隧道及地下工程地下水压力监测与模拟分析

1、隧道及地下工程地下水压力隧道及地下工程地下水压力现场监测与模拟分析现场监测与模拟分析2011年年7月月14日日贺学海贺学海主要内容主要内容1.地下水压力的概念及分类地下水压力的概念及分类2.地下水压力勘测现状地下水压力勘测现状3.现状地下水压力的确定现状地下水压力的确定4.建筑物永久性的抗浮措施建筑物永久性的抗浮措施5.地下水压力的确定方法地下水压力的确定方法6.现场测试实例现场测试实例7.地下水压力的模拟预测地下水压力的模拟预测8.地下水压力现场监测与模拟分析的意义地下水压力现场监测与模拟分析的意义地下水压力的概念及分类地下水压力的概念及分类水平方向(m)510152025303540455

2、055606570垂直方向(m)10121416182022242628303234363840静水压力 孔隙水压力 渗透压力 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 压 力 ( k N / m2)标 高 ( m )静 水 压 力 分 布 曲 线实 测 数 据 拟 合 曲 线预 测 水 压 力 曲 线实 测 数 据 点基 底 标 高 36.00m 基底标高为36.00m左右，对于基底地下水压力：按场区最高水位标高计算

3、为100kN/m2实测的为40kN/m2 左右；在考虑场区地下水位的各种不利因素影响下进行预测的基底最大水压力也仅为80kN/m2 左右，也比按静水压力的计算值降低了20 kN/m2。 现场监测与模拟分析结果现场监测与模拟分析结果 不论在理论上还是在实践中，工程地质界对不论在理论上还是在实践中，工程地质界对地下水压力的勘测研究都是有限的。地下水压力的勘测研究都是有限的。理想的均匀理想的均匀介质静水压力分布假设介质静水压力分布假设仍然是当前工程界计算地仍然是当前工程界计算地下水力学作用的常用方法。下水力学作用的常用方法。Pw= wh 地下水压力勘测现状地下水压力勘测现状 长期以来，工程中只考虑了

4、长期以来，工程中只考虑了静水压力静水压力的作用，的作用，忽略了忽略了孔隙水压力孔隙水压力和和渗透压力渗透压力的作用。的作用。q大量的隧道、地铁、地下车库、人防、地下商大量的隧道、地铁、地下车库、人防、地下商场、市政设施和房屋建筑的开工和建设，工程中场、市政设施和房屋建筑的开工和建设，工程中与地下水压力与地下水压力相关的问题将越来越多，相关的问题将越来越多，比如比如基础基础抗浮抗浮问题、问题、地下室外墙承载力验算地下室外墙承载力验算、边坡稳定性边坡稳定性验算验算等等，都与地下水压力取值的大小直接相关。等等，都与地下水压力取值的大小直接相关。地下水压力勘测现状地下水压力勘测现状地下水压力勘测现状地

5、下水压力勘测现状 由于由于上世纪上世纪7070年代年代以前的建筑基坑都比较浅，且工程以前的建筑基坑都比较浅，且工程设计和施工中的地下水主要设计和施工中的地下水主要“以排为主以排为主”，因此，地下水压，因此，地下水压力问题没有深入考虑，垂向上地下水压力分布也很简单，主力问题没有深入考虑，垂向上地下水压力分布也很简单，主要按静水压力分布考虑即可。要按静水压力分布考虑即可。 进入进入上世纪上世纪8080年代年代以后，随着高层建筑不断涌现，基以后，随着高层建筑不断涌现，基础埋深不断增加，且工程设计和施工中要求逐步摒弃础埋深不断增加，且工程设计和施工中要求逐步摒弃“以以排为主排为主”，采用，采用“以堵为

6、主以堵为主” 的原则，地下水压力问题的原则，地下水压力问题才相应地在地下工程中显现出来，并受到普遍的关注。才相应地在地下工程中显现出来，并受到普遍的关注。 在地下水压力取值方面，虽然从岩性和含水层类在地下水压力取值方面，虽然从岩性和含水层类型等方面提出了地下水压力修正系数的概念，但对型等方面提出了地下水压力修正系数的概念，但对地下水压力的作用机理不清楚。对地下水压力的认地下水压力的作用机理不清楚。对地下水压力的认识还是停留在地下水位上，没有进行渗流分析，没识还是停留在地下水位上，没有进行渗流分析，没有考虑孔隙水压力和渗透压力的作用。有考虑孔隙水压力和渗透压力的作用。现状地下水压力的确定现状地下

