淺埋地鐵車站結構內力影響因素分析

李珂

摘 要：本文以我國某一淺埋車站工程項目建設為例，對淺埋地鐵車站結構內力影響因素進行深入分析。這一工作開展是非常重要的，只有在深入了解地鐵車站結構內力影響因素的基礎上，才能保證淺埋地鐵車站結構設計、應用的安全性，加強淺埋地鐵車站建設施工質量控制。本文就是對相關內容進行深入分析，希望對相關人員有所啟示。

關鍵詞：淺埋；地鐵車站；結構內力；影響因素

引言

城市地鐵是城市交通運輸體系的命脈所在，與城市現代化建設發展有著非常緊密的聯系。很多地鐵車站項目因為埋深程度較小，屬于淺埋地鐵工程項目。設計人員在對此類工程項目結構進行設計時，通常都會采用分項系數設計方法，設計人員并沒有深入分析地層環境改變對結構內力可能造成的影響。對于復雜多變的城市環境，設計人員必須要對該問題進行深入反思，這樣才能避免對淺埋地鐵車站工程項目建設施工質量造成損害。對淺埋地鐵車站結構內力影響因素進行探究是具有重要意義的，下面就對相關內容進行詳細闡述。

1 淺埋地鐵車站工程項目建設概述

在淺埋地鐵車站工程項目建設中，地下水對結構設計人員造成了很多困擾，對結構應用安全有著較深影響。地下水位情況會對淺埋地鐵車站基礎施工方法有著直接影響，地下水位還會影響結構的應力情況，對結構設計人員抗浮計算造成很多負面影響。導致城市地下水位發生變化的影響因素有很多，筆者通過相關文獻明確了結構設計與地下水位之間的聯系，了解到了淺埋地鐵車站防水設計水位與計算地下水位過程中需要考慮的地下水、地表水最不利情況，以及其變化特性。地下水位回升過程中，會導致地層中水壓壓力增強，導致邊墻結構處于最不利的受力情況中，這一階段車站結構構件很有可能因為強度性能不足發生嚴重破損。淺埋地鐵車站設計人員必須要針對地下水位對淺埋地鐵車站結構的影響情況找尋有效措施進行改善。筆者通過文獻資料調查了解到，目前文獻資料研究中并沒有考慮到地下水位連續上升對淺埋地鐵車站額影響程度，同時對水位在結構頂板上變化對結構內力影響也沒有進行詳細闡述。所以地下水位在合理變化范圍內對淺埋地鐵車站的影響還需要進一步研究。結構設計人員需要注重淺埋地鐵車站下部結構承受的水壓力不僅會受到地下水位高度影響，同時也會受到水壓力折減因數的影響，結構設計人員只有綜合考慮才能保證淺埋地鐵車站結構設計的合理性、科學性。

對以往淺埋地鐵車站結構設計進行分析，很多車站結構都采用了直立式邊墻結構體系。直邊墻結構的抗側壓力性能較低，這也是該結構的劣勢所在。城鎮化建設腳步不斷加快，城市環境大規模的改動，城市淺層地層發生了較大程度的改變。科研工作人員研究了土層側向抗力、側向土壓力對隧道襯砌力學行為的影響，研究結果證明，土層側向抗力與側向土壓力對淺埋地鐵車站結構內力的影響很大，特別是對結構彎矩的影響，這一因素會導致淺埋地鐵車站工程造價產生較大浮動。應用直立邊墻結構體系建設的淺埋地鐵車站項目結構受力情況與圓環隧道結構受力情況進行比較，結構受力情況更加不樂觀。但是這些因素對淺埋地鐵車站結構受力的影響程度以及影響規律都是不明確的，還需要科研工作人員加強研究力度。從以上內容中可以了解到，地下水位、水壓力折減因數、土層側壓力等眾多因素都會對淺埋地鐵車站結構應力情況造成較深程度影響，并且這些因素的影響規律也不是很明確。本文以某一淺埋地鐵車站項目建設為例，對淺埋地鐵車站設計計算方法進行深入分析，并且研究了地下水位等眾多因素對淺埋地鐵車站結構內力的影響，從而保證淺埋地鐵車站結構設計的科學性、合理性，保證淺埋地鐵車站工程項目建設施工質量可以達到國家規定標準。

