陳莎莎，郭維祥

(1貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；2中國(guó)電建集團(tuán) 貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081)

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巖溶地區(qū)深埋地鐵車站抗浮問題淺析

陳莎莎1，郭維祥2

(1貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；2中國(guó)電建集團(tuán) 貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081)

經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人口基數(shù)的快速增長(zhǎng)，使人們對(duì)城市建設(shè)和發(fā)展有了更高的要求，對(duì)地下空間的利用也日漸增加，例如地下室及地下軌道等工程。以貴陽(yáng)市軌道交通2號(hào)線的北京西路站深埋車站為研究對(duì)象，結(jié)合貴陽(yáng)市降雨資料、場(chǎng)地巖溶發(fā)育特征與專門水位監(jiān)測(cè)孔數(shù)據(jù)，分析影響北京西路站地下水動(dòng)態(tài)變化特征的相關(guān)因素，預(yù)測(cè)站點(diǎn)可能出現(xiàn)的最高地下水位，以此為依據(jù)確定場(chǎng)區(qū)的抗浮設(shè)防水位，并綜合站點(diǎn)結(jié)構(gòu)荷載條件，分析北京西路站可能的抗浮問題及工程危害。

抗浮，巖溶，地下水，深埋車站

貴州省省會(huì)城市貴陽(yáng)，近年來(lái)人口急速增長(zhǎng)，各類市政工程、房屋建筑陸續(xù)建設(shè)，地下建(構(gòu))筑物越來(lái)越多，使得地下工程的抗浮問題越發(fā)突出，抗浮設(shè)防既關(guān)乎工程安全，也與工程造價(jià)密切相關(guān)。

貴陽(yáng)地處巖溶發(fā)育地區(qū)，地質(zhì)條件和地下水動(dòng)態(tài)特征復(fù)雜多變，地下水的運(yùn)動(dòng)特征對(duì)地下工程的抗浮存在較大影響。張?jiān)诿髟菏縖1]認(rèn)為，地下水的賦存和滲流特征，是決定抗浮設(shè)防水位的重要因素，通過分析場(chǎng)地孔隙水壓力場(chǎng)的分布特征，判斷工程是否需要采取抗浮措施。李超[2]通過確定基底所處地層及與含水層間的關(guān)系，計(jì)算基底所受浮力，反算場(chǎng)地抗浮設(shè)防水位。謝峰等[3]以結(jié)構(gòu)底板直接接觸的含水巖組的靜止水位為依據(jù)，考慮地下水位的動(dòng)態(tài)變化特征及相當(dāng)于勘察期間的地下水位多年變幅，確定可能出現(xiàn)的最高水位，采用最高歷史水位進(jìn)行校核，最終確定抗浮設(shè)防水位。

目前規(guī)范中，對(duì)抗浮設(shè)防水位的取值并沒有一個(gè)明確的定義。不同的工作人員，依據(jù)自己長(zhǎng)期從事相關(guān)工作所累積的工作經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合場(chǎng)地工程地質(zhì)與水文地質(zhì)特征，可能確定出不同的抗浮設(shè)防水位值。 本文以貴陽(yáng)軌道交通2號(hào)線北京西路站為例，從降雨量、地下水位變化、地下水最高水位等方面進(jìn)行綜合分析，確定站點(diǎn)抗浮設(shè)防水位取值，分析評(píng)價(jià)在地下水作用下可能的抗浮影響及工程危害。

1 抗浮設(shè)防水位取值研究

1.1 抗浮設(shè)防水位確定方法

抗浮設(shè)防水位，是根據(jù)地下水位的長(zhǎng)期變化規(guī)律來(lái)進(jìn)行判斷并確定的，因此在場(chǎng)地抗浮設(shè)防水位取值過程中，長(zhǎng)期觀測(cè)的地下水位資料對(duì)抗浮水位的選取非常重要。但由于城市建設(shè)和人類活動(dòng)的發(fā)展，地下水位的變化受到了較大的干擾，在城市中心區(qū)，很難獲得長(zhǎng)系列的地下水位觀測(cè)資料，因此，各工程在確定場(chǎng)地抗浮設(shè)防水位時(shí)，多以現(xiàn)場(chǎng)勘察期間得到的地下水位資料，結(jié)合歷史洪水觀測(cè)資料和地區(qū)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行綜合確定。目前運(yùn)用比較廣泛的抗浮設(shè)防水位取值有如下幾種：

