在建地鐵車站近接高層建筑物沉降規(guī)律研究

謝 強(qiáng)，周其健, 鄭立寧,3，羅益斌，楊春燦

(1.中國(guó)電建集團(tuán)鐵路建設(shè)有限公司，北京 100044; 2.中國(guó)建筑西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610052; 3.中建地下空間有限公司，四川成都 610073)

地鐵車站深基坑工程施工對(duì)周邊環(huán)境可能造成的破壞主要包括以下幾個(gè)方面：(1)由于地面變形而造成地面建筑物的開(kāi)裂、傾斜甚至倒塌；(2)造成路面以及其他地面設(shè)施的破壞；(3)造成地下管線的破裂等。深基坑開(kāi)挖施工中，由于地下水位變化、支護(hù)結(jié)構(gòu)變形等將導(dǎo)致基坑周圍土體的變形、沉降，超過(guò)各種構(gòu)筑物的正常使用容許變形，影響其正常使用，還會(huì)危及周邊建筑物的安全。因此，在基坑開(kāi)挖的過(guò)程中，必須采取一系列的保護(hù)措施，不僅要保證基坑施工的安全順利，還要保證周邊建筑物在深基坑開(kāi)挖過(guò)程中不遭到破壞。因此，在地鐵車站深基坑工程施工時(shí)，開(kāi)展地鐵車站深基坑工程施工對(duì)周邊區(qū)域沉降變形的影響分析是非常有必要的。

國(guó)內(nèi)很多學(xué)者開(kāi)展了這方面的研究工作，通過(guò)采用室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、理論分析、數(shù)值模擬相結(jié)合的方法開(kāi)展研究工作，研究地區(qū)涉西安、深圳、天津、北京、沈陽(yáng)等地，涉及的巖土體類型有黃土地層、飽和軟土地層、砂性土地層等等，研究了飽和軟黃土地層隧道施工誘發(fā)的地表沉降規(guī)律[1]、復(fù)雜施工體系所造成地表沉降的空間規(guī)律及其統(tǒng)計(jì)特征[2]、密貼下穿施工引起既有地鐵車站結(jié)構(gòu)沉降規(guī)律[3]、不同開(kāi)挖方案引起的相鄰地鐵站的沉降值，來(lái)評(píng)估不同方案對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)安全性的影響[4]、考慮流固耦合效應(yīng)不同地下水位高度的隧道施工對(duì)地表沉降的影響，初步建立了地鐵暗挖施工開(kāi)挖進(jìn)程的三維空間地表沉降預(yù)測(cè)方法、總結(jié)了地鐵在不同覆跨比H/D、不同地層條件和不同施工方法下的沉降、沉降槽寬系數(shù)k、地層損失率Vl及間隙參數(shù)g的變化規(guī)律及其經(jīng)驗(yàn)關(guān)系[5]、基于彈性半無(wú)限空間Mindlin位移解推導(dǎo)了無(wú)懸掛承壓水降水引起的周邊地鐵沉降計(jì)算解析解[6]，上述研究為城市軌道交通建設(shè)引起的地表及周圍建筑物的沉降變形的計(jì)算和預(yù)測(cè)提供了寶貴的資料。

然而，四川盆地西北面龍門山南段前緣沉積了一套明顯的咸湖紅色河流相砂泥巖(晚白堊世灌口組K2g)，為膏鹽蒸發(fā)巖系。如成都天府新區(qū)天府大道、成都地鐵1號(hào)線南延線、達(dá)成鐵路、成南高速等多處工點(diǎn)在勘察和施工過(guò)程中均發(fā)現(xiàn)有此類巖系分布，伴有局部溶蝕孔洞，見(jiàn)洞率最高達(dá)59.3 %。此類巖系地層在地下水的作用下，易被分解，形成類似碳酸鹽巖的KARST形態(tài)，給工程勘察、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)帶來(lái)了一些列的不便[7-9]。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)此類巖體的地鐵施工變形的研究仍屬空白。本文以成都軌道交通18線某深基坑的實(shí)測(cè)資料為基礎(chǔ)，采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)合FLAC 3D數(shù)值模擬的手段，研究下臥含膏可溶巖富水砂卵石地區(qū)，基坑施工過(guò)程中多因素作用對(duì)鄰近高層建筑沉降變形的影響。

