隧道及地下工程地下水壓力監(jiān)測(cè)與模擬分析

1、隧道及地下工程地下水壓力隧道及地下工程地下水壓力現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與模擬分析現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與模擬分析2011年年7月月14日日賀學(xué)海賀學(xué)海主要內(nèi)容主要內(nèi)容1.地下水壓力的概念及分類地下水壓力的概念及分類2.地下水壓力勘測(cè)現(xiàn)狀地下水壓力勘測(cè)現(xiàn)狀3.現(xiàn)狀地下水壓力的確定現(xiàn)狀地下水壓力的確定4.建筑物永久性的抗浮措施建筑物永久性的抗浮措施5.地下水壓力的確定方法地下水壓力的確定方法6.現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試實(shí)例現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試實(shí)例7.地下水壓力的模擬預(yù)測(cè)地下水壓力的模擬預(yù)測(cè)8.地下水壓力現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與模擬分析的意義地下水壓力現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與模擬分析的意義地下水壓力的概念及分類地下水壓力的概念及分類水平方向(m)510152025303540455

2、055606570垂直方向(m)10121416182022242628303234363840靜水壓力 孔隙水壓力 滲透壓力 PPwuPV 建筑基坑建筑基坑2 82 93 03 13 23 33 43 53 63 73 83 94 04 14 24 34 44 54 64 703 06 09 01 2 0 1 5 0 1 8 0 2 1 0水 壓 力 ( k N / m2)標(biāo) 高 ( m )靜 水 壓 力 分 布 曲 線實(shí) 測(cè) 數(shù) 據(jù) 擬 合 曲 線預(yù) 測(cè) 水 壓 力 曲 線實(shí) 測(cè) 數(shù) 據(jù) 點(diǎn)基 底 標(biāo) 高 36.00m 基底標(biāo)高為36.00m左右，對(duì)于基底地下水壓力：按場(chǎng)區(qū)最高水位標(biāo)高計(jì)算

3、為100kN/m2實(shí)測(cè)的為40kN/m2 左右；在考慮場(chǎng)區(qū)地下水位的各種不利因素影響下進(jìn)行預(yù)測(cè)的基底最大水壓力也僅為80kN/m2 左右，也比按靜水壓力的計(jì)算值降低了20 kN/m2。 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與模擬分析結(jié)果現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與模擬分析結(jié)果 不論在理論上還是在實(shí)踐中，工程地質(zhì)界對(duì)不論在理論上還是在實(shí)踐中，工程地質(zhì)界對(duì)地下水壓力的勘測(cè)研究都是有限的。地下水壓力的勘測(cè)研究都是有限的。理想的均勻理想的均勻介質(zhì)靜水壓力分布假設(shè)介質(zhì)靜水壓力分布假設(shè)仍然是當(dāng)前工程界計(jì)算地仍然是當(dāng)前工程界計(jì)算地下水力學(xué)作用的常用方法。下水力學(xué)作用的常用方法。Pw= wh 地下水壓力勘測(cè)現(xiàn)狀地下水壓力勘測(cè)現(xiàn)狀 長(zhǎng)期以來，工程中只考慮了

4、長(zhǎng)期以來，工程中只考慮了靜水壓力靜水壓力的作用，的作用，忽略了忽略了孔隙水壓力孔隙水壓力和和滲透壓力滲透壓力的作用。的作用。q大量的隧道、地鐵、地下車庫、人防、地下商大量的隧道、地鐵、地下車庫、人防、地下商場(chǎng)、市政設(shè)施和房屋建筑的開工和建設(shè)，工程中場(chǎng)、市政設(shè)施和房屋建筑的開工和建設(shè)，工程中與地下水壓力與地下水壓力相關(guān)的問題將越來越多，相關(guān)的問題將越來越多，比如比如基礎(chǔ)基礎(chǔ)抗浮抗浮問題、問題、地下室外墻承載力驗(yàn)算地下室外墻承載力驗(yàn)算、邊坡穩(wěn)定性邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算驗(yàn)算等等，都與地下水壓力取值的大小直接相關(guān)。等等，都與地下水壓力取值的大小直接相關(guān)。地下水壓力勘測(cè)現(xiàn)狀地下水壓力勘測(cè)現(xiàn)狀地下水壓力勘測(cè)現(xiàn)狀地

