大厦将倾 · 旧金山千禧大厦沉陷之谜

2018年9月8日凌晨2点半，随着“砰”的一声响起，千禧大厦36层的住户在熟睡中惊醒。翌日，他们发现在角落里的一扇窗户出现了破裂。

36层破裂的窗户

凌晨的异响只是一个引发点。在事发前的一周，已有多家住户报告听到了大厦传来各种各样的响声。

事实上，千禧大厦的业主已经不是第一次如此担惊受怕。

大厦从2009年竣工之后，以每年1英寸（2.5cm）的速度往地下沉陷。截止2018年底，大厦最多已沉陷达18英寸（46cm），接近两个篮球的直径。

沉陷带来的还有大厦地下室和外墙的扭曲。大量的裂缝出现在墙体和地下室楼板。

地下室墙体出现的裂缝

工人正在修补已出现渗水的墙体

不仅如此，大厦还出现了往西北方向的倾斜。由于倾斜，其顶部已经偏离了超过40cm，被媒体戏称为“旧金山新的旅游景点”。

讽刺大厦倾斜的漫画

业主在购入单位时，也许并没有想到，千禧大厦会以这种方式而闻名。

工程概况

千禧大厦（Millennium Tower）是位于市中心南区的一个商住混合开发项目，北接Mission Street，西接Fremont Street，南接Transbay Transit Center。建成后为旧金山最高的住宅楼。

平面所在位置

大厦由两部分组成:

1)用于居住的58层塔楼，以及

2)商住混用的9层裙楼。

大厦立面示意图

建成后效果图

塔楼位于场地西侧，建筑面积约为150 ft x 100 ft （45.7m x 30.5m）。塔楼为现浇钢筋混凝土结构，中部设置有核心筒。

塔楼的结构体系

塔楼下部拥有一个单层的地下室，地下室坐落在10英尺厚（3m）的筏板基础上。筏板基础的埋深为25英尺（7.6m）。10英尺厚的地垫由942根14英寸（35.5cm）边长的预应力混凝土方桩支撑。

塔楼的桩基础平面布置图

千禧大厦所在地最开始时是一个内陆盆地，在最后一个冰山期结束后（约1万年前），随着海平面的上升沉积了不少软土和砂。所以，地层由上至下大约可以划分为3个类别：厚度约30m的近代海洋沉积物（Marine Deposit），另一个厚度30m的更新世沉积老湾区粘性土（Old Bay Clay）以及下伏的基岩（Bedrock）。

三个主要的地层类别

穿过地下室底部柔软的海洋沉积粘土，这900多根预制方桩的端部都坐落在了老湾区粘土上部的砂层之中。

基础桩坐落在砂层之中

○

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大厦的建设

从2005年开始，大厦的塔楼和裙楼陆续开始了正式的施工。到2009年，千禧大厦基本完工，历时3年有余。以下为各个时期大厦的建设情况。

预制方桩正在打入地下

施工完毕的方桩

2006年6月，中央的塔吊已架了起来

2006年8月，大楼出了地面

2006年10月，高度超过了裙楼部分

与此同时，邻近裙楼的地下室基坑也正在挖掘，并在不久后开挖至坑底。

裙楼基坑与塔楼关系鸟瞰。

2008年2月，塔楼结构封顶。

沉陷发生

在大厦建设之前，工程师通过计算分析研究了大厦地基的沉降问题。据预测，在大厦竣工时（2009年），大楼将会发生1英寸（25mm）的施工期沉降；在随后的20年内，由于砂层下老湾区粘土的固结，基础的沉降将会缓慢地增大，直到5英寸（125mm）。大楼总共将出现约6英寸（150mm）的沉降，并均匀地发生在基础底部。

计算分析预测的大厦沉降变化

然而，当塔楼封顶时，基础发生的沉降已经与20年后的预测沉降值（150mm）相当。

计算值与实测值的对比

即使是竣工后，大厦的沉降速度也比预想中的要快很多，以每年25mm的速度向下沉陷。沉降同样也没有均匀地发生，而且逐渐向西北方向倾斜。以下为大厦地下室底板在2014年~2015年间的沉降变化特征。

