沈阳地铁抗浮设防水位及影响因素合理性分析研究.pdf
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1、沈阳地铁抗浮设防水位及影响因素合理性分析研究孙志鹏(中铁十八局集团第五工程有限公司,天津 3 0 0 4 5 9)摘 要:为提高沈阳地铁4号线地铁车站结构底板的抗浮水平及降低安全隐患,基于研究沈阳地铁4号线沿线地区地质勘察资料以及历史记录的地下水位情况,分析了地铁地下水位影响因素,得到了地下潜水水位与降水量的关系,通过年内动态曲线比拟法、多年动态曲线比拟法、水量均衡法抗,并以在岩土工程勘察期间测量的地下水位以及在此期间的地下水位最高最小值为依据,对抗浮水位埋深的合理性进行了分析,得到浮水位下的埋藏深度,研究结果表明:地下潜水水位增加范围和年降水量表现出较好的正相关联系,并且伴随着年降水量的升高
2、,潜水位升高程度显著加大;富水年份内地下含水层水位埋深相对于枯水年的水位埋深显著偏小;抗浮设防水位埋深1.7 72.4 9 m是合理的,为建筑物结构底板的抗浮问题提供合理有力的理论及数据依据。关键词:地铁;抗浮;防水中图分类号:T U 5 2 8 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 1 3 8 0 X(2 0 2 3)0 6 0 0 5 5 0 6R e a s o n a b i l i t y A n a l y s i s a n d R e s e a r c h o n A n t i F l o a t i n g W a t e r L e v e l a n d I n f
3、l u e n c i n g F a c t o r s o f S h e n y a n g M e t r oS U N Z h i p e n g(C h i n a R a i l w a y 1 8t h B u r e a u G r o u p F i f t h E n g i n e e r i n g C o.,L t d.,T i a n j i n 3 0 0 4 5 9,C h i n a)A b s t r a c t:I n o r d e r t o i m p r o v e t h e a n t i f l o a t i n g l e v e l
4、o f t h e s t r u c t u r a l b o t t o m p l a t e o f t h e s u b w a y s t a t i o n o n S h e n y a n g M e t r o L i n e 4 a n d r e d u c e s a f e t y h a z a r d s,w e a n a l y z e d t h e i n f l u e n c i n g f a c t o r s o f s u b w a y g r o u n d w a t e r l e v e l.M e a n w h i l e,
5、t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n g r o u n d w a t e r l e v e l a n d p r e c i p i t a t i o n w a s o b t a i n e d b a s e d o n r e s e a r c h o n g e o l o g i c a l s u r v e y d a t a a n d h i s t o r i c a l r e c o r d s o f g r o u n d w a t e r l e v e l i n t h e a r e a s
6、a l o n g S h e n y a n g M e t r o L i n e 4.T h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n g r o u n d w a t e r l e v e l a n d p r e c i p i t a t i o n w a s a n a l y z e d t h r o u g h a n n u a l d y n a m i c c u r v e c o m p a r i s o n m e t h o d,m u l t i y e a r d y-n a m i c c u r v e
