《地下工程结构外水压折减分析研究》

地下工程结构常受外水压力作用。外水压折减的研究有着重要意义。在实际工程中，外水压力并非完全按照理论静水压力分布，由于地层的渗透性、结构与地层的相互作用等多种因素影响，存在折减现象。

从地层渗透性方面看，渗透性低的地层对外水压力传递有阻滞，导致压力折减。结构与地层间的缝隙、地下水的渗流路径等因素，会改变外水压力分布。通过现场监测、数值模拟和理论分析等手段研究折减规律，有助于优化地下工程结构设计，提高工程安全性的同时避免过度设计，节约工程成本。

    摘 要:介绍了广州地铁二号线越秀公园站所采用的有限元数值模拟计算方法,对越秀公园站的暗挖结构施工、使用期间地下水的渗流进行模拟计算,从而得出地下水的渗流场和渗流压力,通过对计算结果与监测结果的比较,指出作用在地下结构上的地下水压力应当适当加以折减。（参考《建筑中文网》）

    关键词:地下工程,地下水压力,折减系数,渗流

    引言
    地下工程的实践表明,与一般地面结构相比,地下结构的受力较为复杂,一般来说,作用在浅埋地下结构上的荷载主要有:土压力、水压力、结构自重、地面荷载、地层反力、运营荷载、地震荷载等。处于地下水位以下的地下结构,需要考虑水压力。地下结构的水压力就是地层中孔隙水压力[1]。关于地下工程地下水压力的认识,国内工程有两种观点:一种观点认为在雨水充沛,地下水位高地区设计二衬时应按全水头压力考虑;另一种观点认为二衬背后的水是初支渗漏水,水头高度经过渗流已经降低,加上衬砌背后回填注浆等措施,使初支与二衬间基本密贴,水压力是以局部的小面积作用在二衬上的,同时暗挖隧道内一般没有泄水孔,所以在设计时对水头压力应予以适当折减。由于缺乏系统、可靠的实测数据和深入的理论分析,对地下水作用的认识仍未达成共识[2]。现通过对排水和渗漏水情况下隧道结构水压折减理论进行分析,同时针对广州地铁二号线越秀公园站,采用有限元数值模拟计算的方法,对越秀公园站的暗挖结构施工、使用期间地下水的渗流进行模拟计算,从而得出地下水的渗流场和渗流压力,得出一些对地下结构设计和施工有参考价值的结论,指导类似工程实践。
    1 工程概况
    广州地铁二号线越秀公园站设于解放北路与流花路交叉路口下,起于以太广场前,沿解放北路并与之小角度斜交,止于广州体育馆东南边的停车站,大致呈南北走向。本场地范围第四系松散堆积物中杂填土成分杂,均匀性差,局部有架空现象,透水性不均一,局部透水性强,其余为弱透水性～极微透水性地层。基岩裂隙水埋藏深。稳定水位在1.5m～3.8m。
    2 计算分析
    本次计算取越秀公园站暗挖区间里程 413处断面进行计算、分析。本次研究首先根据隧道洞径及洞间距,确定计算范围,进行有限元网格划分。在确定计算范围时,考虑到地下水位线以上部分对本渗流计算没影响,所以计算模型的上边界是从水位线开始的。而对计算区域的有限元网格划分是采用ANSYS软件进行的。其次通过渗流计算程序计算出隧道衬砌上的水压力,最后对计算结果与现场实测结果进行比较,得出结论[3,4]。
    计算结果见图1,图2,图3及表1所示。

    依据监测设计,在车站暗挖区间里程 413处,埋设了一组地下水压力测试断面。此断面包含车站左线二衬、车站右线初支及二衬、车站中线初支及二衬。每个断面埋设了3个测点,分别位于结构顶部及两侧拱脚处[5]。
    由计算结果可以看出,在隧道使用阶段水压力明显比隧道施工期间水压力大,这是由于在施工过程中地下水会在开挖面流动,随着防水层施工完成和二次衬砌的施工完成,水位会逐步升高,水压力会逐渐增大,但不会达到地下水水位线的水头,这可以从监测结果与计算结果的比较中看出。监测结果比计算结果偏小,说明隧道周围测点的水压并不等于该点以上的全部水头的静水压力,即作用在地下结构上的地下水压力可以折减[6]。
    对于大型的地下工程,做地下水的渗透分析是值得的,也是有必要的。但对于大量的地下工程都做渗透分析,是精力和财力所不允许的。因此,在总结前人经验的基础上,对于一般的隧道工程,水文地质条件简单的隧道,可采用地下水位线到隧道表面的水柱高度乘以相应的折减系数后,作为该处隧道表面的地下水压力。折减系数可参考其他有关资料确定。
    3 结语
    1)实际中地下水压力是渗透水在围岩和衬砌中产生的体积力,应通过渗透分析计算来确定,目前采用有限元数值模拟计算。在总结前人经验的基础上,对于一般的隧道工程,水文地质条件简单的隧道,没有必要做大量的渗透分析,可采用地下水位线到隧道表面的水柱高度乘以相应的折减系数后,作为该处隧道表面的地下水压力[3]。
    2)在隧道施工过程中,地下水会在开挖临空面流动,水压力较小。随着防水层施工完成和二次衬砌的施工完成,水位会逐步升高,水压力会逐步增大,但不会达到地下水水位线的水头。即作用在地下结构上的地下水压力可以折减。
    3)对于软土地区修建的地下工程,地下水压力的存在对于断面近似于圆形的隧道并不会恶化结构受力,可以采用全包防水;对直边墙和平底的地下结构,会恶化结构内力。可以分析地下水的渗透量,通过对地下水位的影响等因素的经济、技术比较,确定地下工程的防水形式。
   
    参考文献:
    [1]钱家欢,殷宗泽.土工原理与计算[M].北京:中国水利水电出版社,1944.
    [2]D.G弗雷德隆德,H.拉哈尔佐,非饱和土土力学[M].陈仲颐等译.北京:中国建筑工业出版社,1997.
    [3]周书明.浅谈隧道工程地下水的计算[J].铁道工程学报,2000(2),69 72.
    [4]崔 岩.地下结构外水压实验研究及理论分析[D].中国矿业大学硕士论文,1997.
    [5]张成平.隧道结构水压折减及相关问题研究[D].北方交通大学硕士论文,2002.
    [6]朱文彬.饱和—非饱和土的渗流理论与非线性弹性模型及其在岩土工程中的应用研究[D].长沙铁道学院博士学位论文,1998.

原文网址：http://www.pipcn.com/research/200809/13532.htm