地層環(huán)境變化對地鐵結構設計的影響解析

朱光亞

摘要：地層環(huán)境的變化會引起地鐵結構內(nèi)力發(fā)生變化，進而會對地鐵結構產(chǎn)生影響，應加以重視。同時，城市環(huán)境極為多變、復雜，因此地支環(huán)境變化對于淺埋地鐵車站結構受力會產(chǎn)生一定的影響。因為，在設計地鐵的結構時，需要將結構所承受中的各種外部荷載乘相應分期系數(shù)，以此得到荷載效應的組合。文章主要分析了地下結構開挖、新建地面建筑引起的地層環(huán)境變化從而分析其對地鐵結構內(nèi)力的影響，同時給出了這兩種條件下，其地鐵結構的受力特點。

關鍵字：地層環(huán)境；地鐵結構；內(nèi)力； 設計；受力一、研究背景

中圖分類號： U231 文獻標識碼：A 文章編號1672-3791（2016）01（b）-0000-00

經(jīng)驗表明，如果在地鐵結果設計時忽視未來地層環(huán)境的變化極有可能導致工程失誤，進而引起更為嚴重的質(zhì)量事故和安全事故。可見，評價環(huán)境制約因素對地鐵工程的選址、規(guī)劃和結構設計具有重要作用。通常情況下，在地鐵結構設計時，應先將結構所承載的外力與分項系數(shù)相乘，再通過荷載組合計算結構，其中分項系數(shù)的確定應以荷載及其效應組合的概率分布為依據(jù)。顯然，地鐵結構設計時并將來地層環(huán)境可能發(fā)生的變化考慮進來，進而使地鐵結構承受更大的安全風險。

文章選取雙層三跨矩形框架地鐵車站結構作為分析對象，車站頂板覆土3.2m，采用明挖順作法施工，計算中僅考慮車站結構自身承載力。土層從上到下依次為：人工填土層、粉粘土層、細砂層、圓礫層和粉土層，站址地下水位埋深約8.8m。選取車站標準橫斷面進行分析計算分析其正常使用狀態(tài)的，其中永久荷載包括結構自重（重度為25kN/m3）和地層壓力；可變荷載包括樓板人群荷載（荷載為4kPa）、地面車輛荷載和由其產(chǎn)生的側向土壓力（20kPa）。根據(jù)上述結果，便可解得工程荷載組合的內(nèi)力情況。根據(jù)上述案例，下文分別解析未來地下開挖、地面建筑對案例地鐵結構內(nèi)力的影響。

1新建地下工程的影響

土體開挖會引起土體應力釋放、爆破振動和地層損失、土層臨空面的形狀和位置改變、地下水位改變和聚集地表水等。

地鐵底板結構選用E ?Winkler彈性地基梁假定， ，其中， —地基系數(shù)，kN/m3； —撓度。假設地鐵結構底板下方4m處需新建一條隧道，其開挖半徑為7m，正交于車站走向，據(jù)此分析地下工程開挖如何影響當前地鐵結構的設計。隧道開挖時，引起地層卸載，使得結構底板下方土層的地基系數(shù)下降，即使在支護結構的作用下，土層同樣會松動或下沉。通過降低地層剛度的方法來模擬地層的松動變形，然后再重新計算結構的內(nèi)力。根據(jù)結構內(nèi)力計算結果可知，結構內(nèi)力的分布并未發(fā)生明顯的變化；頂（中）板、側墻軸力減小，底板、柱軸力增大；頂（中）板、柱節(jié)點彎矩增大，其余部位彎矩減??；底板彎矩明顯增大，側墻上部彎矩減小但下部彎矩增大，具體分析結果如下：

軸力：底板軸力增大2.4kN；頂板、中板分別減少1.4kN、1kN，水平方向軸力增減的總和為0。中板上下兩側側墻軸力分別減少1.8kN、2.2kN；柱的軸力分別增加1.8kN、2.2kN，其中兩個部分增加與減少的軸力之和為0。可見，在擬定的環(huán)境條件下，水平方向與豎直方向軸力的總和與原結構相同?？傮w而言，地鐵結構構件的軸力變化幅值通常不大于1%，

彎矩：頂板彎矩在A/D節(jié)點處減少1.1%，在B/C節(jié)點處增加1.1%，跨中的最大彎矩在中跨減少1.7%、在邊跨增加0.1%；中板彎矩在E/H節(jié)點處減少1.5%，在F/G處增加1.6%，跨中的最大彎矩在中跨減少2%、在邊跨增加1.5%；底板的最大彎矩在I/L節(jié)點處增加1.5%，在J/K節(jié)點處增加1.5%，中跨與邊跨跨中的最大彎矩分別增加2.9%、3.2%；側墻的彎矩在下端增大、上端減小。

綜上，在既有地鐵車站下方開挖隧道時，柱與底板的軸力增幅不大于1%、中板與頂板在內(nèi)側節(jié)點處及相鄰部位的彎矩增幅小于1.6%、底板彎矩增幅小于3.2%；底板跨中的彎矩增幅偏大；軸力的變化幅值相對較小。因此，在地鐵結構設計時，應在考察底板內(nèi)力變化的基礎上，增加底板的抗彎剛度。

