淮南市中央公園下穿隧道抗浮地下水位分析

趙華宏 沈洪波 李昊煜

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，安徽合肥 230088)

隨著現(xiàn)代化城市建設(shè)發(fā)展，地下空間不斷開發(fā)利用，而對一些無上部建筑且自重荷載較小、開挖埋置較深的地下結(jié)構(gòu)，諸如地下車庫、商場、下沉式廣場、下穿隧道、水池等，這些結(jié)構(gòu)物的抗浮設(shè)計(jì)是一個(gè)關(guān)鍵問題，抗浮設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是抗浮地下水位的確定、浮力計(jì)算及抗浮措施設(shè)計(jì)三部分，其中抗浮地下水位的確定是基礎(chǔ)，且直接關(guān)系到工程建設(shè)的安全經(jīng)濟(jì)性。以下就淮南市山南新區(qū)南緯六路下穿隧道抗浮地下水位確定加以分析，以供該地區(qū)同類工程參考。

1 工程概況

南緯六路下穿隧道其道路類別為城市次干道，雙向四車道，設(shè)計(jì)行車速度為40 km/h，隧道凈寬:凈—2×8.25 m，隧道限高:凈—4.5 m;防洪設(shè)計(jì)采用100年的重現(xiàn)期。隧道總長度為1135 m，其中敞開段360 m，暗埋段775 m。暗埋段頂部設(shè)一人工下挖景觀湖，湖底距隧道洞頂距離1.0 m～2.0 m，設(shè)計(jì)湖水位標(biāo)高45.50 m。隧址區(qū)位于淮南市山南新區(qū)，場區(qū)區(qū)域地貌屬江淮丘陵組成部分，所處地貌類型以丘陵坡地為主，標(biāo)高在48.20 m～54.33 m之間。路線走向?yàn)闁|西向。

2 水文地質(zhì)與工程地質(zhì)條件

建設(shè)場地為江淮分水嶺波狀平原，地表主要分布第四系上更新統(tǒng)(Qal+pl3)粘性土，有弱～中等膨脹潛勢，工程地質(zhì)性質(zhì)一般;局部低凹地段分布薄層第四系全新統(tǒng)(Qal+pl4)沖洪積粘性土及砂土，工程地質(zhì)性質(zhì)一般。下覆基巖為第三系(E)砂質(zhì)泥巖、砂巖互層，埋深20 m～30 m，巖性軟弱，工程地質(zhì)性質(zhì)較好，下穿隧道位于上更新統(tǒng)粘性土中。

隧址區(qū)經(jīng)過地區(qū)氣候溫暖，四季分明，雨量充足，無霜期較長，屬暖濕性亞熱季風(fēng)氣候。全市年平均降水量1000 mm～1200 mm，季節(jié)性變化大，年平均氣溫15.7℃。隧址區(qū)沿線地表水為附近溝、塘所蓄積的水，其來源主要為大氣降水及上游河流徑流補(bǔ)給。地表水位與流量的變化與降水有密切關(guān)系，夏季雨量充沛，水位高，流量大;冬季降雨稀少，水位低，流量小。地下水類型主要為分布于亞粘土層中的潛水及基巖全風(fēng)化砂質(zhì)泥巖層中的裂隙水?？碧狡陂g測得的地下水位(靜止)埋深為0.70 m～3.20 m，相應(yīng)的地下水位(靜止)標(biāo)高為47.20 m～51.13 m。

地表粘性土層為弱～微透水層，具體各層土滲透系數(shù)見表1。

表1 滲透系數(shù)統(tǒng)計(jì)表 cm/s

3 抗浮水位分析確定

地下結(jié)構(gòu)(整體或局部)埋置到地下水位以下巖土層中，結(jié)構(gòu)除受土壓力外，還受到地下水滲透壓力，當(dāng)結(jié)構(gòu)底板受到向上水壓力大于結(jié)構(gòu)及上覆土重量時(shí)，結(jié)構(gòu)會(huì)上浮。由于沿途滲流計(jì)算受水文地質(zhì)條件、巖土體介質(zhì)等因素影響，計(jì)算復(fù)雜，考慮工程應(yīng)用，我國現(xiàn)行規(guī)范簡化為阿基米德浮力原理計(jì)算，計(jì)算簡單，而對不同巖土層考慮不同的安全系數(shù)。

