地層環境變化對地鐵結構設計的影響分析

楊杰

摘 要：隨著我國社會經濟的不斷發展，及城市現代化建設的推進，地鐵工程建設規模不大。但基于城市環境的復雜性，為確保地鐵工程質量，在地鐵結構設計中必須考慮到地層環境變化帶來的影響。本文基于地層環境下地鐵結構內力情況，系統剖析地層環境變化對地鐵結構設計的影響。

關鍵詞：地層環境；地鐵工程；結構設計

1 地層環境下地鐵結構內力情況

在地鐵結構的設計中，首要考慮的就是現階段地層環境下地鐵結構的內力情況，再考慮結構下方將建工程、地面周邊新興建筑等變化[1]。以某地鐵站的結構為例，該地鐵站臺為島式站臺，設計成雙層三跨鋼混框架結構，施工方法為明挖順作法，車站的頂部覆蓋3.2m土層，不計算維護架構；地下水位深埋8.8m。地鐵站地質分層為：填土層、粉粘土層、細沙層、圓礫層及粉土層。前三層為站臺主體土層。

選定1延m車站結構，依照運行期間的的荷載組合來進行結構內力計算，具體包括：（1）永久荷載，主要是結構自重及地層壓力；（2）可變荷載，包括樓板人群荷載，地面車輛荷載及引起的側向土壓力，對地震、人防兩個荷載可不考慮。在設計中，應選擇作為不利荷載組合，如此才可保證站臺結構處在最大應力下而不會受到破壞，且可保證地鐵工程施工和運行的安全。

2 地層環境變化對地鐵結構設計的影響分析

2.1 地下將建工程的影響

地下工程的施工就是周邊邊土層持續卸載的一個過程，也就是周邊土層地應力場的平衡狀態被打破再重新構建和分布的過程。在土層開挖中可能會導致地層環境出現變化，比如：土層應力狀態改變、巖層爆破振動、巖層形狀變化等。

假設地鐵結構底板應用彈性地基梁，采用文克爾地基模型進行分析[2]。對其地基應力和沉降間的關系，依照假設，地基提供給梁的反力為：

P（x）=-kω

式中，ω是該點繞度；k是彈性地基的系數；單位為kN/m3，即地基沉陷一單位深度所要施加的應力。

為了解地下新建工程對地鐵結構設計的影響，可假設地鐵結構底板下方約4m處需新修建一隧道，該工程的開挖半徑定為7m，和地鐵車站正向相交，根據這些情況對地下工程建設對地鐵結構設計的影響進行分析。在隧道開挖中，會造成地層一定程度的卸載，進而使地鐵結構的底板下端土層地基系數減小，即便設支護，土層仍會松動。通過減小地層剛度可模擬該種情況，再對地鐵結構內力進行計算。具體結果如下：

（1）軸力（圖1）：底板軸力變大2.4kN；中、頂板則分別減小1kN和1.4kN；而水平向軸力增減和則是0。中板上、下兩邊側墻軸力分別減小1.8kN、2.2 kN；而柱兩側軸力增大相應，兩部分的增減軸力為0。可知，在既定條件前提下，水平、豎直兩向軸力和與設計是保持一致的。簡言之，地鐵的結構構件軸力變化幅度應在1%以下。

（2）彎矩（圖2）：結構的頂板彎矩在A、D兩點減小1.1%，而B、C兩點提升1.1%，跨中最大彎矩在中跨處減小1.7%，邊跨增大0.1%；結構中板彎矩在E、H兩點減小1.5%，在F、G兩點增大1.6%；跨中最大彎矩在中跨處減小2%，邊跨增大1.5%；底板最大彎矩在I、L、J、K均增大1.5%，中、邊跨跨中最大彎矩增大2.9%、3.2%；側墻彎矩則在下端明顯增大，而在上端有所減小。

從結果可以知道，地鐵結構的內力在分布上無顯著變化；頂、中板及側墻軸力有所減小，而底板、柱軸力變大；頂、中板及柱節點彎矩變大，其它部位減小；底板彎矩有一定的增大，側墻上側彎矩減小，下部變大。由此看出，在既有地鐵車站下方進行新隧道施工，柱、底板軸力增幅一般在1%以下，中、頂板在內側節點和相鄰處彎矩增幅在1.6%以下；底板彎矩增幅在3.2%以內；底板跨中彎矩增幅較大，而軸力變化較小。所以，在設計時必須考慮到結構底板內力可能發生變化，適當提升底板的抗變形力。

2.2 地面將建工程的影響

因地鐵站臺基本上建于城市相對繁華區域，站臺結構周邊可能有新建筑規劃和建設，這就會導致地層應力場出現變化[3-4]。

假設該車站結構左側6m處擬建一大型建筑物，基底埋深6m、寬20m。設基底應力是0.2MaP。根據地面建筑物基地應力對地下工程結構影響有這兩種狀況：一是地下工程結構處在地面建筑物基底應力影響之下；二是地下工程結構未在地面建筑物基底應力擴散范圍內，應力擴散不會產生影響。通過計算，在擬定條件下本地鐵站為前種情況。因地鐵站結構埋設的較淺，擴散角一般是45°，而地面建筑物對站臺側墻上產生附加豎、側兩向應力分別為σ1=q1Xb0/（b0+2b1）、λσ1。從結果看出，左側地層的新建筑物會產生較大影響，具體如下：

（1）軸力：頂板水平向軸力呈自右減左增變化，具體為頂板軸力在左、右跨變大6.9%、13.9%，而于中跨處減小2.4%；中板軸力左邊增幅要比右邊大，左、右及中跨軸力分別增大18.7%、1.9%、10.3%；底板軸力左邊增幅大于右邊，左、右及中軸力分別變大13.6%、8.1%、10.8%。左側墻軸力豎直向增幅在1.6%以內，右側減幅在相同范圍內；左、右柱軸力增、減幅均在1%以內；豎向各處增減軸力和為0。

（2）彎矩：頂板彎矩呈右半部下降、左半部上移變化，頂板彎矩及左跨跨中最大彎矩在A點分別增大11%、減小9%，和中跨跨中最大彎矩在B點分別增大1.5%、1.3%，和右跨跨中最大彎矩在C點分別減小3.3%、增大9.5%，在D點減小10.1%，和左跨跨中最大彎矩在E點增大21%、減小31.6%，和中跨跨中最大彎矩在F點減小9.7%、增大3.2%，和右跨跨中最大彎矩在G點分別增大4.4%、22%，在H點增大5.4%；底板彎矩則表現為右半部下降、左半部上移的變化，底板彎矩和右跨跨中最大彎矩在I點分別增大9%、減小10.2%，和中跨跨中最大彎矩在J點處分別減小5.3%、增大1.1%，和右跨跨中最大彎矩在K點分別增大5%、減小10.2%，在L點增大9.1%；上、下側墻E端彎矩分別增大67%、39.6%，左側墻彎矩在中部增大明顯，右側墻彎矩表現為下增、上減變化，且在L點增大9.1%。

可以看出，在地面新投建建筑時，地鐵結構內力變化大而復雜。所以，在設計中，需在滿足地鐵結構基本受力前提下，適當增大各層板強度，尤其是頂、底板。

3 結語

總之，地鐵結構屬于受力復雜的超靜定結構，會受到地層環境變化的影響，因而需要根據地鐵工程規劃和建設實際情況具體探討，通過科學、嚴謹的計算，明確具體的變化，設計出安全、科學的地鐵結構。