1)《高層建筑巖土工程勘察規(guī)程》[4]明確規(guī)定，當(dāng)有長(zhǎng)期水位觀測(cè)資料時(shí)，場(chǎng)地抗浮設(shè)防水位可采用實(shí)測(cè)最高水位；無(wú)長(zhǎng)期水位觀測(cè)數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)缺乏時(shí)，按勘察期間實(shí)測(cè)最高穩(wěn)定水位并結(jié)合場(chǎng)地地形地貌、地下水補(bǔ)給、排泄等因素綜合確定。

2)若是長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)缺乏，可利用近3—5年歷史最高水位，并結(jié)合場(chǎng)地特征確定抗浮設(shè)防水位。

3)依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，最高地下水位=勘察期間該層地下水最高水位+該層地下水在勘察時(shí)的年變幅+可能的意外補(bǔ)給造成該層地下水位的上升值。

抗浮設(shè)防水位的選取，需要考慮以下幾個(gè)方面[4]：①區(qū)域巖溶水文地質(zhì)條件；②近50年地下水位變化歷史過程，研究影響地下水位的主要因素；③地下水位的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)；④典型的滲流特征及孔隙水壓力分布規(guī)律。以上是合理確定基底浮力的基礎(chǔ)。

1.2 貴陽(yáng)市地下水位影響因素

貴陽(yáng)市地表水和地下水水量豐富，地下水以巖溶水為主，其次為基巖裂隙水，孔隙水極為貧乏。地下水具有水量大、運(yùn)動(dòng)速率快，分布不均等特點(diǎn)。貴陽(yáng)地區(qū)地下水位的影響因素，有以下幾個(gè)方面：

(1)大氣降水對(duì)地下水位變化的影響

貴陽(yáng)市市區(qū)地下水資源總量為4.028億 m3，豐水年為5.006億 m3，平水年為4.133億 m3，枯水年為2.966億 m3，地下水天然排泄量為1.19億 m3[5]。根據(jù)多年地下水位數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，水位變化幅度不大。因此，大氣降水不會(huì)引起地下水水位多年持續(xù)上升或持續(xù)下降的變化。

(2)地下水開采對(duì)區(qū)域地下水流場(chǎng)的影響

地下水的大肆開采，對(duì)貴陽(yáng)市地下水產(chǎn)生過較大影響，由于大量開采地下水資源，在和尚坡、三橋地段形成降落漏斗群[6]，區(qū)內(nèi)其他地方也出現(xiàn)過類似情況，但因發(fā)現(xiàn)及時(shí)并停止大量開采，地下水大幅下降的情況得到改善。根據(jù)近年地下水位數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，區(qū)域地下水流場(chǎng)得到基本恢復(fù)。

(3)其他方面影響

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，市區(qū)范圍的擴(kuò)大和市政工程的建設(shè)，使地面入滲減弱，降低地下水和周邊地表水的水力聯(lián)系，使得地下水資源補(bǔ)給量減少。地下工程施工時(shí)，會(huì)對(duì)施工地點(diǎn)進(jìn)行降水作業(yè)，若工期持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)地下水位也會(huì)造成一定的影響。

2 主要的抗浮處理措施

根據(jù)工程與地下水間的關(guān)系及工程本身特征，可采用不同的抗浮措施[7]?？傮w來(lái)說，抗浮措施分為主動(dòng)抗浮與被動(dòng)抗浮。

2.1 主動(dòng)抗浮措施

結(jié)構(gòu)物出現(xiàn)由抗浮失效引起的底板開裂、拱起或整體上浮的工程事故，是由于地下水產(chǎn)生的浮力對(duì)結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生作用的上浮破壞。通過降低地下水位來(lái)減小地下水對(duì)結(jié)構(gòu)的上浮作用，避免結(jié)構(gòu)物受到破壞的形式，即為主動(dòng)抗浮措施。