勘察報(bào)告中一般會(huì)給出:勘察期間的水位、歷史最高水位，甚至于近3年～5年的地下水位;不能直接用作抗浮設(shè)防水位，要求設(shè)計(jì)人員進(jìn)一步綜合分析，根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)或附近工程類比綜合確定。合理確定建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的基礎(chǔ)抗浮設(shè)防水位非常困難，但又非常重要，是關(guān)系到工程質(zhì)量和工程造價(jià)的關(guān)鍵問題。

3.1 山南新區(qū)地下水位控制因素分析

根據(jù)區(qū)域長期水文地質(zhì)觀測資料，江淮坡狀平原區(qū)地下水位主要受大氣降水及河、湖、溝、塘補(bǔ)給，水位季節(jié)性變化大。綜合分析本工程場地地下水位主要控制因素為大氣降水及場地周邊地表水體補(bǔ)給控制。具體結(jié)合工程場區(qū)建設(shè)規(guī)劃分析，主要影響地表的水體有:城市內(nèi)澇、景觀湖建設(shè)以及本區(qū)域水文地質(zhì)工程地質(zhì)條件。

3.1.1 城市內(nèi)澇水分析

山南新區(qū)地勢北部高，南部低，中間高，東西部低。新區(qū)附近淮河流域田家庵水文站的設(shè)防水位是20.0 m，警戒水位為23.3 m。規(guī)劃區(qū)內(nèi)的地勢均高于30 m，規(guī)劃區(qū)北邊是舜耕山，淮河洪水很難入侵。東西兩側(cè)分別是地勢較低的高塘湖和瓦埠湖湖區(qū)，瓦埠湖50年一遇設(shè)計(jì)洪水位24.5 m，高塘湖汛期最高水位21.0 m。按照地形，外來洪水不會(huì)對規(guī)劃區(qū)產(chǎn)生影響，區(qū)內(nèi)暴雨洪水將會(huì)排向兩個(gè)湖區(qū)，湖區(qū)作為規(guī)劃區(qū)降雨的承泄區(qū)，不會(huì)對規(guī)劃區(qū)洪水產(chǎn)生頂托。即山南新區(qū)地勢相對較高，外來洪水對規(guī)劃區(qū)基本不產(chǎn)生影響，區(qū)內(nèi)主要的洪澇災(zāi)害是本地暴雨產(chǎn)生的內(nèi)澇。地下水位不會(huì)受到河湖洪水位頂托上升。

3.1.2 景觀湖設(shè)計(jì)水位分析

景觀湖設(shè)計(jì)為人工下挖蓄水體，且場區(qū)地形北高南低，景觀湖及規(guī)劃水系由北向南排，景觀湖設(shè)計(jì)水位采用市政府與景觀湖之間所夾南緯四路路面標(biāo)高控制，推出景觀廣場設(shè)計(jì)標(biāo)高，在景觀廣場設(shè)計(jì)標(biāo)高的基礎(chǔ)上減去50 cm，得到景觀湖湖面設(shè)計(jì)標(biāo)高。設(shè)計(jì)常水位為45.5，也是設(shè)計(jì)允許最高水位。

3.1.3 場地水文地質(zhì)條件分析

根據(jù)巖土勘察報(bào)告和區(qū)域地質(zhì)資料，擬建場地地下水類型主要為分布于粘性土層中的潛水及基巖全風(fēng)化砂質(zhì)泥巖層中的裂隙水?？碧狡陂g測得的地下水位(靜止)埋深為0.70 m～3.20 m，相應(yīng)的地下水位(靜止)標(biāo)高為47.20 m～51.13 m。地下水主要由大氣降水及附近河流滲流補(bǔ)給，水位和水量受季節(jié)性影響變化較大。

本次勘察擬建場地②層粘土中普見水位，場地內(nèi)賦存的地下水主要為第四系松散層中的上層滯水。由于場地地形中間低，東西兩端稍高，中間低洼段地下水埋深淺，兩側(cè)崗地段地下水位相對埋深大。且受地表溝塘補(bǔ)給，第四系松散層中的上層滯水水位較高，埋深在1.0 m～3.0 m。施工階段隨著基坑開挖降水，地下水位會(huì)跟著下降。②層粘土垂直滲透系數(shù)為1.28×10－5cm/s，為弱透水層，是膨脹土裂隙發(fā)育影響的。

