天津高層建筑建設(shè)對周邊土層影響監(jiān)測工程實(shí)例

羅立紅，萬廣欣，牛 毅，邵 興

（1.天津市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站,天津 300191;2.天津市地質(zhì)調(diào)查研究院，天津 300191）

0 引言

近年來天津新建高層建筑深基坑開挖、地鐵車站和區(qū)間段盾構(gòu)隧道施工、南水北調(diào)引水隧道工程和合流污水管道的施工等，這些地下工程的施工常會引發(fā)地面沉降，給社會發(fā)展、城市建設(shè)、環(huán)境保護(hù)和人民生活帶來危害。

高層建筑建設(shè)引發(fā)的地面沉降研究較多，國內(nèi)外的學(xué)者研究集中在高層建筑施工期間的基坑降水階段及模型研究[1～3]，對高層建筑主體建設(shè)及建成后臨近土層的壓縮變形量及對周邊土層影響實(shí)測成果尚不多見。本文通過對高層建筑密集區(qū)布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測建設(shè)中期及后期，在建建筑體對周邊土層影響。

1 監(jiān)測區(qū)選取及監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)

1.1 監(jiān)測區(qū)選址

為監(jiān)測高層建筑荷載對地面沉降的影響，在選擇監(jiān)測區(qū)時(shí)主要考慮以下幾方面：

（1）監(jiān)測區(qū)盡量遠(yuǎn)離地下水開采漏斗區(qū)，最好為城市供水管網(wǎng)供水區(qū)。

（2）監(jiān)測區(qū)內(nèi)高層比較密集，且能代表新型商業(yè)區(qū)的基本特征。

（3）建筑場地類型多樣、建設(shè)時(shí)間差較大、存在空曠的未開發(fā)場地，這些條件主要為對比分析相似地質(zhì)條件的地質(zhì)體上不同荷載下土層固結(jié)變形特點(diǎn)。

（4）監(jiān)測標(biāo)志點(diǎn)埋設(shè)后不易被破壞，保證監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

本次主要選取天津?yàn)I海新區(qū)某開發(fā)區(qū)進(jìn)行監(jiān)測研究，該開發(fā)區(qū)為現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)服務(wù)區(qū)，包含20余棟國際甲級商務(wù)樓宇，該監(jiān)測區(qū)目前處于建設(shè)中期，核心區(qū)已竣工塔樓10余棟，正在施工項(xiàng)目有6處，包括高層建筑、廣場、地下交通，其中高層建筑均為20～30層左右，地下室1～2層。因此，該建設(shè)區(qū)域具備現(xiàn)代都市高層建筑群的建設(shè)特點(diǎn)，可以作為典型商務(wù)建設(shè)區(qū)進(jìn)行監(jiān)測。

1.2 監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)

圖1 監(jiān)測點(diǎn)布置圖

監(jiān)測區(qū)面積2km2，包括在建工程1區(qū)和2區(qū)，重點(diǎn)監(jiān)測在建工程2區(qū)（圖1）。在建工程2區(qū)主要由4座20層左右塔樓、一座3層裙房、一座2層裙房組成，建筑基礎(chǔ)為整體澆注；在建工程1區(qū)建設(shè)規(guī)模為2區(qū)的一半。本次主要監(jiān)測地下室及主體塔樓施工過程對周邊土層影響。本次監(jiān)測網(wǎng)布設(shè)既包含平面水準(zhǔn)點(diǎn)監(jiān)測，又包含垂向分層標(biāo)監(jiān)測，監(jiān)測成果全面立體。水準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)、分層標(biāo)埋設(shè)特點(diǎn)，詳述如下：

（1）水準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)特點(diǎn)

1）監(jiān)測點(diǎn)主要為設(shè)在路肩的道路水準(zhǔn)點(diǎn)，部分為埋石點(diǎn)及墻體點(diǎn)。選埋點(diǎn)在里程碑或道路上的固定方位物附近；

2）垂直于工程建設(shè)區(qū)方向和平行工程建設(shè)區(qū)方向均布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)。垂直于工程建設(shè)區(qū)方向布設(shè)密集度大且不均勻，在臨近工程區(qū)監(jiān)測點(diǎn)布置密些，遠(yuǎn)離工程區(qū)布置監(jiān)測點(diǎn)稀疏些，基本能控制在建建筑影響程度由近及遠(yuǎn)逐漸減弱的變化趨勢；平行于工程區(qū)方向，主要集中在兩個(gè)工程區(qū)之間布設(shè)；

3）監(jiān)測點(diǎn)的密度足夠。本次布設(shè)水準(zhǔn)點(diǎn)間距最小為53m，最大間距446m（14號點(diǎn)與19號點(diǎn)之間因修路及熱水管道施工等原因?qū)е虏糠致范畏忾]），平均間距200m左右?；灸苋婵刂票O(jiān)測區(qū)內(nèi)部小范圍地表形變量。

（2）分層標(biāo)孔埋設(shè)特點(diǎn)

