地下工程結(jié)構(gòu)外水壓折減分析研究摘 要:介紹了廣州地鐵二號(hào)線越秀公園站所采用的有限元數(shù)值模擬計(jì)算方法,對(duì)越秀公園站的暗挖結(jié)構(gòu)施工、使用期間地下水的滲流進(jìn)行模擬計(jì)算,從而得出地下水的滲流場和滲流壓力,通過對(duì)計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果的比較,指出作用在地下結(jié)構(gòu)上的地下水壓力應(yīng)當(dāng)適當(dāng)加以折減。關(guān)鍵詞:地下工程,地下水壓力,折減系數(shù),滲流引言 地下工程的實(shí)踐表明,與一般地面結(jié)構(gòu)相比,地下結(jié)構(gòu)的受力較為復(fù)雜,一般來說,作用在淺埋地下結(jié)構(gòu)上的荷載主要有:土壓力、水壓力、結(jié)構(gòu)自重、地面荷載、地層反力、運(yùn)營荷載、地震荷載等。處于地下水位以下的地下結(jié)構(gòu),需要考慮水壓力。地下結(jié)構(gòu)的水壓力就是地層中孔隙水壓力[1]。關(guān)于地下工程地下水壓力的認(rèn)識(shí),國內(nèi)工程有兩種觀點(diǎn):一種觀點(diǎn)認(rèn)為在雨水充沛,地下水位高地區(qū)設(shè)計(jì)二襯時(shí)應(yīng)按全水頭壓力考慮;另一種觀點(diǎn)認(rèn)為二襯背后的水是初支滲漏水,水頭高度經(jīng)過滲流已經(jīng)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(shí)暗挖隧道內(nèi)一般沒有泄水孔,所以在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)水頭壓力應(yīng)予以適當(dāng)折減。由于缺乏系統(tǒng)、可靠的實(shí)測數(shù)據(jù)和深入的理論分析,對(duì)地下水作用的認(rèn)識(shí)仍未達(dá)成共識(shí)[2]。現(xiàn)通過對(duì)排水和滲漏水情況下隧道結(jié)構(gòu)水壓折減理論進(jìn)行分析,同時(shí)針對(duì)廣州地鐵二號(hào)線越秀公園站,采用有限元數(shù)值模擬計(jì)算的方法,對(duì)越秀公園站的暗挖結(jié)構(gòu)施工、使用期間地下水的滲流進(jìn)行模擬計(jì)算,從而得出地下水的滲流場和滲流壓力,得出一些對(duì)地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工有參考價(jià)值的結(jié)論,指導(dǎo)類似工程實(shí)踐。1工程概況 廣州地鐵二號(hào)線越秀公園站設(shè)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(xiàn)象,透水性不均一,局部透水性強(qiáng),其余為弱透水性～極微透水性地層。基巖裂隙水埋藏深。穩(wěn)定水位在1.5ｍ～3.8ｍ。2計(jì)算分析 本次計(jì)算取越秀公園站暗挖區(qū)間里程+413處斷面進(jìn)行計(jì)算、分析。本次研究首先根據(jù)隧道洞徑及洞間距,確定計(jì)算范圍,進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。在確定計(jì)算范圍時(shí),考慮到地下水位線以上部分對(duì)本滲流計(jì)算沒影響,所以計(jì)算模型的上邊界是從水位線開始的。而對(duì)計(jì)算區(qū)域的有限元網(wǎng)格劃分是采用ＡＮＳＹＳ軟件進(jìn)行的。其次通過滲流計(jì)算程序計(jì)算出隧道襯砌上的水壓力,最后對(duì)計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果進(jìn)行比較,得出結(jié)論[3,4]。 計(jì)算結(jié)果見圖1,圖2,圖3及表1所示。
依據(jù)監(jiān)測設(shè)計(jì),在車站暗挖區(qū)間里程+413處,埋設(shè)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(gè)斷面埋設(shè)了3個(gè)測點(diǎn),分別位于結(jié)構(gòu)頂部及兩側(cè)拱腳處[5]。 由計(jì)算結(jié)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(huì)在開挖面流動(dòng),隨著防水層施工完成和二次襯砌的施工完成,水位會(huì)逐步升高,水壓力會(huì)逐漸增大,但不會(huì)達(dá)到地下水水位線的水頭,這可以從監(jiān)測結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的比較中看出。監(jiān)測結(jié)果比計(jì)算結(jié)果偏小,說明隧道周圍測點(diǎn)的水壓并不等于該點(diǎn)以上的全部水頭的靜水壓力,即作用在地下結(jié)構(gòu)上的地下水壓力可以折減[6]。 對(duì)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(duì)于大量的地下工程都做滲透分析,是精力和財(cái)力所不允許的。因此,在總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,對(duì)于一般的隧道工程,水文地質(zhì)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(yīng)的折減系數(shù)后,作為該處隧道表面的地下水壓力。折減系數(shù)可參考其他有關(guān)資料確定。3 結(jié)語 1)實(shí)際中地下水壓力是滲透水在圍巖和襯砌中產(chǎn)生的體積力,應(yīng)通過滲透分析計(jì)算來確定,目前采用有限元數(shù)值模擬計(jì)算。