5、下水壓力勘測(cè)現(xiàn)狀 由于由于上世紀(jì)上世紀(jì)7070年代年代以前的建筑基坑都比較淺，且工程以前的建筑基坑都比較淺，且工程設(shè)計(jì)和施工中的地下水主要設(shè)計(jì)和施工中的地下水主要“以排為主以排為主”，因此，地下水壓，因此，地下水壓力問題沒有深入考慮，垂向上地下水壓力分布也很簡(jiǎn)單，主力問題沒有深入考慮，垂向上地下水壓力分布也很簡(jiǎn)單，主要按靜水壓力分布考慮即可。要按靜水壓力分布考慮即可。 進(jìn)入進(jìn)入上世紀(jì)上世紀(jì)8080年代年代以后，隨著高層建筑不斷涌現(xiàn)，基以后，隨著高層建筑不斷涌現(xiàn)，基礎(chǔ)埋深不斷增加，且工程設(shè)計(jì)和施工中要求逐步摒棄礎(chǔ)埋深不斷增加，且工程設(shè)計(jì)和施工中要求逐步摒棄“以以排為主排為主”，采用，采用“以堵為

6、主以堵為主” 的原則，地下水壓力問題的原則，地下水壓力問題才相應(yīng)地在地下工程中顯現(xiàn)出來，并受到普遍的關(guān)注。才相應(yīng)地在地下工程中顯現(xiàn)出來，并受到普遍的關(guān)注。 在地下水壓力取值方面，雖然從巖性和含水層類在地下水壓力取值方面，雖然從巖性和含水層類型等方面提出了地下水壓力修正系數(shù)的概念，但對(duì)型等方面提出了地下水壓力修正系數(shù)的概念，但對(duì)地下水壓力的作用機(jī)理不清楚。對(duì)地下水壓力的認(rèn)地下水壓力的作用機(jī)理不清楚。對(duì)地下水壓力的認(rèn)識(shí)還是停留在地下水位上，沒有進(jìn)行滲流分析，沒識(shí)還是停留在地下水位上，沒有進(jìn)行滲流分析，沒有考慮孔隙水壓力和滲透壓力的作用。有考慮孔隙水壓力和滲透壓力的作用。現(xiàn)狀地下水壓力的確定現(xiàn)狀地下

7、水壓力的確定 并且修正系數(shù)的取值范圍太大，工程中不好使并且修正系數(shù)的取值范圍太大，工程中不好使用，或使用不合理。用，或使用不合理。 隧道襯砌外水壓力的確定隧道襯砌外水壓力的確定摒棄“以排為主”，采用“以堵為主” 的設(shè)計(jì)原則張有天（1985年）、鄒成杰(1994)、宴同珍(1994)、張有天(1996)等都總結(jié)和論述了水頭折減系數(shù)取值的經(jīng)驗(yàn)方法。提出外水壓力修正系數(shù)法計(jì)算外水壓力。hpw鉆孔左線右線鉆孔鉆孔陳崇希、張有天等提出外水壓力修正系數(shù)并不一定恒小于1 hpw 隧道襯砌外水壓力的確定隧道襯砌外水壓力的確定建筑物永久性的抗浮措施建筑物永久性的抗浮措施 3.3.1 壓重抗浮3.3.2 抗浮樁抗

8、浮3.3.3 錨桿抗浮3.3.4 永久性抗浮錨樁抗浮3.3.5 排水降壓法抗浮3.3.6 無浮力底板抗浮3.3.7 圍護(hù)樁兼作地下結(jié)構(gòu)抗浮3.3.8 減少結(jié)構(gòu)埋深抗浮 工程中一般只是從措施上來考慮如何工程中一般只是從措施上來考慮如何防治防治地地下水壓力，并沒有分析地下水壓力值的實(shí)際大小下水壓力，并沒有分析地下水壓力值的實(shí)際大小應(yīng)該是多少。應(yīng)該是多少。 忽視了地下水壓力的取值是否準(zhǔn)確、忽視了地下水壓力的取值是否準(zhǔn)確、是否合理，以及對(duì)方案設(shè)計(jì)的影響問題。是否合理，以及對(duì)方案設(shè)計(jì)的影響問題。3.3.1 壓重抗浮 建筑物永久性的抗浮措施建筑物永久性的抗浮措施 3.3.2 抗浮樁抗浮 建筑物永久性的抗浮

