在建地铁车站近接高层建筑物沉降规律研究

谢 强，周其健, 郑立宁,3，罗益斌，杨春灿

(1.中国电建集团铁路建设有限公司，北京 100044; 2.中国建筑西南勘察设计研究院有限公司，四川成都 610052; 3.中建地下空间有限公司，四川成都 610073)

地铁车站深基坑工程施工对周边环境可能造成的破坏主要包括以下几个方面：(1)由于地面变形而造成地面建筑物的开裂、倾斜甚至倒塌；(2)造成路面以及其他地面设施的破坏；(3)造成地下管线的破裂等。深基坑开挖施工中，由于地下水位变化、支护结构变形等将导致基坑周围土体的变形、沉降，超过各种构筑物的正常使用容许变形，影响其正常使用，还会危及周边建筑物的安全。因此，在基坑开挖的过程中，必须采取一系列的保护措施，不仅要保证基坑施工的安全顺利，还要保证周边建筑物在深基坑开挖过程中不遭到破坏。因此，在地铁车站深基坑工程施工时，开展地铁车站深基坑工程施工对周边区域沉降变形的影响分析是非常有必要的。

国内很多学者开展了这方面的研究工作，通过采用室内和现场试验、理论分析、数值模拟相结合的方法开展研究工作，研究地区涉西安、深圳、天津、北京、沈阳等地，涉及的岩土体类型有黄土地层、饱和软土地层、砂性土地层等等，研究了饱和软黄土地层隧道施工诱发的地表沉降规律[1]、复杂施工体系所造成地表沉降的空间规律及其统计特征[2]、密贴下穿施工引起既有地铁车站结构沉降规律[3]、不同开挖方案引起的相邻地铁站的沉降值，来评估不同方案对地铁结构安全性的影响[4]、考虑流固耦合效应不同地下水位高度的隧道施工对地表沉降的影响，初步建立了地铁暗挖施工开挖进程的三维空间地表沉降预测方法、总结了地铁在不同覆跨比H/D、不同地层条件和不同施工方法下的沉降、沉降槽宽系数k、地层损失率Vl及间隙参数g的变化规律及其经验关系[5]、基于弹性半无限空间Mindlin位移解推导了无悬挂承压水降水引起的周边地铁沉降计算解析解[6]，上述研究为城市轨道交通建设引起的地表及周围建筑物的沉降变形的计算和预测提供了宝贵的资料。

然而，四川盆地西北面龙门山南段前缘沉积了一套明显的咸湖红色河流相砂泥岩(晚白垩世灌口组K2g)，为膏盐蒸发岩系。如成都天府新区天府大道、成都地铁1号线南延线、达成铁路、成南高速等多处工点在勘察和施工过程中均发现有此类岩系分布，伴有局部溶蚀孔洞，见洞率最高达59.3 %。此类岩系地层在地下水的作用下，易被分解，形成类似碳酸盐岩的KARST形态，给工程勘察、设计、施工、运营带来了一些列的不便[7-9]。目前国内外对此类岩体的地铁施工变形的研究仍属空白。本文以成都轨道交通18线某深基坑的实测资料为基础，采用现场监测结合FLAC 3D数值模拟的手段，研究下卧含膏可溶岩富水砂卵石地区，基坑施工过程中多因素作用对邻近高层建筑沉降变形的影响。

1 工程概况

成都轨道交通18号线某站为一在建车站，位于某高层建筑西侧。场地地形较平坦，地貌单元属岷江水系Ⅰ级阶地。该建筑位于18号线车站2倍基坑开挖深度影响范围内的建筑物为1#塔楼及商业裙楼。车站基坑开挖深度17～21 m，建筑物距离基坑最近10.58 m。1#塔楼部位采用钢筋混凝土筏板基础，裙楼部位采用柱下独立基础+防水板。地勘资料显示，该场地内地表多为人工填土覆盖，其下为软土、粉质黏土、粉土、黏土、砂土及卵石土，下伏基岩为泥岩(图1)。

图1 基坑及周边建筑物

2 研究区特殊工程地质条件

2.1 水文地质条件

研究区地下水位类型为松散堆积砂卵石层孔隙潜水和基岩裂隙孔隙水，场地潜水稳定水位在-9.9～-8.0 m，变化幅度一般在2～3 m。调查发现，在地下50 m左右范围内，为地下水强烈运移、流通带，地下水的流动，将石膏溶蚀，并顺溶蚀孔或裂隙形成网络状的风化带溶蚀孔和溶隙，为地下水的补给、储集、径流创造了良好的通道和空间，形成风化带含水层，但由于泥岩性质软，裂隙多为微张或闭合状，且溶蚀孔隙的发育深度受地下水动力条件的限制，当深度大于50 m或70 m时，溶蚀孔洞减少，溶隙也减少，就基本不含水。