7、水压力的确定 并且修正系数的取值范围太大，工程中不好使并且修正系数的取值范围太大，工程中不好使用，或使用不合理。用，或使用不合理。 隧道衬砌外水压力的确定隧道衬砌外水压力的确定摒弃“以排为主”，采用“以堵为主” 的设计原则张有天（1985年）、邹成杰(1994)、宴同珍(1994)、张有天(1996)等都总结和论述了水头折减系数取值的经验方法。提出外水压力修正系数法计算外水压力。hpw钻孔左线右线钻孔钻孔陈崇希、张有天等提出外水压力修正系数并不一定恒小于1 hpw 隧道衬砌外水压力的确定隧道衬砌外水压力的确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 压重抗浮3.3.2 抗浮桩抗

8、浮3.3.3 锚杆抗浮3.3.4 永久性抗浮锚桩抗浮3.3.5 排水降压法抗浮3.3.6 无浮力底板抗浮3.3.7 围护桩兼作地下结构抗浮3.3.8 减少结构埋深抗浮 工程中一般只是从措施上来考虑如何工程中一般只是从措施上来考虑如何防治防治地地下水压力，并没有分析地下水压力值的实际大小下水压力，并没有分析地下水压力值的实际大小应该是多少。应该是多少。 忽视了地下水压力的取值是否准确、忽视了地下水压力的取值是否准确、是否合理，以及对方案设计的影响问题。是否合理，以及对方案设计的影响问题。3.3.1 压重抗浮 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 抗浮桩抗浮 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 锚杆抗浮 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 永久性抗浮锚桩抗浮 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 排水降压法抗浮 图 20 棋盘形排水降压系统 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 无浮力底板抗浮 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 围护桩兼作地下结构抗浮3.3.8 减少结构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 地下水压力的确定方法地下水压力的确定方法对工程中的地下水压力问题，主要有3种方法来确定： 现场测试、物理模拟、数学模拟现场测试、物理模拟、数

10、学模拟三种方法对地下水压力的确定和研究都是可行的， 实际工作中可根据具体情况和实际需要来选择。但要正确确定地下水压力，关键要重视现场勘察和实测，建立正确的地质模型，从而得到可靠的结果。上述3种方法中，物理模拟难度很大，一般常用现场测试和数学模拟。现场测试实例现场测试实例 （1） 北四环中关村路堑工程 （2） 中华民族园海洋馆工程作为市政道路和房屋建筑2个方面的典型例证，下面介绍在两个工程场区进行的地下水压力监测情况。 西 标高(m) 标高(m) 房碴土 粉土 粉质粘土 细中砂 卵石 砾岩 图例 注：1 图中的比例尺以数字标记为准。 2 图中资料来源为工程勘察时的钻孔资料。 图 3-1 北京规划

11、市区水文地质剖面图 北京市区水文地质条件北京市区水文地质条件 图 3-2 北京规划市区西郊潜水平面分布示意图 西西郊郊潜潜水水区区 km 0 5 10 四 环 路 三 环 路 二环路 长安街 北京市区水文地质条件北京市区水文地质条件 受河流沉积的影响，规划市区内第四系沉积物由西向东具有明显的过渡现象，表现为从上游到下游颗粒由粗到细的沉积规律。 西部为单一的潜水含水层，主要分布在昆明湖、正福寺、复兴门、凉水河一线以西的地区； 向东部、东北部、和东南部逐渐过渡为多层地下水，东部地区在工程影响范围之内，一般有上层滞水、潜水和承压水3种类型的地下水，有24个含水层。潜水水位年变幅45m，承压水位年变幅

12、34m。北京市区水文地质条件北京市区水文地质条件6.2.1 北四环中关村路堑工程16m 0.8m 2.5m 16m 6.5m 6.5m 图6-1 路基断面结构示意图 图6-2 地质及水文地质概化示意图 6.2.1 北四环中关村路堑工程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层面标高(m)图6-3 孔压计和观测孔结构示意图 6.2.1 北四环中关村路堑工程丝堵 实管 管箍 缠丝布花管 沉淀管 图6-4 压力计和观测孔埋设示意图 6.2.1 北四环中关村路堑工程6.2.1 北四环中关村路堑工程地表面平均标高50.5m，路面在地表面下6.5m，路基厚度按1m考虑，则路基底板处的标高为50.5m-6.5m-1m = 43m地下水监测井试验地下水监测井试验现场试验实况图片现场试验