7、c o m p a r i s o n m e t h o d,a n d w a t e r b a l a n c e m e t h o d.B a s e d o n t h e g r o u n d w a t e r l e v e l m e a s u r e d d u r i n g t h e g e o t e c h n i c a l i n v e s t i g a t i o n a n d t h e m a x i m u m a n d m i n i m u m v a l u e s o f g r o u n d w a t e r l e v
8、e l d u r i n g t h i s p e r i o d,t h e r a t i o n-a l i t y o f t h e b u r i e d d e p t h o f t h e a n t i f l o a t i n g w a t e r l e v e l w a s a n a l y z e d,a n d t h e b u r i e d d e p t h u n d e r t h e f l o a t i n g w a t e r l e v e l w a s o b t a i n e d.T h e w a t e r l e
9、v e l b u r i a l d e p t h o f t h e u n d e r g r o u n d a q u i f e r i n t h e y e a r o f a b u n d a n t w a t e r w a s s i g n i f i-c a n t l y l o w e r t h a n t h a t i n t h e y e a r o f l o w w a t e r.T h e b u r i e d d e p t h o f 1.7 72.4 9 m f o r a n t i f l o a t i n g d e s i
10、 g n w a s r e a s o n a-b l e,w h i c h p r o v i d e d a r e a s o n a b l e a n d p o w e r f u l t h e o r e t i c a l a n d d a t a b a s i s f o r t h e a n t i f l o a t i n g p r o b l e m o f b u i l d i n g s t r u c t u r a l b o t t o m p l a t e s.K e y w o r d s:s u b w a y;a n t i f l
11、 o a t i n g;w a t e r p r o o f 城市轨道交通工程存在工程结构的抗浮问题,因为大部分结构为地下敷设,抗浮问题更加突出。13在实际工程中,一些浮力的不正常不合理取值所引发的浮力作用问题经常出现。45沈阳市作为建设城市轨道交通的城市之一,建设过程中和后期运营阶段同样存在工程结构的抗浮问题。67地铁工程抗浮设防水位的研究涉及地下水位的预测以及基底水压力两方面内容,地下水位的预测与基底水压力计算对于地铁工程抗浮设防具有重要研究意义。8与一般的民用型单体建筑不同,城市地铁工程一般穿越城市的数个水文地质单元及水文地质分区,整体呈现为线性形态,并由于地铁在完工后将不同程度地使
12、得区域地下水运移条件、地下水赋存状况及水文地质环境等发生改变,从而更难确定抗浮设防水位。浮力的大小主要取决于作用于地下结构物底板的孔隙水压力,且与地下水的赋存特征及运移规律息息相关。地55第4 5卷 第6期2 0 2 3年6月 宜春学院学报J o u r n a l o f Y i c h u n U n i v e r s i t y V o l.4 5,N o.6J u n.2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 3 0 5 1 2作者简介:孙志鹏(1 9 9 7),男,辽宁沈阳人,中级工程师,研究方向为地铁暗挖施工、铁路、预制铁路简支T梁等施工领域。下轨道交通,其主体结构都处于地下,地下结
