可溶岩环境下复杂建构筑物沉降规律数值研究

宋立平，谢强，周其健

(1.中国水利水电第七工程局成都水电建设工程有限公司，成都 611130；2.西南交通大学，成都 610031）

1 引言

成都地铁火车南站是成都轨道交通18号线一期工程的起点站，周边环境条件复杂。紧邻高层建筑、深埋地热管、高架桥等。施工期间地铁车站和周边建筑均发生了不均匀沉降，沉降规律特殊。

地源热泵管线带来的温度变化加剧地下岩土体的水化学反应，产生一系列溶蚀孔洞[1]，临近地铁基坑的降水开挖引发地下岩土体应力变化，在时间与空间上都对周边建筑有着不可忽视的影响[2～3]。国内许多学者对相关问题的研究[4～6]，都仅限于对基坑降水开挖或溶蚀空洞等单一因素影响下的高层建筑沉降研究[7-9]。因此，针对施工环境复杂、周边建构筑物密集的地铁车站施工过程中所出现的区域不均匀沉降问题，本文以实际工程为例，采用FLAC3D软件分析了复杂建筑地基下溶蚀空洞等多种条件下建筑沉降的变形特征，确定了沉降的主要因素，可以为同类工程提供参考。

2 工程概况

车站基坑长约193m，宽约22m，开挖深度约17～21m。高层建筑位于地铁车站以东，建筑边线距离18号线距离11.58～21.70m。1#主楼26层，2#主楼25层，3#主楼28层，全部采用2层地下室框筒结构，筏板基础，基础埋深-11m，以中密卵石为持力层。平面位置关系如图1所示。

图1 高层建筑与地铁基坑平面位置关系图

高层建筑于2010年开工建设，2012年主体竣工。火车南站地铁站于2016年10月开始施工，12月开始基坑开挖。火车南站施工采用明挖法，施工期间进行基坑外降水，支护形式为钻孔灌注桩+三道内支撑围护结构。火车南站基底与1#主楼地下室剖面位置关系如图2所示。工程场地均为第四系（Q）地层覆盖，地表多为人工填土（Q4ml）覆盖，其下为全新统冲积（Q4al）软土、粉质黏土、粉土、黏土、砂土及卵石土，上更新统冰水沉积、冲积（Q3fgl+al）粉土、砂土及卵石土，下伏基岩为白垩系上统灌口组（K2g）泥岩夹砾岩。

图2 1#主楼地下室与地铁基坑剖面位置关系图

1#主楼紧邻地铁基坑东侧，处于基坑2倍开挖深度影响范围内。自地铁基坑开挖以来，1#主楼个别地下室外墙和基坑围护结构与主楼之间的地坪出现了不同程度的裂缝。沉降监测显示，火车南站主体基坑外东侧地表沉降最大，东侧围护桩桩顶竖向位移较大。火车南站车站主体结构东侧第三至第六段（底板为基岩）沉降较大，结构底板东侧呈线性沉降趋势，西侧处于稳定状态，随着时间的推移基坑东西侧的差异沉降显著。

进一步的地质勘察发现，场地埋深35～38m范围以下存在可溶盐，为含石膏、钙芒硝砾岩，在泥岩与砾岩界面和砾岩内部45m左右范围沿裂隙面发育近水平溶蚀空洞，最大溶蚀空洞厚度达60cm，钻孔见洞率达75%。为确定诱发建筑沉降的主要原因，为沉降治理提供依据，在综合考虑基坑开挖与地下溶蚀空洞的共同作用影响下，对其进行数值模拟分析。

3 数值模型

3.1 计算参数

本文采用FLAC3D软件进行分析计算。在分析计算之前，根据模拟模型的不同，设定不同的弹性参数与强度参数组合。本文土体采用摩尔-库仑本构模型，土体的参数包括切变模量(shear)、体积模量(bulk)、内摩擦角（friction)，黏聚力(conhesion)、抗拉强度（tension)、剪胀角（dilation)等。根据地质勘查报告，工程场区地层基本水平，从上到下依次为杂填土、粉质黏土、卵石土、泥岩、砾岩共5个地层，各层土体物理力学参数如表1所示。

表1 地层物理力学参数

3.2 模型建立

以地面为xy平面，竖直向上为z方向建立计算模型，如图4所示。该模型长280m，宽210m，高80m，将建筑、地层及溶洞单独分组，采用4面体网格方法分组划分网格。模型共有225512个单元，41754个节点。

图3 地铁基坑与高层建筑三维模型图

数值模型的边界约束条件为：模型底部约束x、y、z方向的位移，前后面约束y方向的位移，左右两面约束x方向的位移，地表为自由界面。

4 结果分析

在初始参数不变的情况下，本文通过设计不同的工况条件，模拟验证不同因素影响下的沉降变形规律。通过分析降水、基坑开挖、溶蚀空洞条件下，建筑沉降量大小的关系对比，确定诱发高层建筑及成都轨道交通18号线火车南站建筑沉降的主要因素。

地质勘察发现，在工程场区地下泥岩与砾岩界面和砾岩内部45m左右范围沿裂隙面有发育近水平的溶蚀空洞，最大溶蚀空洞厚度达60cm，钻孔见洞率达75%。地下溶蚀空洞的产生直接削弱了地基岩土体的承载能力，从而引发周边环境沉降[10]。为模拟地下溶蚀空洞对于周边环境变形的影响，本文不考虑空洞岩土体的承载能力，将该范围内土体设为水平空洞，厚度为60cm。开挖溶洞范围内空洞岩土体进行数值计算。模型Z方向位移云图如图4、图5所示。

图4 溶洞工况下模型立面Z向位移云图

图5 溶洞工况下模型XZ截面Z向位移云图

从图4、图5可以看出，地下溶蚀空洞的出现对周边环境带来的沉降变形效应十分显著。越靠近溶洞沉降越大，位于溶蚀空洞上方的1#主楼沉降最为明显，最大沉降为28.4cm。地基岩土体内部最大竖向位移位于溶蚀空洞顶板，为34.5cm。溶蚀空洞底板有隆起发生，最大隆起高度为70cm。

该场地也同步进行了深层沉降监测，结果表明火车南站50m深度以下地层沉降相对较小，基本稳定，50m以上深度监测沉降值较大，15～50m深度岩层存在深层沉降问题与模拟结果具有一致性[11]。

5 结论

以成都高层建筑及车站沉降为例，采用显示有限差分软件FLAC3D对基坑溶蚀空洞工况条件下周边环境的沉降变形进行了三维模拟，并与实际监测情况进行分析，结果表明深层下卧溶洞工况下可导致地铁车站及周边建筑发生不均匀沉降。