14、实况图片现场试验实况图片现场试验实况图片现场试验实况图片现场试验实况图片现场试验实况图片现场试验实况图片图6-6 现状水压力监测结果拟合曲线水压力(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 北四环中关村路堑工程A段、B段和C段层的厚度分别为10m、8m和20m。15171921232527293133353739414345474951020406080100120140160标高(m)B段现状曲线A段现状曲线C段现状曲线 6.2.1 北四环中关村路堑工程由图6-6可以看出：qa） 地下水压力在垂向上并不是随深度的增加而线性增大，在不同区段的地下水压力大小差别明显。qb ）在浅层含水层层中，由观测孔数据可知，在A段、B段和C段的地下水位标高比较接近（49m左右），地下水压力的大小在A段、B段和C段也基本上没有什么变化。qc ） 在层号为、的地层中

16、，表现为层厚度越大，地下水压力越大。即地下水压力大小与厚度的大小一致。qd） 在深部含水层层中，地下水位越高，则地下水压力越大。即地下水压力大小与地下水位标高的大小一致，且其实测值的大小基本上与按该层地下水位计算的静水压力值相等。图6-7 场区典型地层剖面与基础示意图 6.2.2 民族园海洋馆工程6.2.2 民族园海洋馆工程实测地下水压力数据 表6-2标 高(m)地下水压力（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水压力(kN/m2)标高(m) 图6-8 民族园海洋馆工程地下水压力现场监测结果q在基底标高36.00m左右，实测地下水压力大约为40kN/m2，比按静水压力计算的地下水压力 (约95 kN/m2，地下水位标高44.50m)减小了55 kN/m2。 由于地下水位等水文地质条件受很多自然因素和人为由于地下水位等水文地质条件受很多自然因素和人为因素的影响，不是一个定值，因此，工程设计人员需要针对因素的影响，不是一个定值，因此，工程设计人员需要针对工程特点，根据工程特点

18、，根据最不利于最不利于工程安全的状况进行设计和分析，工程安全的状况进行设计和分析，以确保工程的安全。在上述研究成果的基础上，可对工程场以确保工程的安全。在上述研究成果的基础上，可对工程场地可能出现的最大（或最不利）地下水压力进行预测，为工地可能出现的最大（或最不利）地下水压力进行预测，为工程计算分析提供合理的地下水压力数值。程计算分析提供合理的地下水压力数值。地下水压力的模拟预测地下水压力的模拟预测 水文地质参数的确定水文地质参数的确定确定水文地质参数，我们使用过的测试方法中有确定水文地质参数，我们使用过的测试方法中有抽水试验抽水试验提水试验提水试验加水试验加水试验钻孔注水试验钻孔注水试验13

19、1I同位素试验同位素试验室内渗透试验室内渗透试验通过试验确定的这些参数，将作为数值模拟中，通过试验确定的这些参数，将作为数值模拟中，选取水文地质参数的主要依据。选取水文地质参数的主要依据。1)1) 垂向上各土层是水平、均质、各向同性、垂向上各土层是水平、均质、各向同性、侧向无限延伸的；侧向无限延伸的；2)2) 相邻土层的渗透性存在明显差异；相邻土层的渗透性存在明显差异；3)3) 垂向上地下水流动视为一维稳定流；垂向上地下水流动视为一维稳定流；4)4) 第一层地下水位以下的土层均是饱和的，第一层地下水位以下的土层均是饱和的，即地下水流为连续的饱和流。即地下水流为连续的饱和流。地下水压力的模拟预测

20、地下水压力的模拟预测 假设条件假设条件 图7-5 孔隙水压力计算程序主菜单界面图 地下水压力的模拟预测地下水压力的模拟预测 图7-6 网格剖分输入界面图地下水压力的模拟预测地下水压力的模拟预测 图7-8 信息预览和计算结果数据显示界面图地下水压力的模拟预测地下水压力的模拟预测 图6-2 地质及水文地质概化示意图 6.2.1 北四环中关村路堑工程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层面标高(m)根据图8-2可知垂直方向上不同标高处的地下水压力大小。即可进行合理的基础抗浮验算、基础外墙承载力验算等工程计算和分析。 地下水压力的模拟预测地下水压力的模拟预测 回主目录回主目录若基底标高为36.00m，计算为100kN/m2实测为40kN/m2 左右预测为80kN/m2 左右降低了20 kN/m2。 地下水压力的模拟预测地下水压力的模拟预测 （1 1）指导大量的