既有建筑增建地下空间技术的仿真数值模拟研究

汤熙海

（南京高等职业技术学校，江苏 南京 210019）

随着我国经济建设的不断发展壮大，国内大中型城市的人口密集度逐年提高，人们对城市建设与发展的速度和质量均提出了更高的要求和挑战，建设新型、现代化的城市已迫在眉睫。其中对于城市空间的全面、合理利用逐渐成为未来城市发展的总体趋势。在现阶段经济建设与发展基础上，对城市中大量存在的既有建筑进行增层改造或地下空间开发利用，是目前城市建设和发展的主流方向。

1 既有建筑增建地下空间技术

1.1 地下空间增建技术

既有建筑地下空间的增建与改造工程是一项系统的、综合性的施工技术体系。它包括既有建筑的安全鉴定与加固改造、既有基础的主动与被动托换、基坑支护体系的建立、土方工程的开挖以及地下空间体系的建立等，同时，施工的全过程受到周边环境复杂、施工作业面狭小等各方面因素的制约。针对既有建筑地下空间的增建与改造工程技术综合性高、施工难度大的特点，本文采用仿真数值分析的方法，对增建改造过程进行仿真模拟，重点探讨既有建筑地下空间的增建与改造过程中，对既有建筑本身和周边环境的影响，为工程实践提出切实、可行的施工方案。

1.2 模拟分析工况

本文所讨论的既有建筑为目前城市中大量存在的框架结构建筑。该类建筑具有较典型的框架结构特征：一般为多层、框架结构，基础形式为浅埋式独基、无地下室，且独立基础顶标高不能满足地下空间的增建要求。基于现有的施工技术条件和实践经验，目前该类建筑的地下空间的增建与改造，可以采用以下三阶段施工，如图1所示。

初始状态，如图1a）所示。根据既有建筑特征，建立框架结构体系，并按照荷载规范要求，对既有建筑荷载特征值进行组合，并施加于结构构件，还原真实工况。

图1 既有建筑三阶段增建改造示意图

阶段一：支护体系与基础托换施工。如图1b）所示，首先，基坑支护构件施工，在既有建筑的周边、用地边界线内进行地下连续墙的施工，为后续逆作法土方工程提供保障。其次，既有建筑地坪层施工，回填土开挖至原基础顶标高，并进行支撑和围檩施工，形成支护体系。最后，对既有基础实施锚杆静压桩施工，形成基础被动托换的基本条件。

阶段二：逆作法土方开挖。如图1c）所示，在一阶段施工的基础上，实施逆作法土方开挖，形成地下空间，完成桩基础与原独立基础的被动托换。

阶段三：地下室结构体系建立。如图1d）所示，按照逆作法施工作法，完成地下室底板和顶板的施工，并将既有建筑底层框架柱延伸至负一层，替换地下空间内的锚杆静压桩桩体，形成箱式基础，地下空间增建改造完成。

2 数值分析的前处理

2.1 主体结构建模

本文对既有建筑地下空间的增建改造过程进行了仿真数值模拟。前处理部分，模拟对象为某五层、框架结构商业建筑，独立基础，柱网尺寸如图2所示。

图2 既有建筑实体建模示意图

平面轴网尺寸为7.8m、6m和5.4m，如图2所示。根据《建筑结构荷载设计规范》商业建筑楼面活荷载3.5kN/m，屋顶为不上人屋面，活载0.5kN/m。

2.2 地基土体建模

本算例的地基土体模型以某地下室增层改造项目实践为背景，参照了该地区的岩土分布情况，如图2b）所示。建模中，土体采用“C3D8R”三维八节点减缩积分单元，土体本构关系采用摩尔库伦模型，由《工程地质手册》确定其参考泊松比，详细土层信息参见表1。

表1 地基岩土参数汇总表

2.3 模型边界条件

在本算例中，逆作法基坑的开挖尺寸为27m×23.4m，深6.9m。模型的计算深度40m，水平边界为基坑开挖深度的3～4倍，即以基坑边缘为界，向四周各延伸25m，所得场地模型总尺寸为77m×73.4m×40m。

模型约束条件如下：地表水平面设为自由边界，YZ面两侧边界设置X向位移约束，XZ面两侧边界设置Y向位移约束，模型底部边界设置为固定约束。网格划分以模型中部为核心计算区域，网格划分单元应致密，外围区域的网格尺寸适当增加。整个模型共计划分为93159个网格单元格。模型详细信息如图3所示。