1 工程概況

成都軌道交通18號(hào)線某站為一在建車站，位于某高層建筑西側(cè)。場(chǎng)地地形較平坦，地貌單元屬岷江水系Ⅰ級(jí)階地。該建筑位于18號(hào)線車站2倍基坑開(kāi)挖深度影響范圍內(nèi)的建筑物為1#塔樓及商業(yè)裙樓。車站基坑開(kāi)挖深度17～21 m，建筑物距離基坑最近10.58 m。1#塔樓部位采用鋼筋混凝土筏板基礎(chǔ)，裙樓部位采用柱下獨(dú)立基礎(chǔ)+防水板。地勘資料顯示，該場(chǎng)地內(nèi)地表多為人工填土覆蓋，其下為軟土、粉質(zhì)黏土、粉土、黏土、砂土及卵石土，下伏基巖為泥巖(圖1)。

圖1 基坑及周邊建筑物

2 研究區(qū)特殊工程地質(zhì)條件

2.1 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)地下水位類型為松散堆積砂卵石層孔隙潛水和基巖裂隙孔隙水，場(chǎng)地潛水穩(wěn)定水位在-9.9～-8.0 m，變化幅度一般在2～3 m。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在地下50 m左右范圍內(nèi)，為地下水強(qiáng)烈運(yùn)移、流通帶，地下水的流動(dòng)，將石膏溶蝕，并順溶蝕孔或裂隙形成網(wǎng)絡(luò)狀的風(fēng)化帶溶蝕孔和溶隙，為地下水的補(bǔ)給、儲(chǔ)集、徑流創(chuàng)造了良好的通道和空間，形成風(fēng)化帶含水層，但由于泥巖性質(zhì)軟，裂隙多為微張或閉合狀，且溶蝕孔隙的發(fā)育深度受地下水動(dòng)力條件的限制，當(dāng)深度大于50 m或70 m時(shí)，溶蝕孔洞減少，溶隙也減少，就基本不含水。

場(chǎng)地詳勘階段，分別在勘察鉆孔不同深度位置以及河水取水進(jìn)行水質(zhì)簡(jiǎn)分析，場(chǎng)地地下水中含有K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42+、HCO3-等離子，pH介于7.3～8.5(呈弱堿性)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，鉆孔深部水體各離子濃度明顯高于淺部水體和河水，說(shuō)明河水與地下水水力聯(lián)系較弱。

2.2 研究區(qū)含膏鹽巖特征

含膏鹽巖為泥巖和礫巖。泥巖為紫紅色，礦物成份以黏土礦物為主，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，鈣泥質(zhì)膠結(jié)，局部見(jiàn)石膏充填，局部見(jiàn)溶蝕小孔，層厚15.5～26 m；礫巖為紫紅色或灰白色，碎屑結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)膠結(jié)，均見(jiàn)鈣芒硝充填，含量約20 %～50 %，局部有石膏溶蝕骨架現(xiàn)象，局部見(jiàn)溶蝕小孔，部分鉆孔在此巖層內(nèi)有掉鉆漏漿現(xiàn)象。典型巖石芯樣見(jiàn)圖2所示。

研究區(qū)泥巖的天然含水率為8.61 %，變形模量為0.126～0.153 GPa，泊松比為0.33。礦物成分分析得出，泥巖由蒙脫石、伊利石、綠泥石、石英、斜長(zhǎng)石和方解石組成，其中伊利石含量最多，伊利石含量25 %～45 %，平均為含量為35 %。

(a)泥巖

3 地鐵施工對(duì)周圍環(huán)境影響

3.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

2016年12月11日開(kāi)始地鐵基坑開(kāi)挖，2016年12月31日開(kāi)始降水，2017年1月24日停止降水，2017年6月5日地鐵結(jié)構(gòu)封頂。為探討特殊工程地質(zhì)條件(可溶巖環(huán)境)下，地鐵基坑施工對(duì)周邊建筑物的影響，開(kāi)展了地鐵車站施工降水及基坑開(kāi)挖前監(jiān)測(cè)、地鐵車站施工降水及基坑開(kāi)挖期間沉降監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)在建筑物墻體四周布設(shè)，監(jiān)測(cè)布設(shè)點(diǎn)圖見(jiàn)圖3所示。

圖3 沉降變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

3.2 沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

沉降監(jiān)測(cè)的位置為2號(hào)樓主樓和1號(hào)樓裙樓，最大累計(jì)沉降量11.99 mm。從沉降變形速率來(lái)看，開(kāi)始監(jiān)測(cè)的最大的沉降變形速率約為0.3 mm/d，變?yōu)?.018 mm/d。

進(jìn)一步，考慮到地鐵車站施工降水和基坑開(kāi)挖對(duì)周邊環(huán)境的影響，根據(jù)施工降水和基坑開(kāi)挖時(shí)間，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)按照不同的時(shí)間分段進(jìn)行分析，具體時(shí)間分段為降水期(2017.1.1～2017.1.31)，基坑開(kāi)挖前(2017.2.1～2017.3.9)，基坑開(kāi)挖期(2017.4.10～2017.6.26)。

