北京城建华夏基础建设工程有限公司 100173
摘要：本研究以CH工程项目中基坑开挖对既有建筑的影响，展开系统性的分析，通过了解CH工程项目实际情况，以及对CH工程项目中基坑开挖对既有建筑的影响因素分析，进一步的掌握既有建筑与实际工程运行之间的关系，并且提出既有地基沉降的模拟数值分析。通过对基坑开挖后基坑壁应力的变化进行了简化，结合弹性力学分析的方法，对基坑壁土体的应力应变进行分析，推导出地基沉降的曲线。确定了CH工程项目中基坑开挖中，对既有建筑地基沉降量产生的影响数值，并通过曲线模拟数据值分析，确定了基坑安全开挖范围，以及最小影响数据值，为该工程项目的安全、稳定、质量达标提供了依据。
关键词：工程项目；基坑；开挖；既有建筑
伴随着我国城市化进程的逐步推进，城市用地面积也在不断减少[1]。这种发展状态下，也造成城市内的拥堵现象严重，也成为建筑行业内值得深入思考的问题之一[2]。部分城市建筑物开始不断向下延伸，高度也不断在增加[3]。而受城市用地的影响，一些高层类建筑较多的出现在既有建筑附近[4]。较近的基坑开挖施工距离，也为附近既有建筑带来严重的影响[5]。高层新建筑的基础一般埋深都较大于既有建筑基础，而既有建筑通常都会对地基的沉降比较敏感[6]。因此，在现今高层基础深度与高度不断延伸下，再加之基坑周边环境的复杂，也使得基坑开挖对既有建筑的影响矛盾日益明显[7]。由于基坑开挖对既有建筑的影响与破坏经常发生，所以，对基坑开挖以及对周边环境的影响进行分析就成为了一个非常重要的课题[8]。故，本次研究以真实的案例，作为研究对象，深入分析基坑开挖对既有建筑的影响，以期提炼一些共性的问题及影响规律，为该领域的施工提供依据。
1工程简介
本工程为CH深基坑项目，设计0.00标高为37.35m，主体地下空间部分基坑槽底基准标高ND轴北侧-26.70（基坑开挖深度27.25m），ND轴南侧-26.20（基坑开挖深度26.75m），东街北管廊区基坑深度同主体-26.20m（基坑开挖深度26.75m），其它管廊部分基坑槽底基准标高为-15.4m（基坑开挖深度约15.95m），管廊中部加深区基坑槽底基准标高为-18.9m（基坑开挖深度19.45m）。紧邻花海园商住楼的基坑平面呈“T”形，基坑边距离商住楼东侧约4.5米，距离商住楼南侧约6.0米，商住楼东南角距离基坑边约9.6米。基坑与既有商住楼的平面相对位置示意图见图1。
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图1基坑与既有商住楼的平面位置示意
2 CH工程项目中基坑开挖对既有建筑的影响因素分析
2.1建筑物开裂原因分析
CH工程项目中，在基坑开挖中，需要先行考虑对既有建筑物的裂缝影响。钢筋混凝土结构产生裂缝的原因有很多，有一些因素是相互影响的。目前，本研究的既有建筑物若在基坑开挖过程中产生开裂及裂缝，其所形成的原因主要不均匀沉降因素引起结构变形产生应力而引起的裂缝。沉降裂缝：混凝土结构沉降裂缝的产生主要是由于地基的不均匀沉降，沉降裂缝的出现有的会削弱构件的受力面，对结构的稳定性与承载能力有一定的影响。产生不均匀沉降的主要原因有：地质条件不同，不同地质条件承受相同载荷沉降量不同，比如岩石地基沉降小，而黏土地基沉降大；地基载荷不同。比如主楼载荷比裙房的载荷大；周围的岩土工程施工。在既有建筑旁边开挖基坑引起土体移动导致地基承载力下降。根据所分析的开裂原因，针对本项目的基坑开挖设计相应的施工方案。综合实施方案简要概述如下：
（1）对施工影响范围内的建筑物进行调查，采取地质雷达探测等手段，详细了解既有建筑的基础结构类型、分布情况、位置等以确保基坑开挖过程中的安全[9]。
（2）在基坑开挖前，在基坑开挖线周边先挖环形探沟，探明地下建筑物情况后再行基坑开挖。环形探沟深2m，下口宽1m，沟两边自然放坡，确保人工开挖时的安全。
2.2结构构件检查