3.1.4 工程建成后地面標(biāo)高變化分析

本工程設(shè)計(jì)西段230 m及東段130 m敞開U形槽，中間775 m為暗埋段。暗埋段頂部為景觀湖，深埋于地下，U形槽兩側(cè)各設(shè)有13.5 m寬的路面及共計(jì)3 m左右寬的兩條綠化帶。西段設(shè)計(jì)路面標(biāo)高總體來看低于原地面標(biāo)高，外側(cè)輔道標(biāo)高高于原地面標(biāo)高0.5 m不等，但外側(cè)不透水路面很寬，土層滲透系數(shù)小，路面滲水少，故建成后地坪仍采用現(xiàn)地面標(biāo)高控制合適。東段設(shè)計(jì)標(biāo)高低于原地面，即建成后地坪標(biāo)高用現(xiàn)地面標(biāo)高控制。

暗埋段非湖底段地面標(biāo)高控制參考景觀綠化設(shè)計(jì)圖紙，以景觀廣場地坪標(biāo)高控制。

3.2 隧道抗浮設(shè)計(jì)水位取值

結(jié)合以上區(qū)域地質(zhì)背景、場地水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件，及諸多地下水位控制因素分析，考慮本工程建設(shè)特點(diǎn)及后期運(yùn)營可能遇到各種最不利工況，分段提出本工程地下水抗浮計(jì)算水位如下:

1)K0+135～K0+365西段U形槽段，位于崗地斜坡段，地表水排水順暢?？睖y期間，地下水實(shí)測水位為51.13 m，在地面下3 m左右。本段靠近中規(guī)院規(guī)劃K1水系K6+900處，中規(guī)院100年設(shè)防設(shè)計(jì)水位53.25 m。本段結(jié)構(gòu)均埋置在2層粘土中，為上層滯水，施工期間隨著基坑開挖降水，地下水位會(huì)下降，不考慮抗浮設(shè)防?；靥罱ǔ蛇\(yùn)營后，長期地下水恢復(fù)平衡，綜合考慮上層滯水最高水位按地面下1.0 m控制，53.33 m，滿足100年設(shè)防水位控制要求。

2)K0+365～K1+140暗埋段，湖底水下段隧道采用阿基米德定律考慮，水位以最高湖水位控制;湖邊段的抗浮計(jì)算，考慮地勢低洼及排洪蓄洪要求，抗浮計(jì)算水位按建成后地坪標(biāo)高控制。

3)K1+140～K1+270東段U形槽段，位于崗地斜坡段，地表水排水順暢。設(shè)計(jì)路段距規(guī)劃 K2水系 K0+050較遠(yuǎn)(約1.0 km)，粘性土滲透系數(shù)小，可查到規(guī)劃防洪水位不能控制本段地下水位?？睖y期間，地下水實(shí)測水位48.68 m，在原地面下2 m左右。本段結(jié)構(gòu)均埋置在2層粘土中，地下水為上層滯水?？紤]運(yùn)營期降雨補(bǔ)給，抗浮水位采用原地面下1 m控制應(yīng)該是非常安全的。

4 結(jié)論建議

1)本文綜合分析區(qū)域地質(zhì)背景、場地水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件，及諸多地下水位控制因素，分段給出城市下穿隧道工程抗浮計(jì)算地下水位，能滿足工程建設(shè)運(yùn)營安全要求。

2)地下水滲透運(yùn)移規(guī)律復(fù)雜，且受地表水、人為影響因素較大，特別是上層滯水、潛水更甚，采用明開挖施工要做好降排水措施，防止肥槽回填不密實(shí)及腳盆效應(yīng)等不利條件導(dǎo)致工程上浮。

3)地下水抗浮設(shè)防水位確定影響因素非常多，本文抓住主要控制因素分析，但尚缺乏該地區(qū)其他同類工程經(jīng)驗(yàn)及地下水長期觀測資料，需進(jìn)一步積累資料分析。

［1］肖林俊，楊志英.地下結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)防水位和浮力計(jì)算［J］.河北理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，31(4)：111-114.

［2］郭躍龍.北京地區(qū)土中水對地下結(jié)構(gòu)的浮力研究［D］.北京：北京工業(yè)大學(xué)碩士論文，2009.

［3］鄧 星.地下結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計(jì)中若干問題研究［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)碩士論文，2009.

［4］徐楊軍.武漢市地質(zhì)條件下的地下水浮力研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)碩士論文，2010.