地层环境变化对地铁结构设计的影响分析

杨杰

摘 要：随着我国社会经济的不断发展，及城市现代化建设的推进，地铁工程建设规模不大。但基于城市环境的复杂性，为确保地铁工程质量，在地铁结构设计中必须考虑到地层环境变化带来的影响。本文基于地层环境下地铁结构内力情况，系统剖析地层环境变化对地铁结构设计的影响。

关键词：地层环境；地铁工程；结构设计

1 地层环境下地铁结构内力情况

在地铁结构的设计中，首要考虑的就是现阶段地层环境下地铁结构的内力情况，再考虑结构下方将建工程、地面周边新兴建筑等变化[1]。以某地铁站的结构为例，该地铁站台为岛式站台，设计成双层三跨钢混框架结构，施工方法为明挖顺作法，车站的顶部覆盖3.2m土层，不计算维护架构；地下水位深埋8.8m。地铁站地质分层为：填土层、粉粘土层、细沙层、圆砾层及粉土层。前三层为站台主体土层。

选定1延m车站结构，依照运行期间的的荷载组合来进行结构内力计算，具体包括：（1）永久荷载，主要是结构自重及地层压力；（2）可变荷载，包括楼板人群荷载，地面车辆荷载及引起的侧向土压力，对地震、人防两个荷载可不考虑。在设计中，应选择作为不利荷载组合，如此才可保证站台结构处在最大应力下而不会受到破坏，且可保证地铁工程施工和运行的安全。

2 地层环境变化对地铁结构设计的影响分析

2.1 地下将建工程的影响

地下工程的施工就是周边边土层持续卸载的一个过程，也就是周边土层地应力场的平衡状态被打破再重新构建和分布的过程。在土层开挖中可能会导致地层环境出现变化，比如：土层应力状态改变、岩层爆破振动、岩层形状变化等。

假设地铁结构底板应用弹性地基梁，采用文克尔地基模型进行分析[2]。对其地基应力和沉降间的关系，依照假设，地基提供给梁的反力为：

P（x）=-kω

式中，ω是该点绕度；k是弹性地基的系数；单位为kN/m3，即地基沉陷一单位深度所要施加的应力。

为了解地下新建工程对地铁结构设计的影响，可假设地铁结构底板下方约4m处需新修建一隧道，该工程的开挖半径定为7m，和地铁车站正向相交，根据这些情况对地下工程建设对地铁结构设计的影响进行分析。在隧道开挖中，会造成地层一定程度的卸载，进而使地铁结构的底板下端土层地基系数减小，即便设支护，土层仍会松动。通过减小地层刚度可模拟该种情况，再对地铁结构内力进行计算。具体结果如下：

（1）轴力（图1）：底板轴力变大2.4kN；中、顶板则分别减小1kN和1.4kN；而水平向轴力增减和则是0。中板上、下两边侧墙轴力分别减小1.8kN、2.2 kN；而柱两侧轴力增大相应，两部分的增减轴力为0。可知，在既定条件前提下，水平、竖直两向轴力和与设计是保持一致的。简言之，地铁的结构构件轴力变化幅度应在1%以下。

（2）弯矩（图2）：结构的顶板弯矩在A、D两点减小1.1%，而B、C两点提升1.1%，跨中最大弯矩在中跨处减小1.7%，边跨增大0.1%；结构中板弯矩在E、H两点减小1.5%，在F、G两点增大1.6%；跨中最大弯矩在中跨处减小2%，边跨增大1.5%；底板最大弯矩在I、L、J、K均增大1.5%，中、边跨跨中最大弯矩增大2.9%、3.2%；侧墙弯矩则在下端明显增大，而在上端有所减小。

从结果可以知道，地铁结构的内力在分布上无显著变化；顶、中板及侧墙轴力有所减小，而底板、柱轴力变大；顶、中板及柱节点弯矩变大，其它部位减小；底板弯矩有一定的增大，侧墙上侧弯矩减小，下部变大。由此看出，在既有地铁车站下方进行新隧道施工，柱、底板轴力增幅一般在1%以下，中、顶板在内侧节点和相邻处弯矩增幅在1.6%以下；底板弯矩增幅在3.2%以内；底板跨中弯矩增幅较大，而轴力变化较小。所以，在设计时必须考虑到结构底板内力可能发生变化，适当提升底板的抗变形力。

2.2 地面将建工程的影响

因地铁站台基本上建于城市相对繁华区域，站台结构周边可能有新建筑规划和建设，这就会导致地层应力场出现变化[3-4]。

假设该车站结构左侧6m处拟建一大型建筑物，基底埋深6m、宽20m。设基底应力是0.2MaP。根据地面建筑物基地应力对地下工程结构影响有这两种状况：一是地下工程结构处在地面建筑物基底应力影响之下；二是地下工程结构未在地面建筑物基底应力扩散范围内，应力扩散不会产生影响。通过计算，在拟定条件下本地铁站为前种情况。因地铁站结构埋设的较浅，扩散角一般是45°，而地面建筑物对站台侧墙上产生附加竖、侧两向应力分别为σ1=q1Xb0/（b0+2b1）、λσ1。从结果看出，左侧地层的新建筑物会产生较大影响，具体如下：

（1）轴力：顶板水平向轴力呈自右减左增变化，具体为顶板轴力在左、右跨变大6.9%、13.9%，而于中跨处减小2.4%；中板轴力左边增幅要比右边大，左、右及中跨轴力分别增大18.7%、1.9%、10.3%；底板轴力左边增幅大于右边，左、右及中轴力分别变大13.6%、8.1%、10.8%。左侧墙轴力竖直向增幅在1.6%以内，右侧减幅在相同范围内；左、右柱轴力增、减幅均在1%以内；竖向各处增减轴力和为0。

（2）弯矩：顶板弯矩呈右半部下降、左半部上移变化，顶板弯矩及左跨跨中最大弯矩在A点分别增大11%、减小9%，和中跨跨中最大弯矩在B点分别增大1.5%、1.3%，和右跨跨中最大弯矩在C点分别减小3.3%、增大9.5%，在D点减小10.1%，和左跨跨中最大弯矩在E点增大21%、减小31.6%，和中跨跨中最大弯矩在F点减小9.7%、增大3.2%，和右跨跨中最大弯矩在G点分别增大4.4%、22%，在H点增大5.4%；底板弯矩则表现为右半部下降、左半部上移的变化，底板弯矩和右跨跨中最大弯矩在I点分别增大9%、减小10.2%，和中跨跨中最大弯矩在J点处分别减小5.3%、增大1.1%，和右跨跨中最大弯矩在K点分别增大5%、减小10.2%，在L点增大9.1%；上、下侧墙E端弯矩分别增大67%、39.6%，左侧墙弯矩在中部增大明显，右侧墙弯矩表现为下增、上减变化，且在L点增大9.1%。

可以看出，在地面新投建建筑时，地铁结构内力变化大而复杂。所以，在设计中，需在满足地铁结构基本受力前提下，适当增大各层板强度，尤其是顶、底板。

3 结语

总之，地铁结构属于受力复杂的超静定结构，会受到地层环境变化的影响，因而需要根据地铁工程规划和建设实际情况具体探讨，通过科学、严谨的计算，明确具体的变化，设计出安全、科学的地铁结构。