13、构底板承受的浮力荷载在地下水位较高时将变得十分可观,从而使得浮力的破坏风险更加严重。此外,地下结构底板的浮力荷载还因为降水量以及季节情况而存在一定的非确定性,大大增加了浮力灾害的风险程度。进行更加准确的地下水位预测,从而提供数据计算出合理的地下水压力对地铁工程的建设以及使用具有重要的研究意义。抗浮设防水位在工程中是指在基础砌筑深度范围内起着主导因素的地下含水层在建(构)筑物使用期限内的最高水位,与实际测量的水位不同,一般需要通过相应的方法预测得出,为评价值。9通过合理的预测地下水位变化范围进而计算地下水压力,可以获得抗浮水位的合理取值,这对于工程建设的稳定与成本有着直接关系,假如水压力设定偏小
14、,则工程施工造价相对减少,但工程的安全性不能得到保障,如若取值偏高,工程的安全得到了保障,但会提高工程造价,造成资金浪费。1 0抗浮水位存在最佳取值,利用丰富的数据,采取科学合理的方法,准确地计算出该值可以确保工程安全,节约工程造价。1 1目前,大多文献都是采用现行规范和设计理论进行抗浮设计,抗浮方案通常针对的是较为简单的条件,然而城市地铁工程一般穿越城市的数个水文地质单元及水文地质分区,整体呈现为线性形态,并由于地铁在完工后将不同程度地使得区域地下水运移条件、地下水赋存状况及水文地质环境等发生改变,从而更难确定抗浮设防水位。1 21 5因此,为进行更加准确的地下水位预测,本文结合地下水位最高
15、最小值采用三种方法精确确定了抗浮防水埋深。1 区域地质水文概况1.1 区域地质对沈阳地铁4号线沿线进行研究,具体地理位置图见图1。图1 沈阳地铁4号线位置图(1)第四系本区第四系十分发育,多分布于浑河等河流两岸。第四系地形形成因素多为河流冲洪积、湖积、沼泽沉积以及风积等,形成了松散的砂砾石、砂、淤泥草炭和黄土堆积。普遍出现于平原内的全新统形成因素比较复杂,多为冲积、风积、湖积及沼泽沉积。而河流冲积则多出现于浑河等流域,具有明显的二元结构沉积特征。其中更新世在区内分布最广,这一时期全区整体处于沉降趋势,从而逐渐变成了一套地层发育比较完备的河流冲洪积相及河湖相沉积。(2)沉积岩本区域地层处于浑河地
16、层区,大部分经过第四系地层的大范围遮盖后白垩系下新统遍布;小部分地层形成的比较完备,除去缺少极少数统外,奥陶系往后均有出露。(3)侵入岩本区的岩浆出现剧烈且数次较多的侵入活动且持续时间一直由古生代至中生代。1.2 气象条件研究区为全球气候带中的中温带,并且为大陆性半湿润半干旱季风气候,春天天气干燥少水并且风较多,夏天天气湿热且雨多,冬天气温低,天气冷且干燥并且冬季时长较长。通过对沈阳市气象观测站多年的气象观测数据收集分析,得出其往年的年均大气降水量是5 9 6.2 mm,研究区3月至5月份的气候受到副热带低压因素的影响而变得天气又湿又热且雨量多。沈阳市除去偶尔出现的大约达到3 8.0 的异常高
17、温外,往年的平均气温为5 左右并且在7月达到气温的峰值。从1 1月份至第二年3月份,由于来自西伯利亚的地温气团影响导致沈阳市出现温度低、气候干旱且降雨量低的情形。沈阳市气流流速变化很明显,并且风向变化大,具体表现在冬天的偏西风向、夏天常有的东南风向、春天则盛行西南风。沈阳市春天高低温气流间呈现相互交替的态势并且伴随着逐渐加强的西南方向的季风,此方向风速历年平均值大约为4.3 m/s,而来自东北方向的季风的历年平均值大约为1 2.1 m/s。沈阳市6月至9月份历年的平均大气降水大致为4 7 0.3 mm,在历年的平均大气降水总量中占大概7 8%,在7月到8月份的降水量则相对集中,平均降水量大致为
18、3 2 0.2 mm。沈阳市气象条件偏向于干燥少水,地表水的蒸发总量比降水总量大,往年来年平均水面的蒸发总量为8 5 0 mm。沈阳市历年土的结冻时间大致为1 1月到第二年4月,时长较长大概为6个月,土的结冻深度大致为1.5 1.8 m。65第6期 宜春学院学报 第4 5卷2 地铁工程地下水位分析2.1 地下水位影响因素分析沈阳地铁4号线砂阳路站观测井含水层水位升高幅度与降水量关系如图2,能够观察到年内地下潜水水位增加范围和年降水量表现出较好的正相关联系,并且伴随着年降水量的升高,潜水位升高程度同样显著加大。图2 沈阳地铁4号线砂阳路站地下水位上升幅度与降水量相关曲线图沈阳地铁4号线砂阳路站年
