地下工程結構外水壓折減分析研究摘 要:介紹了廣州地鐵二號線越秀公園站所采用的有限元數值模擬計算方法,對越秀公園站的暗挖結構施工、使用期間地下水的滲流進行模擬計算,從而得出地下水的滲流場和滲流壓力,通過對計算結果與監測結果的比較,指出作用在地下結構上的地下水壓力應當適當加以折減。關鍵詞:地下工程,地下水壓力,折減系數,滲流引言 地下工程的實踐表明,與一般地面結構相比,地下結構的受力較為復雜,一般來說,作用在淺埋地下結構上的荷載主要有:土壓力、水壓力、結構自重、地面荷載、地層反力、運營荷載、地震荷載等。處于地下水位以下的地下結構,需要考慮水壓力。地下結構的水壓力就是地層中孔隙水壓力[1]。關于地下工程地下水壓力的認識,國內工程有兩種觀點:一種觀點認為在雨水充沛,地下水位高地區設計二襯時應按全水頭壓力考慮;另一種觀點認為二襯背后的水是初支滲漏水,水頭高度經過滲流已經降低,加上襯砌背后回填注漿等措施,使初支與二襯間基本密貼,水壓力是以局部的小面積作用在二襯上的,同時暗挖隧道內一般沒有泄水孔,所以在設計時對水頭壓力應予以適當折減。由于缺乏系統、可靠的實測數據和深入的理論分析,對地下水作用的認識仍未達成共識[2]。現通過對排水和滲漏水情況下隧道結構水壓折減理論進行分析,同時針對廣州地鐵二號線越秀公園站,采用有限元數值模擬計算的方法,對越秀公園站的暗挖結構施工、使用期間地下水的滲流進行模擬計算,從而得出地下水的滲流場和滲流壓力,得出一些對地下結構設計和施工有參考價值的結論,指導類似工程實踐。1工程概況 廣州地鐵二號線越秀公園站設于解放北路與流花路交叉路口下,起于以太廣場前,沿解放北路并與之小角度斜交,止于廣州體育館東南邊的停車站,大致呈南北走向。本場地范圍第四系松散堆積物中雜填土成分雜,均勻性差,局部有架空現象,透水性不均一,局部透水性強,其余為弱透水性～極微透水性地層。基巖裂隙水埋藏深。穩定水位在1.5ｍ～3.8ｍ。2計算分析 本次計算取越秀公園站暗挖區間里程+413處斷面進行計算、分析。本次研究首先根據隧道洞徑及洞間距,確定計算范圍,進行有限元網格劃分。在確定計算范圍時,考慮到地下水位線以上部分對本滲流計算沒影響,所以計算模型的上邊界是從水位線開始的。而對計算區域的有限元網格劃分是采用ＡＮＳＹＳ軟件進行的。其次通過滲流計算程序計算出隧道襯砌上的水壓力,最后對計算結果與現場實測結果進行比較,得出結論[3,4]。 計算結果見圖1,圖2,圖3及表1所示。
依據監測設計,在車站暗挖區間里程+413處,埋設了一組地下水壓力測試斷面。此斷面包含車站左線二襯、車站右線初支及二襯、車站中線初支及二襯。每個斷面埋設了3個測點,分別位于結構頂部及兩側拱腳處[5]。 由計算結果可以看出,在隧道使用階段水壓力明顯比隧道施工期間水壓力大,這是由于在施工過程中地下水會在開挖面流動,隨著防水層施工完成和二次襯砌的施工完成,水位會逐步升高,水壓力會逐漸增大,但不會達到地下水水位線的水頭,這可以從監測結果與計算結果的比較中看出。監測結果比計算結果偏小,說明隧道周圍測點的水壓并不等于該點以上的全部水頭的靜水壓力,即作用在地下結構上的地下水壓力可以折減[6]。 對于大型的地下工程,做地下水的滲透分析是值得的,也是有必要的。但對于大量的地下工程都做滲透分析,是精力和財力所不允許的。因此,在總結前人經驗的基礎上,對于一般的隧道工程,水文地質條件簡單的隧道,可采用地下水位線到隧道表面的水柱高度乘以相應的折減系數后,作為該處隧道表面的地下水壓力。折減系數可參考其他有關資料確定。3 結語 1)實際中地下水壓力是滲透水在圍巖和襯砌中產生的體積力,應通過滲透分析計算來確定,目前采用有限元數值模擬計算。在總結前人經驗的基礎上,對于一般的隧道工程,水文地質條件簡單的隧道,沒有必要做大量的滲透分析,可采用地下水位線到隧道表面的水柱高度乘以相應的折減系數后,作為該處隧道表面的地下水壓力[3]。 