场地详勘阶段，分别在勘察钻孔不同深度位置以及河水取水进行水质简分析，场地地下水中含有K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42+、HCO3-等离子，pH介于7.3～8.5(呈弱碱性)。同时发现，钻孔深部水体各离子浓度明显高于浅部水体和河水，说明河水与地下水水力联系较弱。

2.2 研究区含膏盐岩特征

含膏盐岩为泥岩和砾岩。泥岩为紫红色，矿物成份以黏土矿物为主，泥质结构，中厚层状构造，钙泥质胶结，局部见石膏充填，局部见溶蚀小孔，层厚15.5～26 m；砾岩为紫红色或灰白色，碎屑结构，泥质胶结，均见钙芒硝充填，含量约20 %～50 %，局部有石膏溶蚀骨架现象，局部见溶蚀小孔，部分钻孔在此岩层内有掉钻漏浆现象。典型岩石芯样见图2所示。

研究区泥岩的天然含水率为8.61 %，变形模量为0.126～0.153 GPa，泊松比为0.33。矿物成分分析得出，泥岩由蒙脱石、伊利石、绿泥石、石英、斜长石和方解石组成，其中伊利石含量最多，伊利石含量25 %～45 %，平均为含量为35 %。

(a)泥岩

3 地铁施工对周围环境影响

3.1 监测点布设

2016年12月11日开始地铁基坑开挖，2016年12月31日开始降水，2017年1月24日停止降水，2017年6月5日地铁结构封顶。为探讨特殊工程地质条件(可溶岩环境)下，地铁基坑施工对周边建筑物的影响，开展了地铁车站施工降水及基坑开挖前监测、地铁车站施工降水及基坑开挖期间沉降监测，监测点在建筑物墙体四周布设，监测布设点图见图3所示。

图3 沉降变形监测点布设

3.2 沉降监测结果分析

沉降监测的位置为2号楼主楼和1号楼裙楼，最大累计沉降量11.99 mm。从沉降变形速率来看，开始监测的最大的沉降变形速率约为0.3 mm/d，变为0.018 mm/d。

进一步，考虑到地铁车站施工降水和基坑开挖对周边环境的影响，根据施工降水和基坑开挖时间，对监测数据按照不同的时间分段进行分析，具体时间分段为降水期(2017.1.1～2017.1.31)，基坑开挖前(2017.2.1～2017.3.9)，基坑开挖期(2017.4.10～2017.6.26)。

降水期，测点沉降曲线形态无明显规律，沉降量最大10 mm左右。施工降水停止1个月左右，沉降曲线线性拟合程度不高；基坑开挖前期多数监测点位沉降曲线近似呈直线型，但是各点的沉降速率不一致，根据沉降速率绘制沉降趋势图见图4，平面沉降速率趋势图上沉降中心呈多个点状，沉降中心多集中在1号楼裙楼位置；基坑开挖中期多数点位沉降曲线近似呈直线型，但是各点的沉降速率不一致，根据沉降速率绘制沉降趋势图见图5，平面沉降速率趋势上沉降中心呈条带状分布。

图4 某高层建筑沉降趋势(3.9-4.9)

图5 某高层建筑沉降趋势(4.9-6.25)

综合分析裙楼或主楼以及距离基坑远近沉降速率分析见图6、图7，由图可知：

(1)裙楼沉降大于主楼，沉降速率由北向南，先增大再减小。靠近基坑的沉降速率略大于远离基坑的速率。

(2)随着时间的发展，沉降速率均呈减小趋势，最大沉降速率由0.941 mm/d降至0.396 mm/d，沉降速率趋缓。

(3)同一时期，沉降速率与距离基坑的远近相关性差，与覆盖层厚度大小相关性差。

(a)裙楼沉降速率(3月9日-4月9日)

(a)裙楼沉降速率(3月9日-4月9日)

3.3 建筑裂缝情况

基坑紧邻的高层建筑，已竣工验收使用了约4年，结合沉降监测，现场调查了，负一层、负二层墙体裂缝，具体裂缝位置、宽度、走向详见图8，典型裂缝照片见图9。

图8 建筑墙体裂缝展布

(a)典型裂缝1

裂缝总体情况如下：

(1)地下室不同区域均出现沉降裂缝，填充墙最大裂缝约8.0 mm，混凝土墙最大裂缝宽度约0.4 mm，梁最大裂缝宽度约0.2 mm，负二层底板面层最大裂缝宽度8.0 mm。