2 地鐵車站結構計算分析

2.1 淺埋地鐵車站結構的主要荷載分析

2.1.1 豎向荷載

淺埋隧道因為埋設深度較淺、覆蓋層厚度并不是很大，導致隧道會較深程度的受到地表因素的影響，所以淺埋隧道荷載計算會與深埋隧道荷載計算存在較大的差異性。隧道上部覆蓋的土層會形成一定的土壓力荷載，這些荷載也會施加到淺埋地鐵車站的結構上。若是上部覆蓋的土層厚度較薄，為了保證結構的安全性，可以選擇水稻上部覆蓋全部土柱重量作為垂直土壓力荷載。如果土層厚度超過了塌落拱高度但是沒有達到深埋隧道規定范圍內時，結構設計人員需要深入考慮周圍土體對松動土體的約束作用力，不然結構設計人員會導致壓力值計算過大情況產生。淺埋地鐵車站工程項目的埋深程度很淺，并且上部覆蓋土壤塑性區開展達到了地表，所以工程項目結構會較大程度的受到地面荷載的影響。地面荷載向下部區域進行傳遞時，荷載傳遞會受到土層阻力擴散作用的影響。如果地下工程上部覆蓋土層厚度較小時，為了提升地下結構應用的安全性，設計人員可以考慮將地面荷載直接引入到工程項目結構上。但是如果上層覆蓋厚度較大，但是并沒有達到深埋地下工程項目要求時，設計人員需要對松動土體的約束阻力進行深入分析，科學計算出淺埋地鐵車站工程項目地下結構受到的真實荷載，從而為結構設計工作開展提供重要依據。

2.1.2 側向荷載

淺埋地鐵車站工程項目側向荷載包含內容較多，其中包括了側向土壓力和土層彈性抗力。結構設計人員對側壓力因數K的選擇對淺埋地鐵車站結構設計有著重要影響。通常情況下地鐵車站基坑開挖施工與回筑階段，設計人員普遍會采用主動土壓力的方式，但是在使用階段結構設計人員則需要對計算方式進行轉變，采用靜止土壓力計算方式，對k值可能造成影響的因素包括了施工區域土層性質。支護結構的實際位移情況以及區域軟土的流動性等等。不同的土層靜止側壓力因素值是不同的，但是在工程項目實踐過程中發現，土壓力實際測量值與工作人員應用專業理論和以往豐富工作經驗計算出的數值存在很大的差異性，這一情況在軟土區域淺埋車站工程項目建設中更為明顯。側壓力因素并不是保持不變的，它會受外界因素影響而發生變化。地下建筑周圍進行開挖施工，或者新的建筑工程項目投入建設施工時會對施工區域原有的應力情況造成影響，最直接的體現就是土層側壓力因數發生較大程度改變。但是以往淺埋地鐵車站結構設計人員在設計過程中只是考慮到了某一固定側壓力因數和彈性抗力系數，并沒有深入分析側向荷載變化對工程地下結構應力產生的影響，從而導致計算失誤，損害了工程項目結構設計的科學性。

2.1.3 水壓力荷載

目前淺埋地鐵車站設計中，設計人員考慮的不夠全面化、嚴謹化，只是對某一固定水位作用力進行了深入分析，將地下水壓力看作是恒荷載。但是城市地下水位是不斷發生變化的，在外部因素的影響下，城市地下水位也會發生變化，從而改變地下水壓力的大小，水壓力折減因數對地下水壓力值也會造成較深影響。水壓力折減因素會受區域水文地質環境、土壤滲透條件等眾多因素影響而發生改變，水壓力荷載情況也會有所調整。設計人員如果只是將水壓力荷載看做是恒荷載是非常不科學的，計算過程中必須要考慮到水壓力荷載具有的變化特性。