9、措施建筑物永久性的抗浮措施 3.3.3 錨桿抗浮 建筑物永久性的抗浮措施建筑物永久性的抗浮措施 3.3.4 永久性抗浮錨樁抗浮 建筑物永久性的抗浮措施建筑物永久性的抗浮措施 3.3.5 排水降壓法抗浮 圖 20 棋盤形排水降壓系統(tǒng) 建筑物永久性的抗浮措施建筑物永久性的抗浮措施 3.3.6 無浮力底板抗浮 建筑物永久性的抗浮措施建筑物永久性的抗浮措施 3.3.7 圍護(hù)樁兼作地下結(jié)構(gòu)抗浮3.3.8 減少結(jié)構(gòu)埋深抗浮建筑物永久性的抗浮措施建筑物永久性的抗浮措施 地下水壓力的確定方法地下水壓力的確定方法對(duì)工程中的地下水壓力問題，主要有3種方法來確定： 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、物理模擬、數(shù)學(xué)模擬現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、物理模擬、數(shù)

10、學(xué)模擬三種方法對(duì)地下水壓力的確定和研究都是可行的， 實(shí)際工作中可根據(jù)具體情況和實(shí)際需要來選擇。但要正確確定地下水壓力，關(guān)鍵要重視現(xiàn)場(chǎng)勘察和實(shí)測(cè)，建立正確的地質(zhì)模型，從而得到可靠的結(jié)果。上述3種方法中，物理模擬難度很大，一般常用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)學(xué)模擬。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試實(shí)例現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試實(shí)例 （1） 北四環(huán)中關(guān)村路塹工程 （2） 中華民族園海洋館工程作為市政道路和房屋建筑2個(gè)方面的典型例證，下面介紹在兩個(gè)工程場(chǎng)區(qū)進(jìn)行的地下水壓力監(jiān)測(cè)情況。 西 標(biāo)高(m) 標(biāo)高(m) 房碴土 粉土 粉質(zhì)粘土 細(xì)中砂 卵石 礫巖 圖例 注：1 圖中的比例尺以數(shù)字標(biāo)記為準(zhǔn)。 2 圖中資料來源為工程勘察時(shí)的鉆孔資料。 圖 3-1 北京規(guī)劃

11、市區(qū)水文地質(zhì)剖面圖 北京市區(qū)水文地質(zhì)條件北京市區(qū)水文地質(zhì)條件 圖 3-2 北京規(guī)劃市區(qū)西郊潛水平面分布示意圖 西西郊郊潛潛水水區(qū)區(qū) km 0 5 10 四 環(huán) 路 三 環(huán) 路 二環(huán)路 長(zhǎng)安街 北京市區(qū)水文地質(zhì)條件北京市區(qū)水文地質(zhì)條件 受河流沉積的影響，規(guī)劃市區(qū)內(nèi)第四系沉積物由西向東具有明顯的過渡現(xiàn)象，表現(xiàn)為從上游到下游顆粒由粗到細(xì)的沉積規(guī)律。 西部為單一的潛水含水層，主要分布在昆明湖、正福寺、復(fù)興門、涼水河一線以西的地區(qū)； 向東部、東北部、和東南部逐漸過渡為多層地下水，東部地區(qū)在工程影響范圍之內(nèi)，一般有上層滯水、潛水和承壓水3種類型的地下水，有24個(gè)含水層。潛水水位年變幅45m，承壓水位年變幅

12、34m。北京市區(qū)水文地質(zhì)條件北京市區(qū)水文地質(zhì)條件6.2.1 北四環(huán)中關(guān)村路塹工程16m 0.8m 2.5m 16m 6.5m 6.5m 圖6-1 路基斷面結(jié)構(gòu)示意圖 圖6-2 地質(zhì)及水文地質(zhì)概化示意圖 6.2.1 北四環(huán)中關(guān)村路塹工程X (m etres) (x 1000)0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.0 3.1 3.2 3.3Y (Elevation metres)1517192123252729

