宋立平，謝強(qiáng)，周其健

(1.中國(guó)水利水電第七工程局成都水電建設(shè)工程有限公司，成都 611130；2.西南交通大學(xué)，成都 610031）

1 引言

成都地鐵火車南站是成都軌道交通18號(hào)線一期工程的起點(diǎn)站，周邊環(huán)境條件復(fù)雜。緊鄰高層建筑、深埋地?zé)峁堋⒏呒軜虻?。施工期間地鐵車站和周邊建筑均發(fā)生了不均勻沉降，沉降規(guī)律特殊。

地源熱泵管線帶來(lái)的溫度變化加劇地下巖土體的水化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生一系列溶蝕孔洞[1]，臨近地鐵基坑的降水開(kāi)挖引發(fā)地下巖土體應(yīng)力變化，在時(shí)間與空間上都對(duì)周邊建筑有著不可忽視的影響[2～3]。國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)相關(guān)問(wèn)題的研究[4～6]，都僅限于對(duì)基坑降水開(kāi)挖或溶蝕空洞等單一因素影響下的高層建筑沉降研究[7-9]。因此，針對(duì)施工環(huán)境復(fù)雜、周邊建構(gòu)筑物密集的地鐵車站施工過(guò)程中所出現(xiàn)的區(qū)域不均勻沉降問(wèn)題，本文以實(shí)際工程為例，采用FLAC3D軟件分析了復(fù)雜建筑地基下溶蝕空洞等多種條件下建筑沉降的變形特征，確定了沉降的主要因素，可以為同類工程提供參考。

2 工程概況

車站基坑長(zhǎng)約193m，寬約22m，開(kāi)挖深度約17～21m。高層建筑位于地鐵車站以東，建筑邊線距離18號(hào)線距離11.58～21.70m。1#主樓26層，2#主樓25層，3#主樓28層，全部采用2層地下室框筒結(jié)構(gòu)，筏板基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深-11m，以中密卵石為持力層。平面位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 高層建筑與地鐵基坑平面位置關(guān)系圖

高層建筑于2010年開(kāi)工建設(shè)，2012年主體竣工。火車南站地鐵站于2016年10月開(kāi)始施工，12月開(kāi)始基坑開(kāi)挖。火車南站施工采用明挖法，施工期間進(jìn)行基坑外降水，支護(hù)形式為鉆孔灌注樁+三道內(nèi)支撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)?；疖嚹险净着c1#主樓地下室剖面位置關(guān)系如圖2所示。工程場(chǎng)地均為第四系（Q）地層覆蓋，地表多為人工填土（Q4ml）覆蓋，其下為全新統(tǒng)沖積（Q4al）軟土、粉質(zhì)黏土、粉土、黏土、砂土及卵石土，上更新統(tǒng)冰水沉積、沖積（Q3fgl+al）粉土、砂土及卵石土，下伏基巖為白堊系上統(tǒng)灌口組（K2g）泥巖夾礫巖。

圖2 1#主樓地下室與地鐵基坑剖面位置關(guān)系圖

1#主樓緊鄰地鐵基坑?xùn)|側(cè)，處于基坑2倍開(kāi)挖深度影響范圍內(nèi)。自地鐵基坑開(kāi)挖以來(lái)，1#主樓個(gè)別地下室外墻和基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)與主樓之間的地坪出現(xiàn)了不同程度的裂縫。沉降監(jiān)測(cè)顯示，火車南站主體基坑外東側(cè)地表沉降最大，東側(cè)圍護(hù)樁樁頂豎向位移較大?；疖嚹险拒囌局黧w結(jié)構(gòu)東側(cè)第三至第六段（底板為基巖）沉降較大，結(jié)構(gòu)底板東側(cè)呈線性沉降趨勢(shì)，西側(cè)處于穩(wěn)定狀態(tài)，隨著時(shí)間的推移基坑?xùn)|西側(cè)的差異沉降顯著。

進(jìn)一步的地質(zhì)勘察發(fā)現(xiàn)，場(chǎng)地埋深35～38m范圍以下存在可溶鹽，為含石膏、鈣芒硝礫巖，在泥巖與礫巖界面和礫巖內(nèi)部45m左右范圍沿裂隙面發(fā)育近水平溶蝕空洞，最大溶蝕空洞厚度達(dá)60cm，鉆孔見(jiàn)洞率達(dá)75%。為確定誘發(fā)建筑沉降的主要原因，為沉降治理提供依據(jù)，在綜合考慮基坑開(kāi)挖與地下溶蝕空洞的共同作用影響下，對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