在總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,對(duì)于一般的隧道工程,水文地質(zhì)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(yīng)的折減系數(shù)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(huì)在開挖臨空面流動(dòng),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(huì)逐步升高,水壓力會(huì)逐步增大,但不會(huì)達(dá)到地下水水位線的水頭。即作用在地下結(jié)構(gòu)上的地下水壓力可以折減。 3)對(duì)于軟土地區(qū)修建的地下工程,地下水壓力的存在對(duì)于斷面近似于圓形的隧道并不會(huì)惡化結(jié)構(gòu)受力,可以采用全包防水;對(duì)直邊墻和平底的地下結(jié)構(gòu),會(huì)惡化結(jié)構(gòu)內(nèi)力。可以分析地下水的滲透量,通過對(duì)地下水位的影響等因素的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)比較,確定地下工程的防水形式。參考文獻(xiàn):[1]錢家歡,殷宗澤.土工原理與計(jì)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(xué)[Ｍ].陳仲頤等譯.北京:中國建筑工業(yè)出版社,1997.[3]周書明.淺談隧道工程地下水的計(jì)算[Ｊ].鐵道工程學(xué)報(bào),2000(2),69 72.[4]崔 巖.地下結(jié)構(gòu)外水壓實(shí)驗(yàn)研究及理論分析[Ｄ].中國礦業(yè)大學(xué)碩士論文,1997.[5]張成平.隧道結(jié)構(gòu)水壓折減及相關(guān)問題研究[Ｄ].北方交通大學(xué)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(yīng)用研究[Ｄ].長沙鐵道學(xué)院博士學(xué)位論文,1998.
依據(jù)監(jiān)測設(shè)計(jì),在車站暗挖區(qū)間里程+413處,埋設(shè)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(gè)斷面埋設(shè)了3個(gè)測點(diǎn),分別位于結(jié)構(gòu)頂部及兩側(cè)拱腳處[5]。 由計(jì)算結(jié)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(huì)在開挖面流動(dòng),隨著防水層施工完成和二次襯砌的施工完成,水位會(huì)逐步升高,水壓力會(huì)逐漸增大,但不會(huì)達(dá)到地下水水位線的水頭,這可以從監(jiān)測結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的比較中看出。監(jiān)測結(jié)果比計(jì)算結(jié)果偏小,說明隧道周圍測點(diǎn)的水壓并不等于該點(diǎn)以上的全部水頭的靜水壓力,即作用在地下結(jié)構(gòu)上的地下水壓力可以折減[6]。 對(duì)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(duì)于大量的地下工程都做滲透分析,是精力和財(cái)力所不允許的。因此,在總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,對(duì)于一般的隧道工程,水文地質(zhì)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(yīng)的折減系數(shù)后,作為該處隧道表面的地下水壓力。折減系數(shù)可參考其他有關(guān)資料確定。3 結(jié)語 1)實(shí)際中地下水壓力是滲透水在圍巖和襯砌中產(chǎn)生的體積力,應(yīng)通過滲透分析計(jì)算來確定,目前采用有限元數(shù)值模擬計(jì)算。在總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,對(duì)于一般的隧道工程,水文地質(zhì)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(yīng)的折減系數(shù)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(huì)在開挖臨空面流動(dòng),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(huì)逐步升高,水壓力會(huì)逐步增大,但不會(huì)達(dá)到地下水水位線的水頭。即作用在地下結(jié)構(gòu)上的地下水壓力可以折減。 3)對(duì)于軟土地區(qū)修建的地下工程,地下水壓力的存在對(duì)于斷面近似于圓形的隧道并不會(huì)惡化結(jié)構(gòu)受力,可以采用全包防水;對(duì)直邊墻和平底的地下結(jié)構(gòu),會(huì)惡化結(jié)構(gòu)內(nèi)力。可以分析地下水的滲透量,通過對(duì)地下水位的影響等因素的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)比較,確定地下工程的防水形式。參考文獻(xiàn):[1]錢家歡,殷宗澤.土工原理與計(jì)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(xué)[Ｍ].陳仲頤等譯.北京:中國建筑工業(yè)出版社,1997.[3]周書明.淺談隧道工程地下水的計(jì)算[Ｊ].鐵道工程學(xué)報(bào),2000(2),69 72.[4]崔 巖.地下結(jié)構(gòu)外水壓實(shí)驗(yàn)研究及理論分析[Ｄ].中國礦業(yè)大學(xué)碩士論文,1997.[5]張成平.隧道結(jié)構(gòu)水壓折減及相關(guān)問題研究[Ｄ].北方交通大學(xué)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(yīng)用研究[Ｄ].長沙鐵道學(xué)院博士學(xué)位論文,1998.