降水期，測(cè)點(diǎn)沉降曲線形態(tài)無(wú)明顯規(guī)律，沉降量最大10 mm左右。施工降水停止1個(gè)月左右，沉降曲線線性擬合程度不高；基坑開(kāi)挖前期多數(shù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位沉降曲線近似呈直線型，但是各點(diǎn)的沉降速率不一致，根據(jù)沉降速率繪制沉降趨勢(shì)圖見(jiàn)圖4，平面沉降速率趨勢(shì)圖上沉降中心呈多個(gè)點(diǎn)狀，沉降中心多集中在1號(hào)樓裙樓位置；基坑開(kāi)挖中期多數(shù)點(diǎn)位沉降曲線近似呈直線型，但是各點(diǎn)的沉降速率不一致，根據(jù)沉降速率繪制沉降趨勢(shì)圖見(jiàn)圖5，平面沉降速率趨勢(shì)上沉降中心呈條帶狀分布。

圖4 某高層建筑沉降趨勢(shì)(3.9-4.9)

圖5 某高層建筑沉降趨勢(shì)(4.9-6.25)

綜合分析裙樓或主樓以及距離基坑遠(yuǎn)近沉降速率分析見(jiàn)圖6、圖7，由圖可知：

(1)裙樓沉降大于主樓，沉降速率由北向南，先增大再減小?？拷拥某两邓俾事源笥谶h(yuǎn)離基坑的速率。

(2)隨著時(shí)間的發(fā)展，沉降速率均呈減小趨勢(shì)，最大沉降速率由0.941 mm/d降至0.396 mm/d，沉降速率趨緩。

(3)同一時(shí)期，沉降速率與距離基坑的遠(yuǎn)近相關(guān)性差，與覆蓋層厚度大小相關(guān)性差。

(a)裙樓沉降速率(3月9日-4月9日)

(a)裙樓沉降速率(3月9日-4月9日)

3.3 建筑裂縫情況

基坑緊鄰的高層建筑，已竣工驗(yàn)收使用了約4年，結(jié)合沉降監(jiān)測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查了，負(fù)一層、負(fù)二層墻體裂縫，具體裂縫位置、寬度、走向詳見(jiàn)圖8，典型裂縫照片見(jiàn)圖9。

圖8 建筑墻體裂縫展布

(a)典型裂縫1

裂縫總體情況如下：

(1)地下室不同區(qū)域均出現(xiàn)沉降裂縫，填充墻最大裂縫約8.0 mm，混凝土墻最大裂縫寬度約0.4 mm，梁最大裂縫寬度約0.2 mm，負(fù)二層底板面層最大裂縫寬度8.0 mm。

(2)裂縫導(dǎo)致多處擋土墻滲水，抗水板上填土層積水。

4 變形原因芻析

該高層建筑和軌道交通18號(hào)線某工程存在不均勻沉降現(xiàn)象，結(jié)合FLAC3D對(duì)建筑沉降變形的原因進(jìn)行初步。

4.1 模型建立

根據(jù)基坑平面圖，建立三維地質(zhì)模型。模型長(zhǎng)280 m，寬210 m，高80 m。將其按照地層分組并劃分網(wǎng)格，采用六面體網(wǎng)格劃分方法，共有225 512個(gè)單元，41 754個(gè)節(jié)點(diǎn)，研究區(qū)巖層基本水平，基坑變形主要受溶洞及巖土力學(xué)參數(shù)的控制，故按照巖性及風(fēng)化程度，分為雜填土、粉質(zhì)黏土、卵石土、泥巖、礫巖對(duì)地層分組，建筑按照不同建筑進(jìn)行分組，基坑單獨(dú)分組，溶洞單獨(dú)分組，共13個(gè)組(圖10)。

圖10 數(shù)值計(jì)算模型

4.2 參數(shù)選擇和工況分析

在初始參數(shù)不變的情況下，通過(guò)設(shè)計(jì)不同的工況，模擬驗(yàn)證不同工況下沉降的變形規(guī)律，通過(guò)分析降水、基坑開(kāi)挖、溶蝕空洞條件下，計(jì)算沉降量大小關(guān)系對(duì)比，確定基坑開(kāi)挖引發(fā)周圍建筑沉降主要因素，工況如下：

工況一：初始水位埋深8 m，降水后水位埋深16 m；

工況二：基坑開(kāi)挖至-17 m，按照實(shí)際工況設(shè)置混凝土內(nèi)支撐；

工況三：在模型中同時(shí)考慮周邊巖土體軟化和地下溶蝕空洞，并與前兩個(gè)工況進(jìn)行對(duì)比，確定巖體軟化和地下空洞哪一個(gè)是主要影響因素。