逐渐发展的沉降

到2018年底，最大沉降值已超过46cm，而且没有一点放缓的趋势。

至2018年底的沉降累积变化

整座大楼也朝西北向出现了严重的倾斜。塔楼顶部朝西偏移了14英寸（35cm），朝北偏移了6.3英寸（16cm）。

与大本钟及比萨斜塔的倾斜度对比

迷雾中的沉降原因

由于千禧大厦自2009年竣工后即开始了长达10年的沉陷，在这期间，大厦附近有众多工程陆续开工建设，相互建设周期重叠，关系复杂，使大厦沉陷的原因变得扑朔迷离起来。

在大厦塔楼沉降过程中，临近可能会对大厦沉降有影响的工程如下：

2007~2009：塔楼左侧裙楼（Podium）基坑的开挖及建造；

2010~至今：跨海湾交通枢纽（TTC）基坑的开挖及建造；

2013~2016：350 Mission街的大厦建造；

2015~2018：Saleforce大厦基坑的开挖及建造。

千禧大厦塔楼与其他建筑物的空间关系

千禧大厦与临近建筑的建设时间线

目前比较流行的推测大致有以下三种。

1

桩长过短

如前所述，大厦塔楼被约900根预制方桩所支撑。这些桩并没有深入至岩层，而是停留在老湾区粘土上的砂层中。

基础桩下面，还有深厚的老湾区粘土层（OBC）

不同于在旧金山其他的钢结构高层建筑，千禧大厦采用的是钢筋混凝土材料，整楼重量要明显沉重不少。在下表中我们可以看到，千禧大厦每平方英尺的传递给地基的压力，要数倍于其他钢结构的高楼大厦。

千禧大厦的重量巨大

尽管桩端以下老粘土层为超固结土，在如此大的压力下，很有可能粘土层已超过先期固结压力界限，开始了主固结压缩，并最终诱发了大厦缓慢的沉降。

2

裙楼基坑渗漏

在早期的千禧大厦建设策划书中，塔楼地下室与裙楼地下室是计划一起建设的，通过开挖一个整体的基坑来建造。

然而，到了后期的实施阶段，大厦的开发商聘请了一家顾问公司对整个项目做价值工程分析，认为塔楼的先行建设会更加有利。在最终的施工开始之前，塔楼与裙楼被分开了两期先后进行建造。

在塔楼开始出地面时，才开始左侧塔楼地下室基坑的开挖。

裙楼基坑的开挖

基坑的首层支撑与塔楼的筏板相连，在筏板以下即为预制桩

基坑开挖过程中，在靠近塔楼基础的一侧被观察到了持续性的有水渗出。

塔楼基础侧坑底地面的水迹

如果是因为止水体系出现渗漏，那么塔楼基础下的地下水压和水位则会出现下降，引起土体一定程度上的沉降。

如果该处支护体系因为渗漏而引起了过大变形的话，还可能会引起塔楼基础下土体沿滑弧线的移动。这可以解释为什么塔楼最终向基坑相反方向的倾斜。

塔楼向基坑相反方向的倾斜

3

TTC基坑开挖及降水

2016年，迫于大厦业主持续施加的压力，大厦开发商聘请了一家工程顾问公司，对大厦的沉降原因进行了调查。

这家顾问公司的调查报告指出：大厦本身的基础设计是安全合理的，引起沉降的主要原因是隔壁湾区交通枢纽项目（TTC）基坑的开挖和持续性降水导致的。

TTC基坑开挖深度达55英尺（16.7m），最近处与千禧大厦紧紧相贴。

TTC基坑与千禧大厦塔楼平面关系图

TTC基坑与千禧大厦塔楼剖面关系图

因为距离大厦基础过近，为了保护在开挖时大厦的安全，在靠近大厦的一侧还专门设置了一定宽度的重力式坑内加固块（Buttress）。加固块由一系列的钢筋混凝土/素混凝土桩组成。

TCC基坑内加固块

调查报告中的理由如下：

（1）TTC基坑开挖深，而且坑底刚好为千禧大厦塔楼预制桩的持力砂层；

（2）其他旧金山湾区的高层建筑都采用了类似的预制桩基础方案，都没有发生过大的沉降，为什么唯独就千禧大厦发生了？

所以，即使靠近大厦处已经做了一定的坑内加固，报告仍然认为基坑的降水和开挖变形是大厦沉降的主因。基坑开挖及降水引起沉降的机理与前面说过的裙房基坑原理一致。

塔楼同样向基坑相反方向发生了倾斜

哪个才是真相？还是说是这三者共同导致了大厦沉降的恶化？

分析及推测

很多时候，由于太多零散的信息出现在眼前，我们会分不清哪些是有价值的事实，哪些只是迷惑人判断的无用信息。

首先，我们把各个建设工程的建设时间节点放在千禧大厦沉降曲线图中标明。

沉降曲线与工程建设时间节点

曲线反映，从塔楼封顶后，虽然沉降量超过了预期，但大厦的沉降发展的速率似乎一直在变慢。如果照此趋势，理论上沉降曲线应该会按图中绿色虚线发展，并最终在2018年底达到30cm左右的总沉降。