13、31333537394143454749515347.36m48.95m26.75m32.87m50.0051.0046.1647.4638.6040.5537.9239.0517.8530.60層面標(biāo)高(m)圖6-3 孔壓計(jì)和觀測(cè)孔結(jié)構(gòu)示意圖 6.2.1 北四環(huán)中關(guān)村路塹工程絲堵 實(shí)管 管箍 纏絲布花管 沉淀管 圖6-4 壓力計(jì)和觀測(cè)孔埋設(shè)示意圖 6.2.1 北四環(huán)中關(guān)村路塹工程6.2.1 北四環(huán)中關(guān)村路塹工程地表面平均標(biāo)高50.5m，路面在地表面下6.5m，路基厚度按1m考慮，則路基底板處的標(biāo)高為50.5m-6.5m-1m = 43m地下水監(jiān)測(cè)井試驗(yàn)地下水監(jiān)測(cè)井試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)實(shí)況圖片現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

14、實(shí)況圖片現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)實(shí)況圖片現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)實(shí)況圖片現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)實(shí)況圖片現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)實(shí)況圖片現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)實(shí)況圖片現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)實(shí)況圖片圖6-6 現(xiàn)狀水壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果擬合曲線水壓力(kN/m2) X (metres) (x 1000)0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.0 3.1 3.2 3.3Y (Elevation metres)151719212325272931333537394143454749515347.36m48.95m2

15、6.75m32.87m6.2.1 北四環(huán)中關(guān)村路塹工程A段、B段和C段層的厚度分別為10m、8m和20m。15171921232527293133353739414345474951020406080100120140160標(biāo)高(m)B段現(xiàn)狀曲線A段現(xiàn)狀曲線C段現(xiàn)狀曲線 6.2.1 北四環(huán)中關(guān)村路塹工程由圖6-6可以看出：qa） 地下水壓力在垂向上并不是隨深度的增加而線性增大，在不同區(qū)段的地下水壓力大小差別明顯。qb ）在淺層含水層層中，由觀測(cè)孔數(shù)據(jù)可知，在A段、B段和C段的地下水位標(biāo)高比較接近（49m左右），地下水壓力的大小在A段、B段和C段也基本上沒有什么變化。qc ） 在層號(hào)為、的地層中

16、，表現(xiàn)為層厚度越大，地下水壓力越大。即地下水壓力大小與厚度的大小一致。qd） 在深部含水層層中，地下水位越高，則地下水壓力越大。即地下水壓力大小與地下水位標(biāo)高的大小一致，且其實(shí)測(cè)值的大小基本上與按該層地下水位計(jì)算的靜水壓力值相等。圖6-7 場(chǎng)區(qū)典型地層剖面與基礎(chǔ)示意圖 6.2.2 民族園海洋館工程6.2.2 民族園海洋館工程實(shí)測(cè)地下水壓力數(shù)據(jù) 表6-2標(biāo) 高(m)地下水壓力（kN/m2）42.5141.7741.7139.2636.1736.1435.6335.5834.3834.0933.7528.7527.3030.4031.7054.2040.6031.2037.7035.204.904

17、.903.703.902829303132333435363738394041424344454647010203040506070水壓力(kN/m2)標(biāo)高(m) 圖6-8 民族園海洋館工程地下水壓力現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果q在基底標(biāo)高36.00m左右，實(shí)測(cè)地下水壓力大約為40kN/m2，比按靜水壓力計(jì)算的地下水壓力 (約95 kN/m2，地下水位標(biāo)高44.50m)減小了55 kN/m2。 由于地下水位等水文地質(zhì)條件受很多自然因素和人為由于地下水位等水文地質(zhì)條件受很多自然因素和人為因素的影響，不是一個(gè)定值，因此，工程設(shè)計(jì)人員需要針對(duì)因素的影響，不是一個(gè)定值，因此，工程設(shè)計(jì)人員需要針對(duì)工程特點(diǎn)，根據(jù)工程特點(diǎn)