其中，巖土體參數(shù)見(jiàn)表1所示。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

4.3 計(jì)算結(jié)果分析

由于基坑施工前需對(duì)其進(jìn)行降水，因此基坑天然工況下基坑水位面位于基坑以下，天然狀況下水面為8 m，降水后為16 m，將水面設(shè)為平面，并賦予模型孔隙水壓力。在此基礎(chǔ)上對(duì)上述三個(gè)工況開(kāi)展分析，計(jì)算得出的豎向位移云圖如圖11所示。

(a)工況1

從圖11中可見(jiàn)，對(duì)比分析不同工況如基坑開(kāi)挖、降水、空洞等情況下沉降情況，結(jié)果表明：溶洞的存在是基坑及周邊建筑發(fā)生顯著豎向位移的主要原因，基坑降水和基坑開(kāi)挖也能導(dǎo)致基坑及周邊建筑物沉降，但是影響的量值都明顯較小。圖11(c)中，越靠近溶洞位移越大，地面最大位移發(fā)生在基坑與建筑的交匯處，達(dá)到339 mm，而溶洞底部會(huì)發(fā)生隆起。隨意取其中一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)57號(hào)為例，57號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最終最大位移達(dá)約130 mm。對(duì)于成都地區(qū)，此類場(chǎng)地常規(guī)勘察深度最深約為30 m，而埋深45 m的含膏鹽巖亦會(huì)對(duì)建筑的變形產(chǎn)生顯著影響，在實(shí)際工程勘察中需要注意此類問(wèn)題。

初步分析原因，認(rèn)為：場(chǎng)地在可溶性礫巖層中埋深40～45 m范圍發(fā)育節(jié)理裂隙，厚度30～60 cm，近視呈水平狀，在該高層建筑東側(cè)充填較差，局部呈溶蝕空洞狀，同時(shí)在礫巖與泥巖接觸帶也在個(gè)別鉆孔中發(fā)育溶蝕空洞。可溶巖在水中的溶解過(guò)程包括溶劑(水)進(jìn)入可溶巖物表面，溶劑(水)與被溶礦物間的相互作用，以及溶解后的物質(zhì)從礦物表面擴(kuò)散等基本過(guò)程，實(shí)際上溶解過(guò)程是雙向的，即溶解和結(jié)晶過(guò)程同時(shí)進(jìn)行。當(dāng)溶劑作用到礦物表面時(shí)，由于溶質(zhì)分子本身的運(yùn)動(dòng)和溶劑分子對(duì)它的吸引，溶質(zhì)離開(kāi)固體表面，擴(kuò)散到溶液中去，同時(shí)溶液中的溶質(zhì)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中遇到?jīng)]有溶解的礦物時(shí)，又重新從溶液中結(jié)晶到礦物表面。

5 結(jié)論

本文以成都軌道交通18線某深基坑的實(shí)測(cè)資料為基礎(chǔ)，以現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)為主，研究下臥含膏可溶巖富水砂卵石地區(qū)，基坑施工過(guò)程中多因素作用對(duì)鄰近高層建筑沉降變形的影響，并結(jié)合FLAC3D分析了產(chǎn)生變形的主要原因，結(jié)論如下：

(1)基坑施工期不同，對(duì)周邊建筑物變形影響程度亦不同。隨著施工程度深入，建筑變形越來(lái)越大，影響范圍從裙樓集中分布過(guò)渡到整幢大樓的條帶狀分布；

(2)基坑周邊建筑物的最大變形與距基坑距離、荷載大小等相關(guān)性不顯著；僅僅是靠近基坑的沉降速率略大于遠(yuǎn)離基坑的速率，約大0.09 mm/d；

(3)地下室不同區(qū)域均出現(xiàn)沉降裂縫，填充墻最大裂縫約8.0 mm，混凝土墻最大裂縫寬度約0.4 mm，梁最大裂縫寬度約0.2 mm，負(fù)二層底板面層最大裂縫寬度8.0 mm。裂縫導(dǎo)致多處擋土墻滲水，抗水板上填土層積水；

(4)下臥含膏鹽巖場(chǎng)地，相比于基坑開(kāi)挖、降水，溶蝕孔洞對(duì)最大沉降量的影響更大。對(duì)于成都地區(qū)，此類場(chǎng)地常規(guī)勘察深度最深約為30 m，而埋深45 m的含膏鹽巖亦會(huì)對(duì)建筑的變形產(chǎn)生顯著影響。