根据委托方提供的该商住楼的施工图纸，核实商住楼施工的实际结构形式、结构布置、构件尺寸情况是否符合设计图纸。根据委托方提供的相关资料，并询问该商住楼的使用历史，包括使用功能的改变和加固、维修等情况，以确定该商住楼的实际使用荷载和实际结构受力情况。本次检查采用钻芯法对商住楼的混凝土强度进行抽检。根据现场条件，对楼梯间剪力墙混凝土强度进行抽检。按原设计混凝土强度等级划分检验批，依据《钻芯法检测混凝土强度技术规程》CECS：2007的规定，各检验批抽检的有效芯样数量不少于15个。
根据上述检查内容的结果，以及商住楼各构件的结构布置、构件截面尺寸、材料强度及使用功能等情况与施工图纸的相符性，并结合结构构件的工作状况，对结构构件的承载能力作出判断。检查该商住楼结构构件的连接做法，并检查其结构构件连接处有无开裂、变形或松动等现象。结构构件的裂缝、变形或位移，检查该商住楼的混凝土构件、节点及其填充墙的工作情况，结构构件的裂缝或其它损伤情况，记录裂缝位置、走向、宽度等特征。
2.3结构侧向位移检查
依据《建筑变形测量规范》（JGJ8—2007）[10]要求，采用全站仪对本研究的既有建筑物四个大角顶点的侧向位移进行测量。测量满足要求后，方可进行施工，若测量结果不满足要求，需要对既有建筑物结构进行加固，或开挖时采取相应的方法，从而降低结构侧向位移产生的不安全因素。
2.4加强做好既有建筑物的安全性鉴定
根据对本研究的既有建筑物现场检测数据结果，结合《民用建筑可靠性鉴定标准》[11]（GB50292-1999）相关规定，进行结构安全性等级评定。结构整体安全性（鉴定单元）的评定根据地基基础和上部承重结构两个子单元进行综合评定；上部承重结构按结构构件安全性、结构不适于继续承载的侧向位移、结构整体性三个方面进行综合评定。
（1）地基基础评定
根据该商住楼的地基基础的安全性按地基变形观测资料或其上部结构反应的检查结果，依据《民用建筑可靠性鉴定标准》[12]GB50292-2015规定进行评定。
（2）上部承重结构
1）结构构件安全性
根据该商住楼的实际构造、裂缝、变形等情况按承载力、构造、不适于继续承载的位移或裂缝等检查项目评定结构构件安全性等级。
2）不适于继续承载的侧向位移
依据《民用建筑可靠性鉴定标准》[13]GB50292-1999中表6.3.5的规定，评定该结构按不适于继续承载的侧向位移的安全性等级。
3）结构整体性
根据该商住楼的实际结构布置，构件连接情况、构造情况，按《民用建筑可靠性鉴定标准》[14]GB50292-1999中相关规定，评定该结构整体性的安全性等级。
2.5相邻基坑施工对既有建筑物的影响评价
（1）根据相邻基坑和既有建筑物之间相对位置，判断相邻基坑开挖是否影响或破坏了既有建筑物地基的持力层。
（2）根据相邻基坑开挖、支护、降水措施以及基坑施工时期的沉降监测数据（包括相邻建筑物沉降监测数据），分析其基坑施工是否会对相邻既有建筑物造成沉降的影响。
（3）根据检查结果，依据国家相关技术规范、标准、规程，采用辅助计算、专业理论、工程经验相结合的方式，综合分析相邻基坑施工对既有建筑物结构质量的影响。
3既有地基沉降的模拟数值分析
3.1荷载与基坑的距离对于既有地基沉降的影响
本项目根据一般基坑开挖的位置与既有建筑之间的距离，分别对本次建模设定了荷载距离基坑3m、6m、10m、15m、20m的情况，然后对沉降曲线进行了分析，具体见图2所示。
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图2 荷载与基坑之间的距离与基坑沉降之间关系图
