浅析地层环境变化对地铁结构设计的影响

周博

摘  要：地铁建设具有工期长、难度大等特点，建设过程中任何阶段出现质量不达标情况都会给整个建设项目带来不可挽回的影响。众所周知，地铁建设是一种地下施工工程，地层环境的变化必然会对地铁结构内力造成一定的影响，进而影响地铁的结构设计，因此为了防止这一现象产生，在地铁设计时就必须对地层环境可能发生的变化加以考虑。基于此，该文详细分析了地层环境发生变化时地铁结构受到的影响，并根据实际情况从多种角度提出了降低这种影响的措施。

关键词：地层环境;地铁结构;内力

中图分类号：U231                   文献标志码：A

0 引言

近年来，国内城市化建设中交通运输模式也发生了翻天覆地的变化，尤其是在先进地下空间建设理论和技术的支撑下，越来越多的城市地铁建设项目被列到了建设日程中。地铁也因对外污染小、运载能力强、空间利用率高等优势受到了广大民众的青睐。经过多年的经验积累，当前我国地铁设计和建设水平已经发展得较为稳定，但也不可避免地存在着一些问题，象地层环境变化往往会削弱地铁结构的实际承载能力，给地铁结构带来不可忽视的影响，造成地铁建设的失误，甚至威胁到人们的生命安全，因此在地铁建设设计过程中，设计人员和施工人员应该对地铁的实际施工环境进行细致地实地考察，通过数据计算和分析获得地层多变的地带和原因，并及时采取适当的防范措施，以保证未来地铁能够安全稳定地建设和运行。

1 地层环境中地铁结构的设计状况

复杂性和不确定性是地层环境变化的主要特性，因此其对地铁结构产生的影响也是复杂多变、难以预测的，这就要求设计人员和施工人员对能够引起地层环境变化的因素进行充分地了解和分析，并及时做好相应的防范措施，保证地铁的安全建设和运行。

在进行分析和设计时，应将对地层环境中地铁结构内力的分析放在首位，具体来说可以分为以下2个方面：1）永久荷载，这种荷载力主要来源于地铁结构本身重力以及地层各个方面施加的压力。2）可变荷载，这种荷载主要包括乘客产生的荷载、地面车辆产生的荷载以及侧向土压荷载等。在对地铁结构进行设计时应该将各种不利荷载加以组合，保证地铁结构在受到较大荷载的作用下不会遭受严重的破坏，进而保证地铁投入使用后的安全稳定性。

2 地层环境发生变化时地铁结构设计的影响

2.1 地下工程的影响

地铁地下工程部分的建设受到地层环境变化的影响最大，地铁地下工程施工中一项重要的内容就是对土层的持续卸载，在这一过程中，地下土层的应力场也在不断变化，因此地下工程施工的推进也可以认为是将土层平衡环境打破后重建的过程。

为了研究地铁建设中地下开挖对地铁结构设计的影响，我们假设地铁结构底板下放4 m处有一条隧道经过，隧道的半径7 m，与地铁站走向正交，由于该条隧道的存在使地铁站地基基床系数下降，即便设置一定的支护措施，也难以阻止土层的不断松动和下降，进而对地铁站的内力产生影响。通过计算公式对结构内力进行计算可知，经过环境改变后地铁结构内力较之前并没有发生明显的改变，但是顶部的轴力有所减小，底板、柱轴力有所增加，顶板、柱节点以及底板处弯矩增大，侧墙上部弯矩减小，下部增大。通过数据分析得出总结：如果在地铁站下方开挖隧道，底板和柱的轴力增加幅度相对较小，中板和顶板内侧节点处的弯矩增加幅度稍大一些，底板和底板跨中弯矩增加幅度最大，因此在对地铁结构进行设计时，应该对增加底板的强度和抗变形能力予以足够的重视。