19、内最小水位埋深与年降水量相关曲线详见图3,富水年份内地下含水层水位埋深相对于枯水年的水位埋深来说显著偏小。图3 沈阳地铁4号线砂阳路站年内最小水位埋深与年降水量相关曲线2.2 降水趋势辽宁省大气观测站点与水文观测点大多是2 0世纪5 0年代后建设的,大气气候及地下、地表水的数据记录时间段长度不大,对其一般性产生不利的影响,因此在规划设计时应该尽量提取短时间范围内的大气气候观测时间段、水文数据来研究其之间的相互关联,并且需要得出采用的较长时间段的可靠性。最终再依据一般性结论,通过差积曲线法对研究区降水时间段的年际涨幅程度进行研究。3 抗浮水位埋深的合理性分析3.1 年内动态曲线比拟法多年动态曲线
20、分析表明,沈阳市地下含水层水位在2 0 1 3年底与2 0 0 1年底大致相同,所以能够应用相关分析法,分析设计标准的含水层水位。第一步先依据长期观测数据研究绘制地下含水层运移、赋存等条件的特性曲线,然后根据岩土工程勘察以及长时间观测段内的水位数据计算在施工年中的含水层水位的极大值。根据以下公式计算在频率P为1%时的设计标准下的地下含水层水位埋深W Ld=W Lm i n-W L(1)式中,W Ld为在设计标准下的地下含水层水位标高,m;W Lm i n为勘察年份状态下的地下含水层水位最大值,m;W L为在设计标准条件下因为大气降雨升高而导致的含水层水位升高程度值,m。含水层水位升高程度值的计
21、算可以用相关性方程确定:W L=W L(P=1%)-W L(P)(2)式中,W L(P=1%)为在设计标准条件下的含水层水位升高程度,m;W L(P)为在勘察水文年含水层水位升高程度,m。3.2 多年动态曲线比拟法根据2 0 1 3年地沈阳市轨道交通4号线沿线各车站含水层水位标高与长期观测井水位标高间的联系,利用和含水层最大水位埋藏深度的差值和含水层最小水位埋藏深度的差值的方法,估算出研究线路上车站站点往年的水位埋藏深度最小值。根据推算法计算出往年的最小水位埋深,按照最不利因素选择,将沈阳市轨道交通4号线沿线有代表性的1 6个站点往年最小水位埋深中的最小值用为设计标准(百年一遇)下的最高水位进
22、行统计(如表1所示)。表1 车站多年动态比拟法最小水位埋深序序号号车车站站名名称称勘勘察察期期间间水水位位埋埋深深最最大大平平均均最最小小多多年年动动态态比比拟拟法法最最小小水水位位埋埋深深(mm)1正新路站3.8 0(初勘C K 2 1 5 8)3.5 32.8 0(初勘C K 2 1 4 8)2.5 22望花站4.1 0(初勘C K 2 1 2 3)3.7 33.5 0(初勘C K 2 1 3 1)3.2 275第6期 孙志鹏:沈阳地铁抗浮设防水位及影响因素合理性分析研究 第4 5卷序序号号车车站站名名称称勘勘察察期期间间水水位位埋埋深深最最大大平平均均最最小小多多年年动动态态比比拟拟法法
23、最最小小水水位位埋埋深深(mm)3北大营站4.5 0(初勘C Z 5 C K 2 2)3.32.5 0(详勘C Z 5 C K 2 1 0)1.1 74洮昌街站3.9 0(初勘C K 2 1 5 4)3.7 93.7 0(初勘C K 2 1 0 7)1.6 45沈阳大学站3.4 0(详勘C Z 7 C K 2 2 3)2.6 51.9 0(详勘C Z 7 C K 2 B 2)0.8 96沈阳北站4.5 0(初勘C K 2 9 3)4.2 33.7 0(初勘C K 2 9 1)1.7 67皇寺路站4.9 0(详勘Q 8 C K 2 1 5)4.23.5 0(详勘C Z 8 C K 2 1 7)1
24、.4 58太原街站4.7 0(C Z 1 0 C K 2 1)3.2 72.6 0(详勘C Z 1 0 C K 2 2 7)1.4 89南五马路站4.4 0(初勘C K 2 6 9)3.4 52.5 0(详勘C K 1 1 C K 2 2 4)1.1 21 0砂阳路站4.9 0(详勘C Z 1 3 C K 2 5)3.1 82.5 0(详勘C Z 1 3 C K 2 2 5)1.8 81 1南京桥站4.0 0(初勘C K 2 4 7)2.9 92.3 0(详勘C Z 1 4 C K 2 7)0.5 21 2长白岛站3.8 0(初勘C K 2 3 8)2.7 62.2 0(详勘C K 1 5 C
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