淮南市中央公园下穿隧道抗浮地下水位分析

赵华宏 沈洪波 李昊煜

(安徽省交通规划设计研究院，安徽合肥 230088)

随着现代化城市建设发展，地下空间不断开发利用，而对一些无上部建筑且自重荷载较小、开挖埋置较深的地下结构，诸如地下车库、商场、下沉式广场、下穿隧道、水池等，这些结构物的抗浮设计是一个关键问题，抗浮设计的关键是抗浮地下水位的确定、浮力计算及抗浮措施设计三部分，其中抗浮地下水位的确定是基础，且直接关系到工程建设的安全经济性。以下就淮南市山南新区南纬六路下穿隧道抗浮地下水位确定加以分析，以供该地区同类工程参考。

1 工程概况

南纬六路下穿隧道其道路类别为城市次干道，双向四车道，设计行车速度为40 km/h，隧道净宽:净—2×8.25 m，隧道限高:净—4.5 m;防洪设计采用100年的重现期。隧道总长度为1135 m，其中敞开段360 m，暗埋段775 m。暗埋段顶部设一人工下挖景观湖，湖底距隧道洞顶距离1.0 m～2.0 m，设计湖水位标高45.50 m。隧址区位于淮南市山南新区，场区区域地貌属江淮丘陵组成部分，所处地貌类型以丘陵坡地为主，标高在48.20 m～54.33 m之间。路线走向为东西向。

2 水文地质与工程地质条件

建设场地为江淮分水岭波状平原，地表主要分布第四系上更新统(Qal+pl3)粘性土，有弱～中等膨胀潜势，工程地质性质一般;局部低凹地段分布薄层第四系全新统(Qal+pl4)冲洪积粘性土及砂土，工程地质性质一般。下覆基岩为第三系(E)砂质泥岩、砂岩互层，埋深20 m～30 m，岩性软弱，工程地质性质较好，下穿隧道位于上更新统粘性土中。

隧址区经过地区气候温暖，四季分明，雨量充足，无霜期较长，属暖湿性亚热季风气候。全市年平均降水量1000 mm～1200 mm，季节性变化大，年平均气温15.7℃。隧址区沿线地表水为附近沟、塘所蓄积的水，其来源主要为大气降水及上游河流径流补给。地表水位与流量的变化与降水有密切关系，夏季雨量充沛，水位高，流量大;冬季降雨稀少，水位低，流量小。地下水类型主要为分布于亚粘土层中的潜水及基岩全风化砂质泥岩层中的裂隙水。勘探期间测得的地下水位(静止)埋深为0.70 m～3.20 m，相应的地下水位(静止)标高为47.20 m～51.13 m。

地表粘性土层为弱～微透水层，具体各层土渗透系数见表1。

表1 渗透系数统计表 cm/s

3 抗浮水位分析确定

地下结构(整体或局部)埋置到地下水位以下岩土层中，结构除受土压力外，还受到地下水渗透压力，当结构底板受到向上水压力大于结构及上覆土重量时，结构会上浮。由于沿途渗流计算受水文地质条件、岩土体介质等因素影响，计算复杂，考虑工程应用，我国现行规范简化为阿基米德浮力原理计算，计算简单，而对不同岩土层考虑不同的安全系数。

勘察报告中一般会给出:勘察期间的水位、历史最高水位，甚至于近3年～5年的地下水位;不能直接用作抗浮设防水位，要求设计人员进一步综合分析，根据地区经验或附近工程类比综合确定。合理确定建筑结构设计中的基础抗浮设防水位非常困难，但又非常重要，是关系到工程质量和工程造价的关键问题。

3.1 山南新区地下水位控制因素分析

根据区域长期水文地质观测资料，江淮坡状平原区地下水位主要受大气降水及河、湖、沟、塘补给，水位季节性变化大。综合分析本工程场地地下水位主要控制因素为大气降水及场地周边地表水体补给控制。具体结合工程场区建设规划分析，主要影响地表的水体有:城市内涝、景观湖建设以及本区域水文地质工程地质条件。

3.1.1 城市内涝水分析

山南新区地势北部高，南部低，中间高，东西部低。新区附近淮河流域田家庵水文站的设防水位是20.0 m，警戒水位为23.3 m。规划区内的地势均高于30 m，规划区北边是舜耕山，淮河洪水很难入侵。东西两侧分别是地势较低的高塘湖和瓦埠湖湖区，瓦埠湖50年一遇设计洪水位24.5 m，高塘湖汛期最高水位21.0 m。按照地形，外来洪水不会对规划区产生影响，区内暴雨洪水将会排向两个湖区，湖区作为规划区降雨的承泄区，不会对规划区洪水产生顶托。即山南新区地势相对较高，外来洪水对规划区基本不产生影响，区内主要的洪涝灾害是本地暴雨产生的内涝。地下水位不会受到河湖洪水位顶托上升。