2.2 計算模型

某一城市地鐵車站項目建設采用的是地下二層島式站臺，車站主體結構標準段結構確定為單柱雙跨矩形框架結構，橫向凈跨長度達到了十七點六米，主體結構施工匯總主要是應用了明挖順作的施工方法，主基坑土方開挖深度達到了十五米以上，維護結構采用的是人工挖孔灌注樁，樁體結構之間的間距確定為1.5米，設計中要求樁體結構可以嵌入風化基巖層四米。結構計算過程中為了保證計算的精準性和便捷性，降低人為因素導致計算誤差較大，設計人員應用了通用性較為良好的有限元計算軟件ANSYS，利用荷載結構模型進行計算。周圍結構與內襯墻結構設計人員會依據重合墻模式考慮，在兩者之間還需要進行防水隔離層的設置。工程項目實際施工階段，圍護結構會承擔水、土壓力。但是在工程項目實際應用階段，水壓力則是由內襯墻結構承擔的，土壓力則是會作用于內襯墻結構與圍護結構二者上。圍護結構與內襯墻結構二者之間存在著非常緊密聯系，由鏈桿進行模擬，二者之間只會進行壓力的傳遞，當存在拉應力時消除鏈桿。

2.3 主要計算參數

主要荷載：有結構自重、地層壓力、設備重量、人群荷載、地面車輛荷載及其沖擊力等。地層壓力：該車站的上覆土層只有2.5m，為安全計，按計算截面以上全部土柱重量作為垂直荷載，取覆土重度γ=20kN/m3。本文計算針對使用階段，結構承受的水平力按靜止土壓力計算，采用水土分算模式計算。地基反力：對于明挖車站地基反力的大小和分布規律，采用文克爾假定，根據所采用的計算簡圖在計算中以彈簧模擬地基反力，將車站底板按彈性地基板考慮。彈簧剛度Kc按地基垂直抗力系數K乘以彈簧等效作用面積A取值，即Kc=K·A設備荷載：設備區按8kN/m2計算，對個別超重設備考慮其運輸路徑對結構的影響。地面超載：地面超載按20kN/m2計算。地鐵車輛荷載：列車荷載取20kN/m2計算。站內人群荷載：站臺、站廳、樓梯、車站管理人員用房等部位的人群荷載按4kN/m2計。

2.4 計算結果及分析

頂板在正常應用過程中，彎矩、剪力在中支座位置可以達到最大值，底板板端處也可以達到最大值，站臺層側墻下部會存在較大程度的彎矩和剪力情況。考慮到以上內容面，淺埋地鐵車站結構設計人員在設計過程中必須要選擇合理的結構形式，這樣才能將不良影響控制在最小范圍內，較大程度的保障結構應用的安全性。中板最大彎矩程度較小，甚至達不到頂板最大彎矩的百分之二十，所以中板厚度設置較小符合工程項目建設的要求，不會對淺埋地鐵車站結構內力造成不良影響。圍護結構在第下二層范圍內會存在較大程度的彎矩和剪力，施工過程中施工現場管理人員需要加強施工現場檢測力度，對第下二層結構應力情況進行嚴格掌控，從而保證淺埋地鐵車站施工現場的安全性，避免結構發生坍塌對施工現場工作人員生命安全造成較大威脅。

3 結構受力影響因素分析

3.1 地下水位的影響

基坑開挖施工工作開展前，施工技術人員必須要對施工區域進行降水處理，從而降低地下水層的高度。這一目的不僅是為了保證基坑開挖施工工作可以順利開展，同時也是為了保證施工現場的安全性。地下建筑實際應用階段，地下水位會受眾多因素影響而發生改變，以往結構設計人員在設計中更多是考慮某一固定水位，并沒有意識到地下水位變化情況，所以設計人員需要深入考慮水位變化程度對工程項目結構受力的影響。

