在建地鐵車站近接高層建筑物沉降規律研究

謝 強，周其健, 鄭立寧,3，羅益斌，楊春燦

(1.中國電建集團鐵路建設有限公司，北京 100044; 2.中國建筑西南勘察設計研究院有限公司，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周邊環境可能造成的破壞主要包括以下幾個方面：(1)由于地面變形而造成地面建筑物的開裂、傾斜甚至倒塌；(2)造成路面以及其他地面設施的破壞；(3)造成地下管線的破裂等。深基坑開挖施工中，由于地下水位變化、支護結構變形等將導致基坑周圍土體的變形、沉降，超過各種構筑物的正常使用容許變形，影響其正常使用，還會危及周邊建筑物的安全。因此，在基坑開挖的過程中，必須采取一系列的保護措施，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挖過程中不遭到破壞。因此，在地鐵車站深基坑工程施工時，開展地鐵車站深基坑工程施工對周邊區域沉降變形的影響分析是非常有必要的。

國內很多學者開展了這方面的研究工作，通過采用室內和現場試驗、理論分析、數值模擬相結合的方法開展研究工作，研究地區涉西安、深圳、天津、北京、沈陽等地，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的地表沉降規律[1]、復雜施工體系所造成地表沉降的空間規律及其統計特征[2]、密貼下穿施工引起既有地鐵車站結構沉降規律[3]、不同開挖方案引起的相鄰地鐵站的沉降值，來評估不同方案對地鐵結構安全性的影響[4]、考慮流固耦合效應不同地下水位高度的隧道施工對地表沉降的影響，初步建立了地鐵暗挖施工開挖進程的三維空間地表沉降預測方法、總結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k、地層損失率Vl及間隙參數g的變化規律及其經驗關系[5]、基于彈性半無限空間Mindlin位移解推導了無懸掛承壓水降水引起的周邊地鐵沉降計算解析解[6]，上述研究為城市軌道交通建設引起的地表及周圍建筑物的沉降變形的計算和預測提供了寶貴的資料。

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)，為膏鹽蒸發巖系。如成都天府新區天府大道、成都地鐵1號線南延線、達成鐵路、成南高速等多處工點在勘察和施工過程中均發現有此類巖系分布，伴有局部溶蝕孔洞，見洞率最高達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，給工程勘察、設計、施工、運營帶來了一些列的不便[7-9]。目前國內外對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線某深基坑的實測資料為基礎，采用現場監測結合FLAC 3D數值模擬的手段，研究下臥含膏可溶巖富水砂卵石地區，基坑施工過程中多因素作用對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號線某站為一在建車站，位于某高層建筑西側。場地地形較平坦，地貌單元屬岷江水系Ⅰ級階地。該建筑位于18號線車站2倍基坑開挖深度影響范圍內的建筑物為1#塔樓及商業裙樓。車站基坑開挖深度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，裙樓部位采用柱下獨立基礎+防水板。地勘資料顯示，該場地內地表多為人工填土覆蓋，其下為軟土、粉質黏土、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 研究區特殊工程地質條件

2.1 水文地質條件

研究區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，場地潛水穩定水位在-9.9～-8.0 m，變化幅度一般在2～3 m。調查發現，在地下50 m左右范圍內，為地下水強烈運移、流通帶，地下水的流動，將石膏溶蝕，并順溶蝕孔或裂隙形成網絡狀的風化帶溶蝕孔和溶隙，為地下水的補給、儲集、徑流創造了良好的通道和空間，形成風化帶含水層，但由于泥巖性質軟，裂隙多為微張或閉合狀，且溶蝕孔隙的發育深度受地下水動力條件的限制，當深度大于50 m或70 m時，溶蝕孔洞減少，溶隙也減少，就基本不含水。

場地詳勘階段，分別在勘察鉆孔不同深度位置以及河水取水進行水質簡分析，場地地下水中含有K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42+、HCO3-等離子，pH介于7.3～8.5(呈弱堿性)。同時發現，鉆孔深部水體各離子濃度明顯高于淺部水體和河水，說明河水與地下水水力聯系較弱。

2.2 研究區含膏鹽巖特征

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，泥質結構，中厚層狀構造，鈣泥質膠結，局部見石膏充填，局部見溶蝕小孔，層厚15.5～26 m；礫巖為紫紅色或灰白色，碎屑結構，泥質膠結，均見鈣芒硝充填，含量約20 %～50 %，局部有石膏溶蝕骨架現象，局部見溶蝕小孔，部分鉆孔在此巖層內有掉鉆漏漿現象。典型巖石芯樣見圖2所示。

研究區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 地鐵施工對周圍環境影響

3.1 監測點布設

2016年12月11日開始地鐵基坑開挖，2016年12月31日開始降水，2017年1月24日停止降水，2017年6月5日地鐵結構封頂。為探討特殊工程地質條件(可溶巖環境)下，地鐵基坑施工對周邊建筑物的影響，開展了地鐵車站施工降水及基坑開挖前監測、地鐵車站施工降水及基坑開挖期間沉降監測，監測點在建筑物墻體四周布設，監測布設點圖見圖3所示。

圖3 沉降變形監測點布設

3.2 沉降監測結果分析

沉降監測的位置為2號樓主樓和1號樓裙樓，最大累計沉降量11.99 mm。從沉降變形速率來看，開始監測的最大的沉降變形速率約為0.3 mm/d，變為0.018 mm/d。