3.1.2 景观湖设计水位分析

景观湖设计为人工下挖蓄水体，且场区地形北高南低，景观湖及规划水系由北向南排，景观湖设计水位采用市政府与景观湖之间所夹南纬四路路面标高控制，推出景观广场设计标高，在景观广场设计标高的基础上减去50 cm，得到景观湖湖面设计标高。设计常水位为45.5，也是设计允许最高水位。

3.1.3 场地水文地质条件分析

根据岩土勘察报告和区域地质资料，拟建场地地下水类型主要为分布于粘性土层中的潜水及基岩全风化砂质泥岩层中的裂隙水。勘探期间测得的地下水位(静止)埋深为0.70 m～3.20 m，相应的地下水位(静止)标高为47.20 m～51.13 m。地下水主要由大气降水及附近河流渗流补给，水位和水量受季节性影响变化较大。

本次勘察拟建场地②层粘土中普见水位，场地内赋存的地下水主要为第四系松散层中的上层滞水。由于场地地形中间低，东西两端稍高，中间低洼段地下水埋深浅，两侧岗地段地下水位相对埋深大。且受地表沟塘补给，第四系松散层中的上层滞水水位较高，埋深在1.0 m～3.0 m。施工阶段随着基坑开挖降水，地下水位会跟着下降。②层粘土垂直渗透系数为1.28×10－5cm/s，为弱透水层，是膨胀土裂隙发育影响的。

3.1.4 工程建成后地面标高变化分析

本工程设计西段230 m及东段130 m敞开U形槽，中间775 m为暗埋段。暗埋段顶部为景观湖，深埋于地下，U形槽两侧各设有13.5 m宽的路面及共计3 m左右宽的两条绿化带。西段设计路面标高总体来看低于原地面标高，外侧辅道标高高于原地面标高0.5 m不等，但外侧不透水路面很宽，土层渗透系数小，路面渗水少，故建成后地坪仍采用现地面标高控制合适。东段设计标高低于原地面，即建成后地坪标高用现地面标高控制。

暗埋段非湖底段地面标高控制参考景观绿化设计图纸，以景观广场地坪标高控制。

3.2 隧道抗浮设计水位取值

结合以上区域地质背景、场地水文地质、工程地质条件，及诸多地下水位控制因素分析，考虑本工程建设特点及后期运营可能遇到各种最不利工况，分段提出本工程地下水抗浮计算水位如下:

1)K0+135～K0+365西段U形槽段，位于岗地斜坡段，地表水排水顺畅。勘测期间，地下水实测水位为51.13 m，在地面下3 m左右。本段靠近中规院规划K1水系K6+900处，中规院100年设防设计水位53.25 m。本段结构均埋置在2层粘土中，为上层滞水，施工期间随着基坑开挖降水，地下水位会下降，不考虑抗浮设防。回填建成运营后，长期地下水恢复平衡，综合考虑上层滞水最高水位按地面下1.0 m控制，53.33 m，满足100年设防水位控制要求。

2)K0+365～K1+140暗埋段，湖底水下段隧道采用阿基米德定律考虑，水位以最高湖水位控制;湖边段的抗浮计算，考虑地势低洼及排洪蓄洪要求，抗浮计算水位按建成后地坪标高控制。

3)K1+140～K1+270东段U形槽段，位于岗地斜坡段，地表水排水顺畅。设计路段距规划 K2水系 K0+050较远(约1.0 km)，粘性土渗透系数小，可查到规划防洪水位不能控制本段地下水位。勘测期间，地下水实测水位48.68 m，在原地面下2 m左右。本段结构均埋置在2层粘土中，地下水为上层滞水。考虑运营期降雨补给，抗浮水位采用原地面下1 m控制应该是非常安全的。

4 结论建议

1)本文综合分析区域地质背景、场地水文地质、工程地质条件，及诸多地下水位控制因素，分段给出城市下穿隧道工程抗浮计算地下水位，能满足工程建设运营安全要求。

2)地下水渗透运移规律复杂，且受地表水、人为影响因素较大，特别是上层滞水、潜水更甚，采用明开挖施工要做好降排水措施，防止肥槽回填不密实及脚盆效应等不利条件导致工程上浮。

3)地下水抗浮设防水位确定影响因素非常多，本文抓住主要控制因素分析，但尚缺乏该地区其他同类工程经验及地下水长期观测资料，需进一步积累资料分析。

［1］肖林俊，杨志英.地下结构抗浮设防水位和浮力计算［J］.河北理工大学学报(自然科学版)，2009，31(4)：111-114.

［2］郭跃龙.北京地区土中水对地下结构的浮力研究［D］.北京：北京工业大学硕士论文，2009.

［3］邓 星.地下结构抗浮设计中若干问题研究［D］.上海：同济大学硕士论文，2009.

［4］徐杨军.武汉市地质条件下的地下水浮力研究［D］.武汉：武汉理工大学硕士论文，2010.