18、，根據(jù)最不利于最不利于工程安全的狀況進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，工程安全的狀況進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，以確保工程的安全。在上述研究成果的基礎(chǔ)上，可對(duì)工程場(chǎng)以確保工程的安全。在上述研究成果的基礎(chǔ)上，可對(duì)工程場(chǎng)地可能出現(xiàn)的最大（或最不利）地下水壓力進(jìn)行預(yù)測(cè)，為工地可能出現(xiàn)的最大（或最不利）地下水壓力進(jìn)行預(yù)測(cè)，為工程計(jì)算分析提供合理的地下水壓力數(shù)值。程計(jì)算分析提供合理的地下水壓力數(shù)值。地下水壓力的模擬預(yù)測(cè)地下水壓力的模擬預(yù)測(cè) 水文地質(zhì)參數(shù)的確定水文地質(zhì)參數(shù)的確定確定水文地質(zhì)參數(shù)，我們使用過的測(cè)試方法中有確定水文地質(zhì)參數(shù)，我們使用過的測(cè)試方法中有抽水試驗(yàn)抽水試驗(yàn)提水試驗(yàn)提水試驗(yàn)加水試驗(yàn)加水試驗(yàn)鉆孔注水試驗(yàn)鉆孔注水試驗(yàn)13

19、1I同位素試驗(yàn)同位素試驗(yàn)室內(nèi)滲透試驗(yàn)室內(nèi)滲透試驗(yàn)通過試驗(yàn)確定的這些參數(shù)，將作為數(shù)值模擬中，通過試驗(yàn)確定的這些參數(shù)，將作為數(shù)值模擬中，選取水文地質(zhì)參數(shù)的主要依據(jù)。選取水文地質(zhì)參數(shù)的主要依據(jù)。1)1) 垂向上各土層是水平、均質(zhì)、各向同性、垂向上各土層是水平、均質(zhì)、各向同性、側(cè)向無限延伸的；側(cè)向無限延伸的；2)2) 相鄰?fù)翆拥臐B透性存在明顯差異；相鄰?fù)翆拥臐B透性存在明顯差異；3)3) 垂向上地下水流動(dòng)視為一維穩(wěn)定流；垂向上地下水流動(dòng)視為一維穩(wěn)定流；4)4) 第一層地下水位以下的土層均是飽和的，第一層地下水位以下的土層均是飽和的，即地下水流為連續(xù)的飽和流。即地下水流為連續(xù)的飽和流。地下水壓力的模擬預(yù)測(cè)

20、地下水壓力的模擬預(yù)測(cè) 假設(shè)條件假設(shè)條件 圖7-5 孔隙水壓力計(jì)算程序主菜單界面圖 地下水壓力的模擬預(yù)測(cè)地下水壓力的模擬預(yù)測(cè) 圖7-6 網(wǎng)格剖分輸入界面圖地下水壓力的模擬預(yù)測(cè)地下水壓力的模擬預(yù)測(cè) 圖7-8 信息預(yù)覽和計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)顯示界面圖地下水壓力的模擬預(yù)測(cè)地下水壓力的模擬預(yù)測(cè) 圖6-2 地質(zhì)及水文地質(zhì)概化示意圖 6.2.1 北四環(huán)中關(guān)村路塹工程X (m etres) (x 1000)0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8

21、 2.9 3.0 3.1 3.2 3.3Y (Elevation metres)151719212325272931333537394143454749515347.36m48.95m26.75m32.87m50.0051.0046.1647.4638.6040.5537.9239.0517.8530.60層面標(biāo)高(m)根據(jù)圖8-2可知垂直方向上不同標(biāo)高處的地下水壓力大小。即可進(jìn)行合理的基礎(chǔ)抗浮驗(yàn)算、基礎(chǔ)外墻承載力驗(yàn)算等工程計(jì)算和分析。 地下水壓力的模擬預(yù)測(cè)地下水壓力的模擬預(yù)測(cè) 回主目錄回主目錄若基底標(biāo)高為36.00m，計(jì)算為100kN/m2實(shí)測(cè)為40kN/m2 左右預(yù)測(cè)為80kN/m2 左右降低了20 kN/m2。 地下水壓力的模擬預(yù)測(cè)地下水壓力的模擬預(yù)測(cè) （1 1）指導(dǎo)大量的