開挖排水溝、降排截水等通過降低地下水位來(lái)實(shí)現(xiàn)抗浮的都可看作是主動(dòng)抗浮。主動(dòng)抗浮措施造價(jià)低，但地下水的動(dòng)態(tài)特征及場(chǎng)地條件都會(huì)對(duì)抗浮產(chǎn)生較大的影響，一旦排水措施失效，地下水位會(huì)迅速恢復(fù)原來(lái)位置，導(dǎo)致抗浮失效。因此，主動(dòng)抗浮措施的影響因素較多，是否采取主動(dòng)抗浮措施應(yīng)進(jìn)行多方面勘察與研究。

2.2 被動(dòng)抗浮措施

被動(dòng)措施即通過采用物理措施，來(lái)抵抗結(jié)構(gòu)物底部向上的水浮力，主要有配重法、設(shè)置抗浮樁和抗浮錨桿等。

配重法通過增加結(jié)構(gòu)自重來(lái)平衡水浮力，是一種較理想的抗浮方法，但因增加了配重而使得工程埋深增大，導(dǎo)致浮力增大，增加的配重在平衡自身導(dǎo)致的浮力時(shí)已消耗了一部分。

抗浮樁是利用樁側(cè)阻力起抗浮作用?？垢兜目垢∧芰εc樁型、樁長(zhǎng)、樁徑及周圍地質(zhì)環(huán)境有關(guān)，其抗浮面積大，受環(huán)境、施工條件影響大，且造價(jià)較高?？垢″^桿的抗浮力來(lái)源于錨桿與砂漿組成的錨固體與巖土層的結(jié)合力。其造價(jià)低、施工方便、受力合理，在工程中應(yīng)用較廣泛。

3 巖溶地區(qū)深埋地下車站抗浮問題工程實(shí)例分析

3.1 工程概況

北京西路站是貴陽(yáng)軌道交通2號(hào)線的一個(gè)地下深埋車站，如圖1所示，車站長(zhǎng) 246.2 m，車站標(biāo)準(zhǔn)段寬度21.0 m，高18.10 m，軌面埋深約43.2 m～61.4 m，車站主體結(jié)構(gòu)頂?shù)装甯叱谭謩e為1 175.23 m與1 157.43 m。

圖1 地下水與車站主體結(jié)構(gòu)關(guān)系示意圖

北京西路站為暗挖車站，豐水期地下水位在1 192.7 m左右波動(dòng)，因此車站主體結(jié)構(gòu)整體位于地下水以下，車站設(shè)計(jì)使用年限為100年，根據(jù)車站主體結(jié)構(gòu)所處地下水位埋深，可知在今后地鐵運(yùn)行過程中，地下水對(duì)車站的安全運(yùn)行影響較大。所以，合理地確定抗浮設(shè)防水位，是保證工程能夠安全運(yùn)行的重要措施。

3.2 研究區(qū)基本地質(zhì)條件

根據(jù)北京西路站詳勘資料，鉆探深度范圍內(nèi)的地層分布如表1所示。

北京西路站位于貴陽(yáng)盆地西側(cè)臺(tái)地地緣，原地貌類型為低山溶丘和溶蝕洼地相間地貌。站內(nèi)地層連續(xù)，無(wú)斷裂構(gòu)造發(fā)育，東側(cè)發(fā)育馬王廟背斜，站點(diǎn)位于馬王廟背斜西盤，距背斜核部約200 m。周圍露頭巖層產(chǎn)狀N8°～16°E/NW，傾角55°～68°。站點(diǎn)圍巖為中風(fēng)化泥質(zhì)白云巖，總體呈軟巖狀態(tài)，節(jié)理裂隙較發(fā)育，呈塊狀、碎石狀鍥嵌構(gòu)，整體穩(wěn)定性較差。

表1 場(chǎng)區(qū)地層分布

3.3 研究區(qū)水文地質(zhì)條件

研究區(qū)地下水類型主要有覆蓋層孔隙水、基巖裂隙水兩種類型，巖溶管道水在站點(diǎn)周邊出露?？紫端饕x存于第四系松散覆蓋層內(nèi)，主要接受大氣降雨補(bǔ)給，向低洼地排泄，含水量隨枯、雨季變化較大；基巖裂隙水主要賦存于泥質(zhì)白云巖的風(fēng)化裂隙內(nèi)，接受大氣降水補(bǔ)給，以分布式補(bǔ)給為主，主要為大氣降雨通過裂隙、洼地等入滲及上層滯水補(bǔ)給地下水，并向低洼地排泄；巖溶管道水接受大氣降水、溶蝕裂隙、地下水入滲補(bǔ)給，并以泉的形式在周邊進(jìn)行排泄。