由图2可见，在基坑边与既有建筑物接触较近处，地基发生沉降的影响大。当基坑边处于满载时，可以比较直观的看到沉降值增加的速度极快，最大沉降值达到41mm。当基坑边的荷载距离处于较远位置时，可以看到沉降值的最大值仅为10mm。另外，当荷载距离处于6m时，最大沉降值并未在基坑边发生影响，沉降值在基坑边的一定距离处有所影响。与此同时，基坑最大沉降所发生的位置在基坑边距离与荷载的不断增加，则沿着基坑的反向发生移动。当距离>15m时，荷载并未对地基产生较大沉降变化。因此，由此可以确定荷载对本项目基坑的影响范围在大于15m范围即可。从荷载作用于基坑边缘10m处的图中可以看出，两个沉降点存在于沉降过程中，在荷载所在的表面存在一定的附加沉降。当荷载与基坑之间的距离>20 m时，荷载的沉降差<3 mm，可以看到其对建筑物的影响较小。因此，当建筑物与基坑之间的距离>15m（以下将以“H”表示）时，其影响较小，可忽略，不预记录。
3.2不同基坑开挖深度与既有地基沉降之间关系分析
在本项目中，基坑开挖除了受支护、土质有一定的关联以外，还与开挖顺序密切相关。本项目采取分层对基坑实施开挖，那么在这个过程中，会产生不同的开挖深度，在这一过程中对既有建筑地基会产生哪些影响，还需要进一步的分析。本研究对基坑开挖的3m、6m、9m、12m、15m不同深度产生的沉降进行分析，并绘制了曲线图。具体可见图3所示。
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图3基坑开挖不同深度与地基沉降关系图
由图3可见，基坑开挖深度较小时，沉降仅在桩顶附近存在，这主要是因桩与土之间产生摩擦引发。随着基坑开挖深度的增加，基坑发生的变形不是一直向下沉降，而是由基坑底部隆起引起的。基坑开挖距离约为15m时，其影响不会减小，基坑开挖深度在9m左右时，基坑支护对地基沉降的影响已经发生减小走向。因此，在基坑开挖初期，建筑物可能向基坑的相反方向倾斜。随着基坑深度的增加，建筑物将向基坑侧倾斜。
基坑开挖深度<9m，最大地基沉降量约为5mm。随着基坑开挖深度的增加，基坑沉降速度逐渐增大。基坑开挖深度大于13m时，地基沉降最大值每1m增加约10mm左右。基坑的距离约为12m，地基沉降值的变化速度减小。由图3曲线图可见，基坑开挖深度大于12m的基坑影响范围随开挖深度的增加而变化不大，可以表示为基坑开挖深度的1.5倍。另外，图中还可以直观的看到，地基沉降在20m以内的差值<3mm。
3.3模拟结果分析
综上所述，在本次模拟中，荷载被用来代替既有建筑物，这可能会偏离实际情况。由于建筑物具有一定的抗剪刚度和抗弯刚度，不能简单地简化为均布荷载。由于建筑物刚度的调整，地基沉降将小于模拟值。本研究中用经验公式对天然地基沉降与实际沉降观测结果进行比较，发现：由于建筑物刚度的调整，实际沉降曲线比自然沉降曲线缓和得多，但既有建筑物对基坑的影响范围也较大。除此之外，既有的建筑物有埋深的基础，具有一定深度，因此，建筑物沉降量也相对是较小的走向。
不同开挖深度对地基沉降的影响曲线表明，基坑开挖初期的地基沉降较小，但当开挖深度接近基坑开挖深度时，地基沉降迅速增加。基坑开挖初期，主要受基坑底部土体隆起的影响。当基坑开挖深度增大时，地基土会下沉，基坑开挖后的影响范围约为1.5 H，根据荷载与基坑的距离不同，荷载对地基沉降影响较大。荷载越接近基坑，地基沉降量越大。当基坑的荷载接近1.5 H时，建筑物的沉降和不均匀沉降变小，建筑物的安全距离为1.5H。
4结束语
综上所述，基坑开挖对既有建筑的影响是一个极为复杂的过程，而面对这一复杂的现实性问题，作为施工者应能够形成全方位的解析，深入了解基坑开挖对既有建筑物产生的影响，进行综合性的评估后，实施相就数值的模拟，在做好充分准备的前提下，为项目的实际施工提供依据。本研究以真实的案例项目CH基坑开挖作为研究对象，通过对多种因素及施工现场环境的实际情况分析后，提出土方开挖在不同荷载下的数值变化，以及不同开挖深度对地基产生的沉降影响分析，最终明确开挖地过程中的安全范围值，为保证CH工程项目中，基坑开挖对既有建筑不会产生影响，提供了科学依据。该项目工程基坑开挖所有项目检测均合格，保证了施工质量的同时，也减少了不安全因素的产生。
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作者简介：
田丽松，专业：土木工程。