当提及杭州的特色,除了闻名遐迩的西湖醋鱼,有的杭州人或许会自嘲地说起沉降东站。杭州东站始建于1992年,经2008年改扩建后曾为亚洲最大火车站,然而近年来站台沉降问题显著,部分区域列车车门与站台高差达30多厘米。
类似的沉降现象也出现在北京西站、同济大学南楼以及上海的中苏友谊大厦,其中中苏友谊大厦沉降量更是多达1.9 米。这些建筑沉降究竟是何原因?一旦发生沉降又能否修复?
杭州东站
从宏观视角看,即便雄伟的山岳在漫长岁月与重力作用下,其下的土壤也会被逐渐压缩,致使山体形态改变。建筑亦是如此,甚至整座城市都在缓缓下沉。数据表明,中国45%的中大型城市年均沉降幅度超0.3厘米。这种沉降持续而缓慢,当下人们难以彻底阻止,只能尽力控制。
在国标5007-2011这份文件中,对我国建筑物沉降的允许标准有着详细规定。建筑的允许沉降范围受土壤条件、建筑类型、高度及重量等多因素影响,有一套复杂的计算方案。一般而言,常见单层排架结构建筑允许总沉降量不超200mm,高耸结构虽允许沉降量稍大,但通常也在400mm以内。若沉降是缓慢且均匀的整体下沉,对建筑正常使用影响相对较小;而不规则沉降,如建筑歪斜、坍塌等情况则危害较大。国标对不均匀沉降导致的建筑变形标准控制在千分之五以下。
部分建筑会因特殊原因出现远超预期的大幅沉降。像杭州东站位于钱塘江下游的冲积平原,地势低平,受多种因素影响,此地黏土、粉砂和砂层沉积丰富,土质松软,如同豆腐般极易沉降。城市超采地下水致使地下水位大幅变化,形成地下空腔,以及城市地下空间建设时施工对土壤的扰动,均是常见的沉降诱因。
当沉降发生后,施工团队通常会评估建筑沉降状况,采用基础加固、地基处理、结构修复等综合手段改善沉降问题,并配合后续沉降监测,使建筑沉降处于可接受范围。以杭州东站为例,其站台虽有沉降,但因设置了沉降缝,将站台分割成段,两端沉降较为均匀,对使用影响不大。
上世纪50年代的上海中苏友好大厦(现上海展览中心)颇具代表性。当时中国建筑师记录的趣闻提到,上海为软土地基,按常理建高楼需打桩,而苏联专家认为让建筑均匀沉降即可,于是大厦未打桩,采用钢筋混凝土浇筑箱型基础后建楼。从1955年到1957年,大厦沉降约1.46米,多处开裂。
上海中苏友好大厦(现上海展览中心)
幸运的是,经对地基土分析,发现三年内的沉降已压实下方淤泥质土,土内空隙减少,孔隙水与空气被挤出,地基承载力达标。经修补后,大厦至今仍屹立于上海,成为历史见证者。其沉降相对均匀,若为不均匀沉降则会棘手许多,如著名的比萨斜塔便是不均匀沉降典型。
对比萨斜塔这类不均匀沉降建筑的扶正工程即建筑物纠偏,远比一般沉降处理复杂。上世纪30年代,意大利政府修复斜塔时,在塔基下灌入80吨水泥,却导致斜塔进一步倾斜。现代建筑纠偏一般先将建筑物扶正至“均匀沉降”状态。
1990年,意大利政府为挽救比萨斜塔暂停对外开放,经大量测试与数据采集,1999年施工团队采用挖掘取土法纠偏,在塔基下方取土使西北侧土壤松软,斜塔逐渐向西北回落。至2001年,比萨斜塔累计回正43.1厘米,考虑其地标性意义,未彻底扶正,而是加固塔基并实时监控沉降,使其处于安全状态。
并非所有沉降建筑都能成功修复,旧金山的千禧大厦便是例证。这座58层、高197米的大厦曾是旧金山最高住宅楼,设计前卫,开盘即售罄,公寓均价高达200万美元。施工期间工程师便发现大楼下沉且倾斜,原因是旧金山土壤脆弱,虽施工团队打下950根深达13-17米的混凝土桩支撑,但下方的沉积海湾泥在大厦自身及周边同期施工影响下被压扁,导致大楼沉降远超预期且不均匀,西北方向沉降幅度大。至2018年,已倾斜超40厘米。专家虽称沉降安全可住人,但住户不信并提起诉讼要求退款。
旧金山的千禧大厦
为挽救千禧大厦,施工团队起初打算加深基桩,延伸50多米穿透淤泥层至岩层,后因成本过高放弃。随后提出另一方案:先在沉降严重的西北两面打52根长70多米的增强桩并钉入基岩,同时用注浆加固法固化大厦下方基础;再用外延伸板连接大楼底板与增强桩分摊压力,且外延板可在增强桩上自由活动;最后用液压装置抬升大楼底板扶正。但从2021年5月施工开始,大厦西侧沉降速率猛增,24根西侧钢管施工完后,沉降量大幅增加,至8月22日工程紧急叫停时,大楼倾斜愈发严重。
从上述的许多案例中我们不难看出,即使人们修复各种沉降问题的方法虽说细节上存在差异,但整体思路是相似的,就是对建筑原有的基础进行补强,然后该扶正就扶正,该修复就修复。但是从根本上来看,解决沉降问题的真正关键不在于事后修复,而在于提前避免问题。
历史上无数的案例,包括最近发生的事故,都提醒我们,工程安全是不可逾越的红线,这就要求我们从一开始就做好准备,先进行详细而全面的地质勘查,充分考虑到土壤结构、承载力、含水率等因素,接着再因地制宜地去设计施工方案。正所谓善战者无赫赫之功,任何的修补与加固都无法替代最初的精心策划和精确施工。而这一份细致和远见,才是让我们的建筑能够在岁月流转中依旧稳固如初的真正保障。
文本来源 @差评君 的视频内容