2)在隧道施工過程中,地下水會在開挖臨空面流動,水壓力較小。隨著防水層施工完成和二次襯砌的施工完成,水位會逐步升高,水壓力會逐步增大,但不會達到地下水水位線的水頭。即作用在地下結構上的地下水壓力可以折減。 3)對于軟土地區修建的地下工程,地下水壓力的存在對于斷面近似于圓形的隧道并不會惡化結構受力,可以采用全包防水;對直邊墻和平底的地下結構,會惡化結構內力。可以分析地下水的滲透量,通過對地下水位的影響等因素的經濟、技術比較,確定地下工程的防水形式。參考文獻:[1]錢家歡,殷宗澤.土工原理與計算[Ｍ].北京:中國水利水電出版社,1944.[2]Ｄ.Ｇ弗雷德隆德,Ｈ.拉哈爾佐,非飽和土土力學[Ｍ].陳仲頤等譯.北京:中國建筑工業出版社,1997.[3]周書明.淺談隧道工程地下水的計算[Ｊ].鐵道工程學報,2000(2),69 72.[4]崔 巖.地下結構外水壓實驗研究及理論分析[Ｄ].中國礦業大學碩士論文,1997.[5]張成平.隧道結構水壓折減及相關問題研究[Ｄ].北方交通大學碩士論文,2002.[6]朱文彬.飽和—非飽和土的滲流理論與非線性彈性模型及其在巖土工程中的應用研究[Ｄ].長沙鐵道學院博士學位論文,1998.
依據監測設計,在車站暗挖區間里程+413處,埋設了一組地下水壓力測試斷面。此斷面包含車站左線二襯、車站右線初支及二襯、車站中線初支及二襯。每個斷面埋設了3個測點,分別位于結構頂部及兩側拱腳處[5]。 由計算結果可以看出,在隧道使用階段水壓力明顯比隧道施工期間水壓力大,這是由于在施工過程中地下水會在開挖面流動,隨著防水層施工完成和二次襯砌的施工完成,水位會逐步升高,水壓力會逐漸增大,但不會達到地下水水位線的水頭,這可以從監測結果與計算結果的比較中看出。監測結果比計算結果偏小,說明隧道周圍測點的水壓并不等于該點以上的全部水頭的靜水壓力,即作用在地下結構上的地下水壓力可以折減[6]。 對于大型的地下工程,做地下水的滲透分析是值得的,也是有必要的。但對于大量的地下工程都做滲透分析,是精力和財力所不允許的。因此,在總結前人經驗的基礎上,對于一般的隧道工程,水文地質條件簡單的隧道,可采用地下水位線到隧道表面的水柱高度乘以相應的折減系數后,作為該處隧道表面的地下水壓力。折減系數可參考其他有關資料確定。3 結語 1)實際中地下水壓力是滲透水在圍巖和襯砌中產生的體積力,應通過滲透分析計算來確定,目前采用有限元數值模擬計算。在總結前人經驗的基礎上,對于一般的隧道工程,水文地質條件簡單的隧道,沒有必要做大量的滲透分析,可采用地下水位線到隧道表面的水柱高度乘以相應的折減系數后,作為該處隧道表面的地下水壓力[3]。 2)在隧道施工過程中,地下水會在開挖臨空面流動,水壓力較小。隨著防水層施工完成和二次襯砌的施工完成,水位會逐步升高,水壓力會逐步增大,但不會達到地下水水位線的水頭。即作用在地下結構上的地下水壓力可以折減。 3)對于軟土地區修建的地下工程,地下水壓力的存在對于斷面近似于圓形的隧道并不會惡化結構受力,可以采用全包防水;對直邊墻和平底的地下結構,會惡化結構內力。可以分析地下水的滲透量,通過對地下水位的影響等因素的經濟、技術比較,確定地下工程的防水形式。參考文獻:[1]錢家歡,殷宗澤.土工原理與計算[Ｍ].北京:中國水利水電出版社,1944.[2]Ｄ.Ｇ弗雷德隆德,Ｈ.拉哈爾佐,非飽和土土力學[Ｍ].陳仲頤等譯.北京:中國建筑工業出版社,1997.[3]周書明.淺談隧道工程地下水的計算[Ｊ].鐵道工程學報,2000(2),69 72.[4]崔 巖.地下結構外水壓實驗研究及理論分析[Ｄ].中國礦業大學碩士論文,1997.[5]張成平.隧道結構水壓折減及相關問題研究[Ｄ].北方交通大學碩士論文,2002.[6]朱文彬.飽和—非飽和土的滲流理論與非線性彈性模型及其在巖土工程中的應用研究[Ｄ].長沙鐵道學院博士學位論文,1998.