蔡干序，陳 瓊，杜偉吉

(1.南京地鐵資源開發(fā)有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210012；2.南京市測(cè)繪勘察研究院股份有限公司，江蘇 南京 210013)

0 引 言

基于某區(qū)域21期地面沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)該區(qū)域地面沉降及地下水位變化引起地下構(gòu)筑物沉降的主要因素進(jìn)行了研究。本文從該區(qū)域地面沉降和各土層分層沉降特征及地下水位變化規(guī)律入手，綜合分析該區(qū)域沉降和地下水位變化與地下構(gòu)筑物的沉降規(guī)律，生成沉降等值線云圖進(jìn)行技術(shù)分析對(duì)比后，將區(qū)域地面沉降的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行等級(jí)劃分，從而實(shí)現(xiàn)定期對(duì)區(qū)域地面沉降引起的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)。

1 區(qū)域地面沉降規(guī)律分析

該區(qū)域地層是典型的河流沖積二元結(jié)構(gòu)，表層為45～65 m厚的第四紀(jì)軟土，沉積物主要由上部漫灘相細(xì)粒沉積物和下部粗粒河床沉積物組成。上部漫灘相土層主要為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土和粉土層。其中，淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層分布廣泛，埋藏淺，層厚約4～35 m不等。該土層具有高壓縮性、高靈敏度、低強(qiáng)度、低滲透性等特征。其工程特性表現(xiàn)為低地基承載力、擾動(dòng)后易變形且穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)等，而該區(qū)域地下構(gòu)筑物主要處于此種地層中。施工擾動(dòng)或剪切破壞的重塑土的再固結(jié)土體，建設(shè)過程的加卸載也會(huì)導(dǎo)致地下構(gòu)筑物產(chǎn)生長(zhǎng)期沉降和沉降差[1]。

該區(qū)域的地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)每年監(jiān)測(cè)4次(分別于2、5、8、11月監(jiān)測(cè))，每期至少采集40個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的二等水準(zhǔn)高程數(shù)據(jù)，本次選擇40個(gè)測(cè)點(diǎn)歷時(shí)63個(gè)月的21期沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)按沉降速率分類統(tǒng)計(jì)，并繪制等值線云圖。如圖1所示，該區(qū)域平均沉降量為69 mm，平均沉降速率為0.036 mm/d。

圖1 沉降數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)圖

圖2 地表沉降等值線云圖

圖2為該區(qū)域地面沉降等值線云圖?？梢园l(fā)現(xiàn)，區(qū)域中有3處明顯沉降區(qū)(沉降漏斗)，其中心位置分別位于集慶門大街、油坊橋和濱江風(fēng)光帶-雨潤(rùn)路口。具體沉降數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 三大沉降漏斗沉降數(shù)據(jù)情況

2 地下水位變化對(duì)區(qū)域沉降的影響

為了分析工程施工對(duì)地面沉降的影響，分別選取在監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)沒有重大工程施工(地下水位在自然變化區(qū)間內(nèi))和附近有工程施工的沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行沉降量對(duì)比分析[2](表2)。由表2可知，沒有重大工程施工的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降量均小于整個(gè)區(qū)域的平均沉降量，由工程施工引發(fā)的沉降量明顯大于因自然地下水位變化引發(fā)的沉降量?？梢猿醪椒治龇侨斯そ邓鸬牡叵滤坏淖兓菂^(qū)域地面沉降的影響因素之一，但并不是最主要的影響因素。大規(guī)模的人工降水工程施工才是引發(fā)區(qū)域沉降的主要原因。

表2 有工程施工影響和無工程施工影響相鄰地表沉降量對(duì)比表/mm

3 區(qū)域沉降風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)

圖3 雨潤(rùn)路口累積沉降

該區(qū)域地層按時(shí)代和土層物理力學(xué)性質(zhì)差異可分為4個(gè)工程地質(zhì)層[3]：淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層、粉質(zhì)黏土層、粉細(xì)砂層和粉土夾層。以雨潤(rùn)路口各土層累積沉降情況為例(圖3)分析可知，淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層為沉降所占比例最大的土層。通過對(duì)所有測(cè)點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)砂土層的沉降梯度于0～1 mm/m區(qū)間，粉質(zhì)黏土層的沉降梯度主要集中于1～2 mm/m區(qū)間，而淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層的沉降梯度大于2 mm/m區(qū)間。

由于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層是沉降量最大的土層，依據(jù)下部土體中黏土層厚度和累計(jì)沉降量對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)進(jìn)行沉降風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分區(qū)。依據(jù)地質(zhì)勘察資料將該區(qū)域自北向南劃分成了5個(gè)區(qū)域(圖4)。其中，I區(qū)為沉降高級(jí)風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)，黏土層厚度在30 m以上；I區(qū)和IV區(qū)為中級(jí)沉降風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)，II區(qū)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層厚度25～35 m，IV區(qū)土層厚度20～30 m；而III區(qū)和V區(qū)為低沉降風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)，III區(qū)黏土層厚度0～20 m,V區(qū)黏土層厚度10～20 m。