工程項目主體結構建設完成后，地下水位高度會逐漸的回升，工作人員需要分別選取地下水位深度在底板深度以下10.5m、7.45m、5m、2.5m、1.5m、0.5m時進行計算，對計算結果進行分析從而了解工程項目結構構件最大彎矩與地下水位深度之間的關系。經過實際分析了解到，如果地下數位深度達到了結構頂板位置，工程項目結構構件彎矩會存在一個相應的轉折點，這也代表著地下水位對結構彎矩有著較深程度的影響。如果地下水位深度超過了結構頂板水平高度，淺埋地鐵車站主體結構中出了中板結構之外，其它工程項目結構構件的最大彎矩都會發生改變、有所提升。地下水位高度改變對淺埋地鐵車站站廳側墻與頂板結構的彎矩影響是最為突出的，站臺側墻彎矩、底板結構受地下水位影響要比上述二者低一些。中板處于工程項目主體結構內部，所以地下水位對其的影響程度較小。如果工作人員忽略水壓作用的影響，只是考慮最高地下水位時，站廳側墻彎矩程度可以增加百分之五十以上，頂板、底板結構彎矩會增加百分之二十左右，但是中板結構彎矩程度會有所降低，下調幅度約為百分之三左右。淺埋地鐵車站結構設計人員在設計工作開展中，必須要慎重考慮地下水位對工程項目結構內力的影響。地下水位發生變化，工程項目主體結構構件的彎矩值也會產生較大程度變化。若是工程項目建設施工區域地下水位較淺，要深入研究水位變化情況對結構可能造成的影響，從而有針對性的對工程項目結構設計方案進行調整，保證結構設計方案的優質性、適用性。

3.2 地下水壓力折減因數的影響

目前，對作用在地下結構上的地下水壓力取值有較大的分歧：通過試驗研究認為地下水壓力應該取全部靜水頭而不能折減；也有一些學者認為地下水壓力要折減并且發展了多種地下水荷載計算方法。其中折減因數方法簡單方便，在實際設計計算中應用廣泛。目前關于深埋隧道外水壓力的研究較多見，對于淺埋地下工程特別是淺埋地鐵車站則較少。本文選取水壓力折減因數分別為0、0.2、0.4、0.6、0.8和1.0進行計算分析，研究了水壓力折減因數對淺埋地鐵車站結構彎矩的影響。隨著水壓力折減因數增加，中板最大彎矩減小；其它構件最大彎矩都隨之增加，并且呈線性關系。水壓力折減因數對站廳側墻影響較大，其次為底板和站臺側墻，而對頂板和中板影響較小。當水壓力折減因數為0，即不考慮水壓作用時，相對水壓力折減因數為1.0（水壓不折減），站廳側墻最大彎矩減小約20.7%，而中板最大彎矩增加約2.9%。

3.3 側壓力因數的影響

基坑在施工過程中，側壓力因數會受時空效應影響而發生變化。在使用過程中，側壓力因數也會因為受力改變、變形發展、地下水等因素的影響發生變化，因此應該了解周圍土的側壓力因數變化對主體結構的影響。本文選取側壓力因數分別為0.3、0.5和0.7進行計算。由于地面超載等因素影響，淺層土的側壓力因數可能出現大于1.0的現象。因此，本文計算的淺埋地鐵車站也考慮側壓力因數為1.0和1.2時的情況。土體側壓力因數增大，站臺側墻、站廳側墻和底板的彎矩隨之增大；而頂板、中板彎矩隨之有小幅減小，并且呈線性關系。側壓力因數增加對站廳側墻彎矩影響較大，而對頂板和中板影響最小；側壓力因數從0.3增加至1.2，站廳側墻彎矩增加約23%，頂板和中板彎矩減小5%左右。于施工擾動等因素，實際側壓力因數可能與地質報告提出的值相異，并且容易發生變化，因此要正確考慮側壓力因數變化對結構的影響。

結束語

淺埋地鐵車站埋深較小，受外界影響因素較大。而城市環境的復雜多變，也影響著淺埋地鐵車站結構的受力。本文以某地鐵車站為計算實例，分析了淺埋地鐵車站結構荷載取值、結構計算等問題，并利用有限元計算程序，分析了地下水、側壓力因數等因素對結構受力的影響。結果表明頂、底板在板端和中支座處有較大的彎矩和剪力，要合理設計，采用合適的結構構造。中板承受彎矩較小，可以采用較小的厚度。當地下水位在結構頂板以上時，對結構有較大影響。水壓力折減因數和側壓力因數對結構彎矩的影響呈線性關系，并且對不同的構件有不同的影響。，并且彈性抗力系數對結構彎矩的影響呈非線性，隨彈性抗力系數增大，站廳側墻彎矩增加較大，而其它構件有小幅減小，增大值和減小值隨抗力系數的增大而減小。

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