2.2 地面工程的影响

通常情况下，地铁在城市中都处于经济和交通比较发达的地区，因此地铁附近经常会进行新兴工程建设，在工程施工过程中，地铁地层的环境也会随之发生改变，进一步影响地铁地下结构环境。当地铁上方进行建筑施工时，地下结构内力必然会发生变化，这种结构内力的变化由于其受力的不对称性显现出极度复杂的特征。经过多年的施工实践经验可知，如果地上施工建设存在与地铁站左方时，那么地铁顶板的左跨、中板和顶板的轴力会变大;反之，则右跨、中板和顶板的轴力变大，同时地铁结构中的弯矩也会出现较大幅度的增加。总结来说，当地铁上方一侧存在新修建筑时，地铁内力通常会产生较大幅度的变化，因此在进行设计时，应在满足地铁受力基本机构的同时适当对各层板的强度予以增加，并重点关注顶板的抗变形能力。

2.3 地下水位上升的影响

地下水位的变动也会对地下建筑结构的结构应力和承载能力形成影响，因此在对地铁进行设计时应该充分关注到地下水位的变化情况。根据以往经验得出，当地下水位上升时，地铁结构中底板和中板弯矩会变大，它们所受到的轴力会增加，同时顶板受到的轴力也会增加且增加幅度较大，因此为了防止地下水位上升对地铁造成隐患，应当在设计时适当加强顶板和底板的强度，使地铁安全性得到保障。另外，根据计算结果可知，当地下水位上升時，中板弯矩的增加幅度并不会向顶板和底板一样大。当地下水位高于顶板时地铁结构中侧墙和两柱的轴力以及大多数结构的弯矩都会变大，但由于中板相对独立且产生的形变较小，因此可知地下水位上升对中板的轴力和弯矩并没有明显的影响。

3 减少地层环境对地铁结构设计影响的措施

3.1 从地下土层角度解决

从地下土层的角度来说，在进行地铁结构设计时应充分考虑地下土层变化产生的影响，计算时应采用多钻孔结构计算方法，从钻孔中选出最不利钻孔进行结构的选型和配筋。如果土层中存在软土则应该对软土成分和数量加以分析，并进行相应的处理。另外，应该对结构持力层的承载情况进行验算，如果发现承载度不符合要求则应该及时对土层土壤进行置换和加固。

3.2 从地下水位角度解决

首先，在地铁工程地基开挖时就应该对地下水采取一定的止水措施，象可以根据施工具体的地质环境使用搅拌桩或者地连墙对地下水进行堵截，使用降水井对基坑内部进行人工降水处理，或者在基坑顶部修建防水墙对地表水进行阻挡。其次，应该对地铁结构的抗浮能力进行检验，防止当地下水水位上升后，地铁结构出现上浮现象，如果地铁结构抗浮性不满足设计要求时，应在设计中加入一定的抗浮措施，象可以考虑修建设置压顶、压底梁，或者可以在地铁结构底板下修建一定数量的抗拔桩。第三，应该对地铁做好防水设计，防止在较深的区域地下水渗入地铁站。具体施工时可以采用防水混凝土作为施工材料，在地铁站外部修建全包式防水层，另外在地铁结构中的重点部位和特殊节点应该进行重点防水设计。最后在地铁站内部应该设置一定的集水处理装置，对进入车站内部的地下水进行应急处理。

3.3 施工与设计相结合

最后在地铁进入施工阶段后，设计人员应该对建设项目进行监督跟进，实时关注施工进度。如果在施工过程中发现施工与设计计划不符，或者施工地质情况与设计情况不符的现象，应该及时通知施工单位和建筑单位。

4 结语

总结来说，地铁的受力结构是一种相对复杂的静定结构，通过该文的研究分析可知：当地层环境发生变化时，地铁的结构内力也在不断改变。因此为了更好地保证地铁的修建质量和运行安全，在未来地铁结构设计中，应该结合施工当地的具体环境，运行科学严谨的方法，对具体变化进行具体分析，并找到相应的缓解措施，最大程度地保护地铁的安全运行。

参考文献

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