可溶巖環境下復雜建構筑物沉降規律數值研究

宋立平，謝強，周其健

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

1 引言

成都地鐵火車南站是成都軌道交通18號線一期工程的起點站，周邊環境條件復雜。緊鄰高層建筑、深埋地熱管、高架橋等。施工期間地鐵車站和周邊建筑均發生了不均勻沉降，沉降規律特殊。

地源熱泵管線帶來的溫度變化加劇地下巖土體的水化學反應，產生一系列溶蝕孔洞[1]，臨近地鐵基坑的降水開挖引發地下巖土體應力變化，在時間與空間上都對周邊建筑有著不可忽視的影響[2～3]。國內許多學者對相關問題的研究[4～6]，都僅限于對基坑降水開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，針對施工環境復雜、周邊建構筑物密集的地鐵車站施工過程中所出現的區域不均勻沉降問題，本文以實際工程為例，采用FLAC3D軟件分析了復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

車站基坑長約193m，寬約22m，開挖深度約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層地下室框筒結構，筏板基礎，基礎埋深-11m，以中密卵石為持力層。平面位置關系如圖1所示。

圖1 高層建筑與地鐵基坑平面位置關系圖

高層建筑于2010年開工建設，2012年主體竣工。火車南站地鐵站于2016年10月開始施工，12月開始基坑開挖。火車南站施工采用明挖法，施工期間進行基坑外降水，支護形式為鉆孔灌注樁+三道內支撐圍護結構。火車南站基底與1#主樓地下室剖面位置關系如圖2所示。工程場地均為第四系（Q）地層覆蓋，地表多為人工填土（Q4ml）覆蓋，其下為全新統沖積（Q4al）軟土、粉質黏土、粉土、黏土、砂土及卵石土，上更新統冰水沉積、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系圖

1#主樓緊鄰地鐵基坑東側，處于基坑2倍開挖深度影響范圍內。自地鐵基坑開挖以來，1#主樓個別地下室外墻和基坑圍護結構與主樓之間的地坪出現了不同程度的裂縫。沉降監測顯示，火車南站主體基坑外東側地表沉降最大，東側圍護樁樁頂豎向位移較大。火車南站車站主體結構東側第三至第六段（底板為基巖）沉降較大，結構底板東側呈線性沉降趨勢，西側處于穩定狀態，隨著時間的推移基坑東西側的差異沉降顯著。

進一步的地質勘察發現，場地埋深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部45m左右范圍沿裂隙面發育近水平溶蝕空洞，最大溶蝕空洞厚度達60cm，鉆孔見洞率達75%。為確定誘發建筑沉降的主要原因，為沉降治理提供依據，在綜合考慮基坑開挖與地下溶蝕空洞的共同作用影響下，對其進行數值模擬分析。

3 數值模型

3.1 計算參數

本文采用FLAC3D軟件進行分析計算。在分析計算之前，根據模擬模型的不同，設定不同的彈性參數與強度參數組合。本文土體采用摩爾-庫侖本構模型，土體的參數包括切變模量(shear)、體積模量(bulk)、內摩擦角（friction)，黏聚力(conhesion)、抗拉強度（tension)、剪脹角（dilation)等。根據地質勘查報告，工程場區地層基本水平，從上到下依次為雜填土、粉質黏土、卵石土、泥巖、礫巖共5個地層，各層土體物理力學參數如表1所示。

表1 地層物理力學參數

3.2 模型建立

以地面為xy平面，豎直向上為z方向建立計算模型，如圖4所示。該模型長280m，寬210m，高80m，將建筑、地層及溶洞單獨分組，采用4面體網格方法分組劃分網格。模型共有225512個單元，41754個節點。

圖3 地鐵基坑與高層建筑三維模型圖

數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 結果分析

在初始參數不變的情況下，本文通過設計不同的工況條件，模擬驗證不同因素影響下的沉降變形規律。通過分析降水、基坑開挖、溶蝕空洞條件下，建筑沉降量大小的關系對比，確定誘發高層建筑及成都軌道交通18號線火車南站建筑沉降的主要因素。

地質勘察發現，在工程場區地下泥巖與礫巖界面和礫巖內部45m左右范圍沿裂隙面有發育近水平的溶蝕空洞，最大溶蝕空洞厚度達60cm，鉆孔見洞率達75%。地下溶蝕空洞的產生直接削弱了地基巖土體的承載能力，從而引發周邊環境沉降[10]。為模擬地下溶蝕空洞對于周邊環境變形的影響，本文不考慮空洞巖土體的承載能力，將該范圍內土體設為水平空洞，厚度為60cm。開挖溶洞范圍內空洞巖土體進行數值計算。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對周邊環境帶來的沉降變形效應十分顯著。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生，最大隆起高度為70cm。

該場地也同步進行了深層沉降監測，結果表明火車南站50m深度以下地層沉降相對較小，基本穩定，50m以上深度監測沉降值較大，15～50m深度巖層存在深層沉降問題與模擬結果具有一致性[11]。

5 結論

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對基坑溶蝕空洞工況條件下周邊環境的沉降變形進行了三維模擬，并與實際監測情況進行分析，結果表明深層下臥溶洞工況下可導致地鐵車站及周邊建筑發生不均勻沉降。