑結構的分析可以發現，其地基承載條件比較好。

4.2 創建有限元模型

結合基坑施工地質調查情況，有限元模型分2種模式：一種為全土質基坑；另一種為土-巖二元結構基坑。平面應變模型主要通過混合網格生成器的方式形成，此為有限元模型主要代表。基坑施工中巖土體模型則選擇修正摩爾-庫倫模型為主。有限元模型建立期間，為了將分析過程簡化，統一建筑設計的結構均為1個剛體，模型建立中加入建筑物自重，并且以實體單元建模為切入點，觀察下角點位移量變化，以此對相鄰建筑結構在基坑開挖中所受影響進行描述。此次施工模型建立可以排除地下水因素，降低了模型分析的難度。

4.3 選取模型分析參數

基坑開挖施工模型分析中，參數是重要的依據。此次研究中，以修正摩爾-庫倫本構模型為主，同時完成不同類型模型研究，如軟土、硬土雙硬化分析。及時得到基坑施工項目中土體相關參數，如剪漲特性、剛度等。根據剛度輸入差別，更詳細準確地對剛度變化加以掌握。基坑施工在受力過程中，剛度抵抗彈性情況會出現明顯波動，這些參數以實驗方式驗證無法保證精準性，還要結合基坑施工經驗反復驗證得到。根據地質勘查情況，選取模型分析參數期間，利用參數反演的方式，提高物理力學參數的真實性。

根據對項目的施工情況研究，其中現有建筑結構，僅處于基坑的單一側，則基坑施工期間只需要對相鄰區域進行影響性分析。但是如果基坑施工位置周圍均相鄰既有的建筑結構，就需要根據實際情況去拓展影響性分析范圍。該基坑結構為土-巖類型為主，設定基坑施工的基本深度為9.25 m，與周圍建筑結構距離平均值為≥6.6 m。基于此，順利開展模型分析，并根據具體工況，確定分析參數。

5 具有相鄰建筑結構的基坑開挖的影響性分析

基坑施工與相鄰建筑結構穩定性一直是影響性分析重點。結合施工相關標準、穩定性的控制與變形限制要求展開研究。

第一，參照基坑開挖設計要求，確定基坑開挖準確深度后，要求必須大于相鄰建筑深度2.25 m。通過模型分析得到基坑施工中相鄰建筑結構基礎位置所出現的位移變形云圖，清晰呈現出建筑結構位移變化趨勢，逐漸靠近基坑，沉降平均差與位移量分別為0.005 2 mm、0.045 3 mm。結合GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規范》中的要求，此次基坑施工中，相鄰建筑參數與沉降差之間的計算數值，符合規定標準，滿足穩定性保證要求。

第二，不同巖土結構下，基坑開挖深度存在明顯差異，需在實際開挖過程中，逐步對深度進行調整，并且對下角點位移量進行計算。首先是開挖深度根據項目要求增大的情況下，下角點位移量也會出現增大變化，這其間相鄰建筑結構的地基承載力就起到重要作用。此次項目中相鄰建筑結構地基地質以白云質灰巖為主，賦予地基結構極強的承載力，因此，調整開挖深度，建筑結構所受影響比較小。

根據表1中相鄰建筑結構所受基坑開挖影響性分析統計可以發現，土層施工過程中，相鄰建筑所受影響比較小，若開挖巖體，則相鄰結構所受影響會增加。

表1 二元結構下基坑開挖影響性分析

通過對相鄰建筑結構的研究，對比基坑開挖項目，參考工程實施水平距離對基坑開挖與相鄰建筑結構之間水平間距進行設置，分別為3.0 m、10.0 m、20.0 m、30.0 m。隨后，以水平間距去計算沉降量。確定安全距離后開始基坑開挖施工，將基坑開挖對相鄰建筑結構的影響性降到最低。

第三，全土質基坑開挖施工，保證其他條件不變，將中風化白云質灰巖屬性調整為填土層，隨后展開全土質基坑開挖施工影響性研究。研究發現，相鄰建筑結構所受影響與基坑開挖深度變化呈正比例關系。基坑開挖深度的確定，需參考相鄰建筑結構基礎底標高，可以保持持平狀態，同時也可以低于基礎底標高，但是，不能高出基礎底標高。基坑開挖與基礎底標高在可控制范圍之內，建筑物受到基坑開挖的影響，差異沉降與均勻沉降接近。但是，如果超出可控制范圍，則相鄰建筑結構會出現明顯變形，差異沉降也會增加，這種情況下就會危及相鄰建筑結構的安全性與穩定性。

6 結語

綜上所述，通過對相鄰建筑結構下的基坑開挖施工研究，尤其是有限元分析以及參數推算等，對于基坑開挖對相鄰建筑結構影響性有了更準確的掌握。由此可以發現，基坑類型的不同，對相鄰建筑結構的影響存在明顯差異。受到基坑類型的影響，開挖的深度以及與相鄰建筑結構之間的水平間距等都會發生變化，這種情況下，相鄰建筑結構沉降必然會發生差異。具體基坑施工期間，相鄰建筑結構所受影響，還要結合施工項目實際情況，及時掌握其中的變化規律，確定相關參數，這樣才能更好地制定加固措施，保證相鄰建筑結構安全的同時，保證基坑開挖施工質量。