图3 既有建筑ABAQUS建模

3 地下空间增建技术的影响分析

既有建筑增建地下空间技术的实现是一项复杂的系统性工程。整个增建技术的成败取决于施工过程对其上部结构的影响。该影响是建立在既有建筑作为新建建筑的初始变形的基础上完成的一个短暂的二次变形过程。并且相对于初始变形，既有建筑的二次变形能力存在着较大削弱。因此，既有建筑增建改造应着重强调施工过程中的沉降控制。

3.1 增建技术的沉降控制依据

《建筑地基基础设计规范》GB5007-2011规定，框架结构，当地基土类别为中、低压缩性土时，其相邻柱基的允许沉降差限值为[0.002l]，高压缩性土时，允许沉降差限制为[0.003l]，其中l为相邻柱基础的中心距。同济大学叶书麟根据其多年的实践总结，得出基础托换后建筑物的沉降允许值为：均匀沉降3cm和相邻柱基沉降差1cm。

3.2 增建改造过程对既有建筑的沉降影响分析

在不同的工况下，观测本算例中16根框架柱柱基的沉降分布，找出最小沉降位置，将其他柱基沉降与之相减，获得各阶段下，柱基的相对沉降值，选取沉降明显的中柱、角柱及边柱为沉降分析的主要对象。所得结果见表2和表3。

表2 增建改造前后柱基沉降值(单位/mm)

表3 增建改造前后相邻柱基沉降差值(单位/mm)

根据表2和表3中的数据，增建改造过程中，上部结构的最大沉降发生在中柱，最大沉降值为21.339mm，达到规范允许限值3cm的71.13%；相邻柱基沉降差值以角柱与纵向边柱间的沉降差值最大为2.613mm，达到规范允许限值1cm的26.13%。因此，在本次地下空间增建改造完成后，既有建筑仍处于可靠状态。根据表2中的数据，上部结构的柱底沉降，中柱＞边柱＞角柱；纵向边柱＞横向边柱。即从增建改造实施开始至竣工完成，上部结构的柱底沉降呈现出典型的“盆式”沉降的规律，并随着施工的进程，缓慢发展。数值模拟过程中，当进行逆作法土方开挖工序时，柱底沉降发展明显加剧，应注意对上部结构可能产生的不利影响。逆作法土方开挖的过程即完成基础被动托换的过程，是整个增建改造技术中的核心关键工序，在实际增建改造中应注意放慢土方施工进度，并选择恰当的取土方案，减缓上部结构沉降的发展，确保增建改造过程安全可控。

对表2和表3中的中柱最大沉降值和纵向边柱与角柱之间的最大相邻沉降差值进行提取，得到增建改造过程中柱底沉降与相邻柱基沉降差的最不利情况，如表4所示。

由数值分析结果可知，在逆作法土方开挖过程中，既有建筑的荷载逐步由原独立基础转移至桩基础，锚杆静压桩的桩身和地基土之间侧摩阻力逐渐增大，并发生附加沉降，呈现出典型的“盆式”沉降特征。在此过程中原独立基础发生了桩基被动托换，上部结构产生附加内力。表4中数据显示，本文所设计的地下空间增建改造技术在理论上是切实可行的，能够切实有效的控制柱底沉降及相邻柱基沉降差值，确保既有建筑地下空间增建过程安全可靠。

表4 增建改造前后沉降分析(单位/mm)

4 结语

本文通过ABAQUS软件对既有建筑地下空间的增建改造全过程进行了三维仿真数值模拟分析，获得以下研究结论。

（1）通过多次的数值模拟分析，确立了一套切实可行的既有建筑地下空间增建改造技术，具有一定的实践指导意义，可供实际的增建改造项目借鉴和参考。

（2）增建改造过程中，上部结构的实际沉降呈“盆式”沉降，随着关键工序逆作法土方工程的开挖，基础实现被动托换，此时柱底沉降发展迅速，直至增建改造完成。

（3）地下空间增建改造的数值模拟过程中，柱底沉降最大值为中柱21.339mm，相邻柱基沉降差最大值为纵向边柱与角柱之间2.613mm，满足现行规范和规程的要求。