1）分層標(biāo)孔均埋設(shè)于施工場地圍擋內(nèi)，其中一組埋設(shè)于工程降水帷幕旁，另有一組距帷幕垂直距離20m左右；基本能說明距建筑體不同距離分層沉降量差異性。

2）主要監(jiān)測深度分別為71m、39m、27.5m、16m；16～27.5m之間為淤泥質(zhì)軟土段，27.5～39m主要樁基持力層段，39～71m主要樁基影響帶，基本能反映建筑物建設(shè)對不同深度土層的影響，埋設(shè)深度比較合理。

2 監(jiān)測點(diǎn)成果分析

1.1 監(jiān)測點(diǎn)整體成果

（1）監(jiān)測點(diǎn)平面成果分析

監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測周期為1月/次，以11月份監(jiān)測成果為例（圖2），圖中顯示沉降最大的區(qū)域主要分布于在建工程區(qū)周圍，且距在建工程越遠(yuǎn)其沉降越?。槐O(jiān)測點(diǎn)基本覆蓋了整個(gè)監(jiān)測區(qū)，能反映監(jiān)測區(qū)內(nèi)不同區(qū)域變化情況。

其中23監(jiān)測點(diǎn)位于在建工程2區(qū)300m左右，該點(diǎn)11月份月沉降速率變形量為所有監(jiān)測點(diǎn)最大；單點(diǎn)沉降變化趨勢來看，23號監(jiān)測點(diǎn)11月份較其它月份沉降明顯增大。經(jīng)調(diào)查得知距此點(diǎn)20m左右正在開挖基坑，開工時(shí)間為2011年10月。在已建成的監(jiān)測網(wǎng)中，能夠體現(xiàn)突發(fā)建設(shè)對周圍監(jiān)測點(diǎn)影響，由此，可以看出本次監(jiān)測網(wǎng)布設(shè)是成功的。

圖2 監(jiān)測區(qū)平面及立體圖

（2）監(jiān)測點(diǎn)立體成果分析

水準(zhǔn)點(diǎn)主要反映建筑荷載建設(shè)過程對周邊土層影響深度內(nèi)變形量總和，如果想了解不同深度土層壓縮量，還需要分層標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析。本次分層標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示（表1），1.2～16m，16～39m內(nèi)壓縮變形量占總變形量90%以上。

1.2 單點(diǎn)成果分析

（1）水準(zhǔn)點(diǎn)成果分析

具體到各監(jiān)測點(diǎn)的沉降變化各具特色，主要選取06、37、33、12、23五個(gè)監(jiān)測點(diǎn)分別說明其監(jiān)測成果及可能影響因素。

表1 F2分層標(biāo)組沉降監(jiān)測成果

1）監(jiān)測點(diǎn)06、37位于在建工程1、2區(qū)項(xiàng)目附近，監(jiān)測時(shí)間為自地下室澆注施工至塔樓主體施工完成。由圖3可知兩監(jiān)測點(diǎn)均在7、8月份沉降量出現(xiàn)正值，9～11月份為沉降，1～2月出現(xiàn)反彈。兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)距在建工程均在4m左右，6～11月份累計(jì)沉降量差1mm，2012年1～2月份兩監(jiān)測點(diǎn)沉降反彈差較大。對于累計(jì)沉降量來說，6～11月份在建工程累計(jì)沉降最大影響量在15mm左右。

2）監(jiān)測點(diǎn)33位于2011年12月竣工的項(xiàng)目附近，該項(xiàng)目于2011年5月已基本完成塔樓施工工序，監(jiān)測期間主要進(jìn)入工程后期外延裝飾階段。2012年1月，該點(diǎn)被破壞。

圖4顯示的33號監(jiān)測點(diǎn)沉降變化規(guī)律與06號監(jiān)測點(diǎn)有相似之處，最大的差異點(diǎn)在2011年11月沉降為正值，分析原因與施工后期沉降反彈有一定關(guān)系。

12號監(jiān)測點(diǎn)周圍建筑物均為2010年以前建設(shè)。圖4顯示的12號監(jiān)測點(diǎn)沉降變化規(guī)律與33號監(jiān)測點(diǎn)有相似之處，各月沉降量略有差別。這兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)成果在一定程度上反映出建筑物建設(shè)后期與建設(shè)后3～5年對周圍環(huán)境影響相似。

圖3 06、37號監(jiān)測點(diǎn)沉降變化直方圖

圖4 33、12號監(jiān)測點(diǎn)沉降變化曲線

3）2011年6至9月23號監(jiān)測點(diǎn)沉降量與37號監(jiān)測點(diǎn)有相似之處，然而，自2011年10月以后該點(diǎn)變形量均為負(fù)值且每月變形量相近，主要受周邊基坑開挖影響（圖5）。