從圖1中可以看出，車站主體結(jié)構(gòu)整體均埋置于基巖中，由于覆蓋層孔隙水受季節(jié)影響較大，且富水性弱，因此在確定抗浮設(shè)防水位的過程中不予以考慮。

3.4 研究區(qū)抗浮設(shè)防水位確定

(1)場(chǎng)區(qū)地下水位與降雨相關(guān)性分析

場(chǎng)區(qū)周圍無(wú)地表水分布，北東85°方向(近正東向)2.7 km距離為黔靈湖，庫(kù)水高程1 104 m左右；正西向17.5 km距離為百花湖水庫(kù)，庫(kù)水位高程1 290 m；北西35°方向，距離4.6 km為觀山湖水庫(kù)，庫(kù)水位高程1 275 m左右；整體來(lái)看，場(chǎng)地地下水位西高東低，地下水徑流方向?yàn)檎龞|方向。但周邊水庫(kù)對(duì)場(chǎng)區(qū)地下水水位均無(wú)影響，因此，場(chǎng)區(qū)地下水位的主要影響因素為大氣降水。

根據(jù)氣象站資料及北京西路站專門水位監(jiān)測(cè)孔(孔號(hào)：5201030158)近年地下水位，可知降雨量與地下水位變化呈正相關(guān)關(guān)系。

(2)場(chǎng)區(qū)地下水位變化趨勢(shì)分析

結(jié)合收集的1986—2008年的降雨量資料[8]及表2與圖2所示，可知貴陽(yáng)市降雨量具有很強(qiáng)的季節(jié)性，一年中6—7月的降雨量最大，1—3月最小。根據(jù)上文所述，影響研究區(qū)地下水位變化的主要因素是大氣降水，由此可知，若無(wú)其他意外情況發(fā)生(如大量開采地下水、水庫(kù)放水等)，研究區(qū)地下水位不會(huì)發(fā)生持續(xù)下降或持續(xù)上升等異常情況。

表2 貴陽(yáng)烏當(dāng)氣象站多年平均降雨量及全年中的比例

圖2 專門水位監(jiān)測(cè)孔2010—2014年地下水位變化曲線

(3)勘察期間地下水位觀測(cè)資料分析

對(duì)勘察期間(2015年5月)研究區(qū)地下水水位觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)如表3。

表3 北京西路站勘察期地下水位示意圖

續(xù)表3

鉆孔編號(hào)地面高程/m水位埋深/m水位標(biāo)高/mM2Z330A171208.115.71192.4M2Z330A181206.714.41192.3M2Z330A261204.512.31192.2平 均181192.5最大值30.11192.8最小值12.31192.2

(4)場(chǎng)區(qū)地下水年變幅

本文選取5201030158(30158)號(hào)專門水位監(jiān)測(cè)孔2010—2014年地下水位數(shù)據(jù)確定地下水年變幅，該監(jiān)測(cè)孔位于北京西路站東南方1 km左右的三橋蛋禽倉(cāng)庫(kù)內(nèi)，可作為地下水位變化規(guī)律的研究對(duì)象。由資料可得相鄰兩年地下水位年變幅如圖3所示。

圖3 相鄰兩年地下水位年變幅

結(jié)合圖3與貴陽(yáng)市降雨特征及降雨量與地下水位變化間的關(guān)系，綜合考慮地下水位年變幅確定為2 m。

(5)場(chǎng)區(qū)抗浮設(shè)防水位值確定

勘察期間最高地下水位為1 192.8 m，若無(wú)特殊情況，并不會(huì)產(chǎn)生意外補(bǔ)給。且勘察時(shí)貴陽(yáng)市還未進(jìn)入豐水期，按最高水位經(jīng)驗(yàn)公式，應(yīng)在勘察時(shí)的最高地下水位之上加上地下水位年變幅及可能出現(xiàn)的意外補(bǔ)給造成的水位上升值。