(2)裂缝导致多处挡土墙渗水，抗水板上填土层积水。

4 变形原因刍析

该高层建筑和轨道交通18号线某工程存在不均匀沉降现象，结合FLAC3D对建筑沉降变形的原因进行初步。

4.1 模型建立

根据基坑平面图，建立三维地质模型。模型长280 m，宽210 m，高80 m。将其按照地层分组并划分网格，采用六面体网格划分方法，共有225 512个单元，41 754个节点，研究区岩层基本水平，基坑变形主要受溶洞及岩土力学参数的控制，故按照岩性及风化程度，分为杂填土、粉质黏土、卵石土、泥岩、砾岩对地层分组，建筑按照不同建筑进行分组，基坑单独分组，溶洞单独分组，共13个组(图10)。

图10 数值计算模型

4.2 参数选择和工况分析

在初始参数不变的情况下，通过设计不同的工况，模拟验证不同工况下沉降的变形规律，通过分析降水、基坑开挖、溶蚀空洞条件下，计算沉降量大小关系对比，确定基坑开挖引发周围建筑沉降主要因素，工况如下：

工况一：初始水位埋深8 m，降水后水位埋深16 m；

工况二：基坑开挖至-17 m，按照实际工况设置混凝土内支撑；

工况三：在模型中同时考虑周边岩土体软化和地下溶蚀空洞，并与前两个工况进行对比，确定岩体软化和地下空洞哪一个是主要影响因素。

其中，岩土体参数见表1所示。

表1 岩土体物理力学参数

4.3 计算结果分析

由于基坑施工前需对其进行降水，因此基坑天然工况下基坑水位面位于基坑以下，天然状况下水面为8 m，降水后为16 m，将水面设为平面，并赋予模型孔隙水压力。在此基础上对上述三个工况开展分析，计算得出的竖向位移云图如图11所示。

(a)工况1

从图11中可见，对比分析不同工况如基坑开挖、降水、空洞等情况下沉降情况，结果表明：溶洞的存在是基坑及周边建筑发生显著竖向位移的主要原因，基坑降水和基坑开挖也能导致基坑及周边建筑物沉降，但是影响的量值都明显较小。图11(c)中，越靠近溶洞位移越大，地面最大位移发生在基坑与建筑的交汇处，达到339 mm，而溶洞底部会发生隆起。随意取其中一个监测点57号为例，57号监测点的最终最大位移达约130 mm。对于成都地区，此类场地常规勘察深度最深约为30 m，而埋深45 m的含膏盐岩亦会对建筑的变形产生显著影响，在实际工程勘察中需要注意此类问题。

初步分析原因，认为：场地在可溶性砾岩层中埋深40～45 m范围发育节理裂隙，厚度30～60 cm，近视呈水平状，在该高层建筑东侧充填较差，局部呈溶蚀空洞状，同时在砾岩与泥岩接触带也在个别钻孔中发育溶蚀空洞。可溶岩在水中的溶解过程包括溶剂(水)进入可溶岩物表面，溶剂(水)与被溶矿物间的相互作用，以及溶解后的物质从矿物表面扩散等基本过程，实际上溶解过程是双向的，即溶解和结晶过程同时进行。当溶剂作用到矿物表面时，由于溶质分子本身的运动和溶剂分子对它的吸引，溶质离开固体表面，扩散到溶液中去，同时溶液中的溶质，在运动过程中遇到没有溶解的矿物时，又重新从溶液中结晶到矿物表面。

5 结论

本文以成都轨道交通18线某深基坑的实测资料为基础，以现场监测为主，研究下卧含膏可溶岩富水砂卵石地区，基坑施工过程中多因素作用对邻近高层建筑沉降变形的影响，并结合FLAC3D分析了产生变形的主要原因，结论如下：

(1)基坑施工期不同，对周边建筑物变形影响程度亦不同。随着施工程度深入，建筑变形越来越大，影响范围从裙楼集中分布过渡到整幢大楼的条带状分布；

(2)基坑周边建筑物的最大变形与距基坑距离、荷载大小等相关性不显著；仅仅是靠近基坑的沉降速率略大于远离基坑的速率，约大0.09 mm/d；

(3)地下室不同区域均出现沉降裂缝，填充墙最大裂缝约8.0 mm，混凝土墙最大裂缝宽度约0.4 mm，梁最大裂缝宽度约0.2 mm，负二层底板面层最大裂缝宽度8.0 mm。裂缝导致多处挡土墙渗水，抗水板上填土层积水；

(4)下卧含膏盐岩场地，相比于基坑开挖、降水，溶蚀孔洞对最大沉降量的影响更大。对于成都地区，此类场地常规勘察深度最深约为30 m，而埋深45 m的含膏盐岩亦会对建筑的变形产生显著影响。