然而，自TCC基坑靠近塔楼区域施工开始，大厦的沉降速率突然增大，并保持同样的节奏一直发展至46cm。

我们不得不对大厦自身的基础方案和TCC基坑的开挖降水进行重点研究分析。

桩端下的粘土层有发生过大沉降吗？

在大厦建设前后，均对基础下的土层进行了勘探工作，并采取试样进行了室内固结试验。

大厦建设前，老湾区粘土层（OBC）的竖向应力与先期固结应力关系如下。

建设前OBC的应力关系图，其中蓝线为现时竖向应力，红线为先期固结压力

可以看出，OBC为超固结土，土体内部的竖向应力小于其先期固结压力。只要竖向应力不超过土体的先期固结压力，土体在压力状态下的压缩量都会非常小。

在大厦发生明显沉降后，老湾区粘土层（OBC）的竖向应力与先期固结应力关系如下。

建设后OBC的应力关系图

在施加上塔楼巨大的荷载后，OBC顶部约15英尺厚度（4.5m）的土体竖向应力已超过了先期固结压力。此时，土体会开始固结排水，并产生3~5倍于之前相等压力下的沉降，直至固结完成。

塔楼钢筋混凝土数倍于钢结构的巨大重量，甚至引起了OBC超过了先期固结压力。设计师对大楼重量出现了低估，或对OBC的超固结土性过于乐观，才导致了以往众多预制桩基础成功案例经验借鉴的失效。

如果我们深入研究2015年大厦基础的沉降云图，可以更加肯定是桩端以下的土层发生了明显的沉降。

2015年的沉降云图

在云图中我们看到，不仅是塔楼区域，整个裙楼区域也出现了超过30cm的沉降，两个区域间的平均沉降差不超过5cm。

如果是桩端以上的土层发生沉降，随着应力向下的扩散作用，并不会出现这样裙楼全区域的大面积沉降。

只有在本项目这种地质条件、桩基方案下，OBC层的固结，才会引起如此奇妙的沉降。

由于塔楼基础的预制桩全部坐落在OBC上部的砂层中，相当于全部塔楼荷载都加载在砂层之中。这时，密实的砂层变成了一个天然的筏板基础，将荷载以更大的面积向OBC传递，最终导致塔楼附近大面积都出现了沉降，整个裙楼区域也不能幸免。

砂层变成了天然筏板基础

无论出现什么原因，在本项目中，过短的桩长与旧金山湾区前所未有遭遇的巨大荷载（旧金山第一高住宅楼），作为大厦沉降的主因难辞其咎。

TTC基坑开挖与降水是否导致了沉降？

TTC基坑的坑内加固施工开始后，塔楼的沉降发展突然加快，所以有部分意见说可能是基坑的降水引起沉降现象的加重。

事实上，引起沉降速率变化的原因可能确实与地下水有关，却不一定是降水。

TTC基坑采用深105英尺（32m）围护结构和钢内支撑对开挖进行支护，围护结构已经穿过了砂层，坐落在OBC粘土层，隔绝了砂层内外的水力联系。除非是围护结构出现渗漏，否则基坑内的降水，并不会对千禧大厦基础区域的地下水位有明显的影响。

隔绝了基坑内外砂层的水力联系，OBC层的低渗透性足以维持坑外的地下水位

然而，不要忘记，除了基坑内的降排水外，OBC层也在悄悄进行自己的排水——巨大上部荷载导致的主固结发生。

在TTC基坑还没有存在时，OBC受压排水时，水会从土层顶面大致均匀竖直排出，此时诱发的沉降也会是均匀的。

水会从土层顶面均匀竖直排出

当TTC基坑开挖时，因为施工了隔断砂层的围护结构及座落至岩层的坑内加固桩组，千禧大厦一侧的地下排水路径已经完全被堵死。靠近基坑一侧OBC层的固结排水只能绕道排出。

由于左侧的通道被堵死，固结排水只能绕道排出

由于排水路径的增长，大厦基础左侧区域的固结发展会比右侧慢，从而造成左侧区域沉降小，右侧区域沉降大的不均匀现象。最终导致大厦不仅沉陷，还一直朝西北向产生倾斜，导致地下室底板扭曲，出现裂缝。

不得不说，如果事实真是如此发展，这是某种程度上的“弄巧成拙”。

在TTC基坑开始施工之前，交通枢纽管理局早就知道千禧大厦正在发生超乎意料的沉降。为了避免在基坑开挖期间使大厦的沉降进一步加大，特意在大厦区段布置了超常规的加固措施。

没想到，加固措施和围护结构在足够强劲的同时，也完全封住了排水路径，可能使大厦产生了另外一种形式沉降损害。

后续

为了避免大厦持续倾斜对地下室和墙体的损害，在倾斜较大的西北角正准备再安装52根座落至岩层的加强桩。桩与现时底板之间安装有液压装置，在桩体施工完毕后，通过液压装置对大厦进行纠偏。

新的液压桩加强方案

千禧大厦业主委员会对大厦的开发商、勘察、设计、施工、监测、评估等一系列单位提起诉讼，要求2亿美元用于维修和赔偿损失。

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