可能出現(xiàn)意外補(bǔ)給的原因有多種，綜合研究區(qū)地形地貌、水文地質(zhì)特征及影響地下水位變化的因素，本文以月歷史最高降雨量所造成的地下水位變化量作為可能造成地下水位上升的意外補(bǔ)給來(lái)源。

通過對(duì)多年降雨量的調(diào)查發(fā)現(xiàn)4、5、6這3個(gè)月份的降雨量變化較為均勻，基本呈直線上升趨勢(shì)，且這幾個(gè)月地下水開采等人為影響大致相同，為此采用這3個(gè)月份的地下水位進(jìn)行線性擬合。圖4(a)為30 158長(zhǎng)觀孔地下水位標(biāo)高與月降雨量的線性擬合，擬合關(guān)系y1= 0.007x1+ 1 112.517(y1地下水位標(biāo)高，x1月降雨量)；(b)為30 158長(zhǎng)觀孔地下水位變化量與月降雨量變化量的線性擬合，擬合關(guān)系為y2=0.006 63x2(y2為地下水位變化量，x2為月降雨量)。

圖4 30158測(cè)孔地下水位值與降雨量值擬合線性關(guān)系

根據(jù)收集資料可知，月歷史最高降雨量出現(xiàn)在1996年7月，高于多年平均降雨量(222.5 mm)132 mm，則場(chǎng)區(qū)地下水位變化量y1= 0.87 m。

即北京西路站抗浮設(shè)防水位可建議為1 195.67 m。

3.5 抗浮設(shè)防措施驗(yàn)證

抗浮設(shè)防水位取值為1 195.67 m，車站結(jié)構(gòu)底板高程為1 157.43 m，即結(jié)構(gòu)抗浮需要考慮382.4 kPa的浮力，在設(shè)計(jì)該地下車站結(jié)構(gòu)時(shí)，需結(jié)合結(jié)構(gòu)自重及邊墻配筋等，綜合考慮必要的結(jié)構(gòu)抗浮措施(如布設(shè)抗浮樁、加強(qiáng)配筋、或加強(qiáng)排水措施等)。

4 結(jié)語(yǔ)

1)在城市中心區(qū)，很難獲得長(zhǎng)系列的地下水位觀測(cè)資料，各工程在確定場(chǎng)地抗浮設(shè)防水位時(shí)，多以現(xiàn)場(chǎng)勘察期間得到的地下水位資料，結(jié)合歷史洪水觀測(cè)資料和地區(qū)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行綜合確定。

2)結(jié)合北京西路站降雨特征及巖溶水文地質(zhì)特性，綜合確定該場(chǎng)區(qū)抗浮設(shè)防水位為1 195.6 m。

3)工程是否需要采取抗浮措施，應(yīng)根據(jù)抗浮設(shè)防水位、結(jié)構(gòu)物的埋深、地下車站底板及邊墻配筋強(qiáng)度、及其它工程措施等綜合確定。

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Anti-floating problems of deep buried subway stations in karst area

CHEN Shasha1，GUO Weixiang2

(1CollegeofResourceandEnvironmentalEngineering，GuizhouUniversity，Guiyang550025，China；2PowerChinaGuiyangEngineeringCo.，Ltd.，Guiyang550081，China)

With the rapid growth of economic and population，people have a higher request for the urban construction and development.Exploitation of underground space is also increasing，such as the construction of basements and subways.In this paper，we took Beijing Xilu Station of No.2 Railway of Guiyang as research object，using the rainfall data，the karst development characteristics and the water level monitoring data to analyze the factors influencing the dynamic change of groundwater around Beijing Xilu Station.We predicted the highest possible water level around the station，determined the anti-floating water level，and analyzed the possible anti-floating problems of the station.

anti-floating，karst，underground water，deep buried station

p

A

2016-09-19；

2016-10-08

陳莎莎(1992-)，女，碩士研究生，研究方向：工程地質(zhì)。郭維祥(1968-)，男，湖南漣源人，教授級(jí)高級(jí)工程師，碩士，碩士生導(dǎo)師，從事水利水電工程地質(zhì)勘察及研究工作。