進一步，考慮到地鐵車站施工降水和基坑開挖對周邊環境的影響，根據施工降水和基坑開挖時間，對監測數據按照不同的時間分段進行分析，具體時間分段為降水期(2017.1.1～2017.1.31)，基坑開挖前(2017.2.1～2017.3.9)，基坑開挖期(2017.4.10～2017.6.26)。

降水期，測點沉降曲線形態無明顯規律，沉降量最大10 mm左右。施工降水停止1個月左右，沉降曲線線性擬合程度不高；基坑開挖前期多數監測點位沉降曲線近似呈直線型，但是各點的沉降速率不一致，根據沉降速率繪制沉降趨勢圖見圖4，平面沉降速率趨勢圖上沉降中心呈多個點狀，沉降中心多集中在1號樓裙樓位置；基坑開挖中期多數點位沉降曲線近似呈直線型，但是各點的沉降速率不一致，根據沉降速率繪制沉降趨勢圖見圖5，平面沉降速率趨勢上沉降中心呈條帶狀分布。

圖4 某高層建筑沉降趨勢(3.9-4.9)

圖5 某高層建筑沉降趨勢(4.9-6.25)

綜合分析裙樓或主樓以及距離基坑遠近沉降速率分析見圖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離基坑的速率。

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

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

(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，已竣工驗收使用了約4年，結合沉降監測，現場調查了，負一層、負二層墻體裂縫，具體裂縫位置、寬度、走向詳見圖8，典型裂縫照片見圖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)地下室不同區域均出現沉降裂縫，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，負二層底板面層最大裂縫寬度8.0 mm。

(2)裂縫導致多處擋土墻滲水，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號線某工程存在不均勻沉降現象，結合FLAC3D對建筑沉降變形的原因進行初步。

4.1 模型建立

根據基坑平面圖，建立三維地質模型。模型長280 m，寬210 m，高80 m。將其按照地層分組并劃分網格，采用六面體網格劃分方法，共有225 512個單元，41 754個節點，研究區巖層基本水平，基坑變形主要受溶洞及巖土力學參數的控制，故按照巖性及風化程度，分為雜填土、粉質黏土、卵石土、泥巖、礫巖對地層分組，建筑按照不同建筑進行分組，基坑單獨分組，溶洞單獨分組，共13個組(圖10)。

圖10 數值計算模型

4.2 參數選擇和工況分析

在初始參數不變的情況下，通過設計不同的工況，模擬驗證不同工況下沉降的變形規律，通過分析降水、基坑開挖、溶蝕空洞條件下，計算沉降量大小關系對比，確定基坑開挖引發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：基坑開挖至-17 m，按照實際工況設置混凝土內支撐；

工況三：在模型中同時考慮周邊巖土體軟化和地下溶蝕空洞，并與前兩個工況進行對比，確定巖體軟化和地下空洞哪一個是主要影響因素。

其中，巖土體參數見表1所示。

表1 巖土體物理力學參數

4.3 計算結果分析

由于基坑施工前需對其進行降水，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，將水面設為平面，并賦予模型孔隙水壓力。在此基礎上對上述三個工況開展分析，計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，對比分析不同工況如基坑開挖、降水、空洞等情況下沉降情況，結果表明：溶洞的存在是基坑及周邊建筑發生顯著豎向位移的主要原因，基坑降水和基坑開挖也能導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，地面最大位移發生在基坑與建筑的交匯處，達到339 mm，而溶洞底部會發生隆起。隨意取其中一個監測點57號為例，57號監測點的最終最大位移達約130 mm。對于成都地區，此類場地常規勘察深度最深約為30 m，而埋深45 m的含膏鹽巖亦會對建筑的變形產生顯著影響，在實際工程勘察中需要注意此類問題。

初步分析原因，認為：場地在可溶性礫巖層中埋深40～45 m范圍發育節理裂隙，厚度30～60 cm，近視呈水平狀，在該高層建筑東側充填較差，局部呈溶蝕空洞狀，同時在礫巖與泥巖接觸帶也在個別鉆孔中發育溶蝕空洞。可溶巖在水中的溶解過程包括溶劑(水)進入可溶巖物表面，溶劑(水)與被溶礦物間的相互作用，以及溶解后的物質從礦物表面擴散等基本過程，實際上溶解過程是雙向的，即溶解和結晶過程同時進行。當溶劑作用到礦物表面時，由于溶質分子本身的運動和溶劑分子對它的吸引，溶質離開固體表面，擴散到溶液中去，同時溶液中的溶質，在運動過程中遇到沒有溶解的礦物時，又重新從溶液中結晶到礦物表面。

5 結論

本文以成都軌道交通18線某深基坑的實測資料為基礎，以現場監測為主，研究下臥含膏可溶巖富水砂卵石地區，基坑施工過程中多因素作用對鄰近高層建筑沉降變形的影響，并結合FLAC3D分析了產生變形的主要原因，結論如下：

(1)基坑施工期不同，對周邊建筑物變形影響程度亦不同。隨著施工程度深入，建筑變形越來越大，影響范圍從裙樓集中分布過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、荷載大小等相關性不顯著；僅僅是靠近基坑的沉降速率略大于遠離基坑的速率，約大0.09 mm/d；

(3)地下室不同區域均出現沉降裂縫，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，負二層底板面層最大裂縫寬度8.0 mm。裂縫導致多處擋土墻滲水，抗水板上填土層積水；

(4)下臥含膏鹽巖場地，相比于基坑開挖、降水，溶蝕孔洞對最大沉降量的影響更大。對于成都地區，此類場地常規勘察深度最深約為30 m，而埋深45 m的含膏鹽巖亦會對建筑的變形產生顯著影響。