圖4 實(shí)驗(yàn)區(qū)沉降風(fēng)險(xiǎn)分區(qū)圖

利用數(shù)值模擬方法[4]對(duì)不同沉降風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)建(構(gòu))筑物加載引發(fā)的分層沉降進(jìn)行計(jì)算分析[5]，對(duì)于滿堂基礎(chǔ)，建(構(gòu))筑物加載所產(chǎn)生的沉降在各個(gè)土層中的比例可參見表3。由表可知，在各區(qū)中沉降最大的為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層。

表3 滿堂基礎(chǔ)建筑物加載在各分區(qū)土層沉降比例 %

4 地面沉降與地下構(gòu)筑物沉降關(guān)系

4.1 地下構(gòu)筑物與地面的沉降關(guān)系

通過對(duì)某地鐵結(jié)構(gòu)與區(qū)域土層沉降對(duì)應(yīng)關(guān)系圖(圖5)的比較分析，發(fā)現(xiàn)區(qū)域土層沉降與某地鐵結(jié)構(gòu)的沉降量存在一定的關(guān)系：里程為K0+300的油坊橋段、K8+850的集慶門大街站附近區(qū)域地面沉降和某地鐵結(jié)構(gòu)的沉降均較大，有明顯的一致性；而里程為K3+800的雨潤(rùn)路口段、K5+900的向興路西區(qū)域地面沉降也十分明顯，但某地下構(gòu)筑物沉降并不明顯，也無明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系。雨潤(rùn)路口和向興路西監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近，某地下構(gòu)筑物底部埋深分別為20 m和17 m，某地下構(gòu)筑物下臥土層均為粉細(xì)砂層，而此兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的區(qū)域沉降主要產(chǎn)生于地下構(gòu)筑物上部的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層中，地下構(gòu)筑物下方的土體中產(chǎn)生的沉降量很小。對(duì)于區(qū)域地面沉降和地下構(gòu)筑物沉降槽位置重合的地方，地下構(gòu)筑物均位于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層中，地下構(gòu)筑物下方的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層均具有一定厚度。

圖5 某地下構(gòu)筑物與區(qū)域地層沉降對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

分析認(rèn)為，區(qū)域地面沉降和某地下構(gòu)筑物沉降與該區(qū)域主要沉降土層和構(gòu)筑物下臥層有關(guān)，如區(qū)域主要沉降土層位于某地下構(gòu)筑物上方，其對(duì)某地鐵結(jié)構(gòu)的影響很小，反之較大。

4.2 遠(yuǎn)期該區(qū)域地下構(gòu)筑物沉降預(yù)期

以沉降分區(qū)圖對(duì)該區(qū)域某地下構(gòu)筑物的沉降情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，如圖6所示。

由圖6可以發(fā)現(xiàn)：① 某擬建地下構(gòu)筑物在莫愁湖～清涼山區(qū)間，雨潤(rùn)路-中勝-新城科技園段穿過了沉降風(fēng)險(xiǎn)較高的II區(qū)、IV區(qū)，擬建地下構(gòu)筑物可能會(huì)產(chǎn)生較為明顯的沉降。② 位于該區(qū)域的地下構(gòu)筑物可能位于沉降風(fēng)險(xiǎn)高的I區(qū)，這一段的線路結(jié)構(gòu)(綠博園-中保區(qū)間)容易發(fā)生較大的沉降。尤其是漢中門大街-管子橋-中保路區(qū)間，產(chǎn)生沉降的風(fēng)險(xiǎn)較高，需在施工中引起足夠的重視。

圖6 沉降分區(qū)圖

5 結(jié) 語

本文通過對(duì)該區(qū)域沉降、地下水位變化規(guī)律及原因分析，發(fā)現(xiàn)區(qū)域沉降受大范圍建筑物加載與地下水位變化的影響最為明顯，沿深度方向的土層壓縮主要發(fā)生在淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層。明確了區(qū)域地面沉降對(duì)地下構(gòu)筑物沉降的影響程度與區(qū)域主要沉降土層和地下構(gòu)筑物的相對(duì)位置有關(guān)。當(dāng)區(qū)域主要沉降土層位于地下構(gòu)筑物下方時(shí)，其對(duì)地下構(gòu)筑物的影響較大，反之影響較小，分析結(jié)果與長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)完全吻合。用科學(xué)的方法研究、分析區(qū)域地面沉降規(guī)律，建立準(zhǔn)確的變形預(yù)測(cè)模型，可以對(duì)地面和地下構(gòu)筑物沉降量進(jìn)行預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)，從而實(shí)現(xiàn)提前對(duì)區(qū)域地面沉降而引起的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)防和處理。