3 數(shù)值模型

3.1 計(jì)算參數(shù)

本文采用FLAC3D軟件進(jìn)行分析計(jì)算。在分析計(jì)算之前，根據(jù)模擬模型的不同，設(shè)定不同的彈性參數(shù)與強(qiáng)度參數(shù)組合。本文土體采用摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型，土體的參數(shù)包括切變模量(shear)、體積模量(bulk)、內(nèi)摩擦角（friction)，黏聚力(conhesion)、抗拉強(qiáng)度（tension)、剪脹角（dilation)等。根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告，工程場(chǎng)區(qū)地層基本水平，從上到下依次為雜填土、粉質(zhì)黏土、卵石土、泥巖、礫巖共5個(gè)地層，各層土體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

3.2 模型建立

以地面為xy平面，豎直向上為z方向建立計(jì)算模型，如圖4所示。該模型長(zhǎng)280m，寬210m，高80m，將建筑、地層及溶洞單獨(dú)分組，采用4面體網(wǎng)格方法分組劃分網(wǎng)格。模型共有225512個(gè)單元，41754個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖3 地鐵基坑與高層建筑三維模型圖

數(shù)值模型的邊界約束條件為：模型底部約束x、y、z方向的位移，前后面約束y方向的位移，左右兩面約束x方向的位移，地表為自由界面。

4 結(jié)果分析

在初始參數(shù)不變的情況下，本文通過(guò)設(shè)計(jì)不同的工況條件，模擬驗(yàn)證不同因素影響下的沉降變形規(guī)律。通過(guò)分析降水、基坑開(kāi)挖、溶蝕空洞條件下，建筑沉降量大小的關(guān)系對(duì)比，確定誘發(fā)高層建筑及成都軌道交通18號(hào)線火車南站建筑沉降的主要因素。

地質(zhì)勘察發(fā)現(xiàn)，在工程場(chǎng)區(qū)地下泥巖與礫巖界面和礫巖內(nèi)部45m左右范圍沿裂隙面有發(fā)育近水平的溶蝕空洞，最大溶蝕空洞厚度達(dá)60cm，鉆孔見(jiàn)洞率達(dá)75%。地下溶蝕空洞的產(chǎn)生直接削弱了地基巖土體的承載能力，從而引發(fā)周邊環(huán)境沉降[10]。為模擬地下溶蝕空洞對(duì)于周邊環(huán)境變形的影響，本文不考慮空洞巖土體的承載能力，將該范圍內(nèi)土體設(shè)為水平空洞，厚度為60cm。開(kāi)挖溶洞范圍內(nèi)空洞巖土體進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。模型Z方向位移云圖如圖4、圖5所示。

圖4 溶洞工況下模型立面Z向位移云圖

圖5 溶洞工況下模型XZ截面Z向位移云圖

從圖4、圖5可以看出，地下溶蝕空洞的出現(xiàn)對(duì)周邊環(huán)境帶來(lái)的沉降變形效應(yīng)十分顯著。越靠近溶洞沉降越大，位于溶蝕空洞上方的1#主樓沉降最為明顯，最大沉降為28.4cm。地基巖土體內(nèi)部最大豎向位移位于溶蝕空洞頂板，為34.5cm。溶蝕空洞底板有隆起發(fā)生，最大隆起高度為70cm。

該場(chǎng)地也同步進(jìn)行了深層沉降監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明火車南站50m深度以下地層沉降相對(duì)較小，基本穩(wěn)定，50m以上深度監(jiān)測(cè)沉降值較大，15～50m深度巖層存在深層沉降問(wèn)題與模擬結(jié)果具有一致性[11]。

5 結(jié)論

以成都高層建筑及車站沉降為例，采用顯示有限差分軟件FLAC3D對(duì)基坑溶蝕空洞工況條件下周邊環(huán)境的沉降變形進(jìn)行了三維模擬，并與實(shí)際監(jiān)測(cè)情況進(jìn)行分析，結(jié)果表明深層下臥溶洞工況下可導(dǎo)致地鐵車站及周邊建筑發(fā)生不均勻沉降。