圖5 23號監(jiān)測點(diǎn)沉降變化直方圖

圖6 F2分層標(biāo)組各監(jiān)測層沉降變化曲線

（2）分層標(biāo)成果

以F2分層標(biāo)監(jiān)測成果為例（表1），本次主要分析分層標(biāo)建成后的初步成果，由圖6顯示F2C3層為變化最穩(wěn)定，F(xiàn)2C1，F(xiàn)2C3數(shù)據(jù)在某些時(shí)間段變化規(guī)律相似，但在11月與次年2月份F2C1，F(xiàn)2C3監(jiān)測數(shù)據(jù)差異較大。據(jù)9個(gè)月的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，0～71m范圍內(nèi)沉降變形最大的層位為1.2～16m，次之為16～39m。結(jié)合地層條件及建筑場地情況分析，0～16m沉降主要原因?yàn)閳龅貎?nèi)工程材料堆積，16～39m沉降主要原因?yàn)榍饭探Y(jié)軟土在附加荷載（上部堆積物及高層建筑荷載）作用下壓密沉降。F2標(biāo)組沉降量較塘沽開發(fā)區(qū)一大街分層標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)大，這也體顯了高層建筑建設(shè)具有加劇周圍土體固結(jié)的作用。

3 監(jiān)測工程創(chuàng)新點(diǎn)

天津在地面沉降監(jiān)測及研究方面有著悠久的歷史和豐富的經(jīng)驗(yàn)，近年來隨著國家對地面沉降工作的重視，先后新建臨港工業(yè)區(qū)分層標(biāo)組、漢沽分層標(biāo)組，分層標(biāo)施工技術(shù)也在逐步提高，本次分層標(biāo)施工在前人經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上又有所改進(jìn)與創(chuàng)新。本次監(jiān)測工程主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

（1）首次對高層建筑群建設(shè)引起沉降進(jìn)行平面及垂向監(jiān)測

本次監(jiān)測區(qū)內(nèi)選埋變形觀測點(diǎn)對平面沉降進(jìn)行監(jiān)測，同時(shí)通過建立分層標(biāo)組對垂向變形進(jìn)行監(jiān)測，對建筑物建設(shè)期間引起的沉降變形更直觀立體化。這種在在高層建筑群密集區(qū)埋設(shè)分層標(biāo)組及監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測高層建筑對地面沉降的影響，在天津地區(qū)首次應(yīng)用。為查明高層建筑對地面沉降的影響，提供監(jiān)測數(shù)據(jù)，也為其它高層建筑群建設(shè)控制地面沉降工作提供借鑒依據(jù)。

（2）分層標(biāo)監(jiān)測技術(shù)創(chuàng)新

首先，目前監(jiān)測采用一孔單標(biāo)沉降儀占用場地較大，而磁環(huán)感應(yīng)式分層沉降儀監(jiān)測數(shù)據(jù)精度較低。本次施工橫向油壓分層標(biāo)組監(jiān)測精度達(dá)0.01mm，分層標(biāo)標(biāo)底結(jié)構(gòu)由縱向轉(zhuǎn)為橫向，從而實(shí)現(xiàn)了一個(gè)標(biāo)孔內(nèi)放4個(gè)不同層位標(biāo)組，即節(jié)約占地又能達(dá)到高精度分層監(jiān)測變形量的目的。

其次，施工過程采用油壓打開標(biāo)底橫向伸縮裝置，標(biāo)桿作為油壓管路；標(biāo)桿與標(biāo)桿、保護(hù)管與保護(hù)管之間用絲扣連接，為保證管的密封性，連接時(shí)涂抹防滲膠或密封蠟。打壓前灌入液壓油，為防止產(chǎn)生氣堵，工程施工過程中還采取了一些防范措施，為本次施工順利完成打下良好基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

（1）水分層標(biāo)組的聯(lián)合監(jiān)測方式，更能全面反映高層建筑影響程度及主要影響深度，本次監(jiān)測時(shí)間較短，長期監(jiān)測其規(guī)律性變化會更顯著些。

（2）高層建筑一般坐落于經(jīng)濟(jì)高度發(fā)展地段，土地利用率高，一旦地面沉降發(fā)生其經(jīng)濟(jì)損失較大，需要建立一些長期監(jiān)測設(shè)施。目前在同樣的監(jiān)測精度條件下，一孔一標(biāo)占地面積大，一孔多標(biāo)分層標(biāo)組有更廣泛的應(yīng)用前景。

（3）本次建立的高層密集建筑監(jiān)測系統(tǒng)布設(shè)方法對城市建設(shè)預(yù)防沉降災(zāi)害起到積極的作用，可以在其它工程建設(shè)區(qū)推廣應(yīng)用。

[1]丁德民,馬鳳山等.高層建筑荷載與地下水開采疊加作用下的地面沉降特征[J].地面沉降研究（第11期），127～131.

[2]唐益群，嚴(yán)學(xué)新，王建秀，盧 辰.高層建筑群對地面沉降影響的模型試驗(yàn)研究[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，35（3）：320～25.

[3]唐益群，崔振東，王興漢，盧 辰.密集高層建筑群的工程環(huán)境效應(yīng)引起地面沉降初步研究[J].西北振動學(xué)報(bào)，2007，29（2）：105～108.

[4]介玉新,高 燕,李廣信.城市建設(shè)對地面沉降影響的原因分析[J].巖土工程技術(shù)，2007，21（2）：78～82.