2新建地面建筑的影響

研究發(fā)現(xiàn)，當在地鐵結構周圍進行建筑工程施工時，地層的應力場會被改變，同時建筑的基底應力會沿地層傳遞，并最終影響到地鐵結構的穩(wěn)定。

假設在地鐵結構左側約5m的位置需要修建一座大型建筑工程，其基底寬20m、埋深6m。令建筑工程的基底應力取0.2MPa，則其對地鐵結構的影響主要存在以下兩種情況：地鐵結構處在建筑基底應力的擴散區(qū)內(nèi)，并受其影響；地鐵結構處在建筑基底應力的擴散區(qū)外，未受其影響，而本案選取的是第一種情況。案例地鐵結構的埋深較淺，則擴散角度取45°，而擬建工程在地鐵側墻上產(chǎn)生的附加豎向應力為 、側向應力為 。根據(jù)計算結果可知，左側新建地面建筑時結構值的變化較為復雜，具體分析如下：

軸力：頂板軸力在水平方向上的變化呈右減左增的走勢，其中頂板軸力分別在左跨增加6.9%、右跨減少13.9%、中跨減少2.4%；中板軸力在左邊的增幅比右邊大，其中左跨、右跨、中跨的軸力分別增加18.7%、1.9%、10.3%；底板軸力在左邊的增幅比右邊大，其中左跨、右跨、中跨的軸力分別增加13.6%、8.1%、10.8%；水平軸力增減的總和與地下水位上升所致的外力增加值相等。左側墻軸力在豎直方向上的增幅不大于1.6%，右側墻軸力的降幅不大于1.6%，左柱軸力的降幅和右柱軸力的增幅均不大于1%；豎向各個部分增加與減少的軸力之和為0。

彎矩：頂板的彎矩曲線呈右半部下沉、左半部上移的走勢，其中頂板彎矩與左跨跨中的最大彎矩在A節(jié)點處分別增加11%、減少9%，與中跨跨中的最大彎矩在B節(jié)點處分別增加1.5%、1/3%，與右跨跨中的最大彎矩在C節(jié)點處分別減少3.3%、增加9.5%，在D節(jié)點處減少10.1%，與左跨跨中的最大彎矩在E節(jié)點處分別增加21%、減少31.6%，與中跨跨中的最大彎矩在F節(jié)點處分別減少9.7%、增加3.2%，與右跨跨中的最大彎矩在G節(jié)點處分別增加4.4%、增加22%，在H節(jié)點處增加5.4%；底板的彎矩曲線呈右半部下沉、左半部上移的走勢，其中底板彎矩與右跨跨中的最大彎矩在I節(jié)點處分別增加9%、減少10.2%，與中跨跨中的最大彎矩在J節(jié)點處分別減少5.3%、增加1.1%，與右跨跨中的最大彎矩在K節(jié)點處分別增加5%、減少10.2%，在L節(jié)點處增加9.1%；上、下側墻E端的彎矩分別增加67%、39.6%，左側墻彎矩在中部的增幅最大，右側墻的彎矩呈下增、上減的走勢，且右側墻彎矩在L節(jié)點處增加9.1%。

綜上，在地鐵車站側邊修建地面建筑物時，頂板的左跨、底板和中板的軸力均有所增加，其中底板與中板軸力在左、中跨的增幅均大于10%；右側墻軸力的增幅約為2%；右柱軸力的增幅不大于1%；頂板左端的彎矩和右跨跨中的最大彎矩均增加約10%；中板右跨跨中和左跨左端的彎矩均增加22%；底板左、右兩端的彎矩均增加約9%；左側墻彎矩的最大增幅為76%。因此，在地鐵結構側修建地面建筑工程時，內(nèi)力的變化幅度偏大。因此，在地鐵結構設計時，應在滿足結構基本受力條件下適當增加各層板的強度，尤其是頂、底板。

3結論

綜上，通過對不同地層環(huán)境下的結構內(nèi)力分析，結果表明，當?shù)貙迎h(huán)境發(fā)生變化時，結構內(nèi)力也會隨之發(fā)生改變，且不同結構構件的內(nèi)力變化不盡相同。不同地層環(huán)境，結構整體受力特點并無明顯變化，出現(xiàn)最大彎矩的位置也未發(fā)生明顯變化。然而，部分結構構件內(nèi)力變化幅度卻比較明顯，會對地鐵結構初始的構件承載能力產(chǎn)生明顯的影響。地層環(huán)境是在多種因素的綜合作用下發(fā)生改變的，因此地鐵結構受力較復雜，在分析地層環(huán)境變化對其產(chǎn)生的影響時，應具體問題具體分析，通過分析計算確定具體的變化特征。作者從地下工程開挖和新建地面建筑兩個方面出發(fā)，分析了其對地鐵結構設計的影響，研究表明，當?shù)罔F結構下方存在隧道開挖行為或在其一側興建建筑工程時，均應重新對地鐵結構受力重新進行評估。因此，在地鐵結構設計時，應將可能引起地層變化的因素考慮其中，以此來優(yōu)化設計，進而保障地鐵結構的安全。

參考文獻

[1] 張建銘.探討地層環(huán)境變化對地鐵結構設計的影響[J].城市建設理論研究（電子版），2014，（23）：2356-2357.

[2] 趙楓.地層環(huán)境變化對地鐵結構設計的影響分析[J].建筑工程技術與設計，2015，（4）：757-757.

[3] 張礦泉.地層環(huán)境變化對地鐵結構設計的影響分析[J].城市建設理論研究（電子版），2015，（25）：864-865.

[4] 何川，李訊，江英超等.黃土地層盾構隧道施工的掘進試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2013，（9）：1736-1743.

[5] 鄭甲佳.黃土地區(qū)淺埋暗挖地鐵區(qū)間隧道結構體系受力特征研究[D].長安大學，2011.

[6] 江英超，何川，方勇等.盾構施工對黃土地層的擾動及管片襯砌受荷特征[J].中南大學學報（自然科學版），2013，44（7）：2934-2941.

[7] 朱訓國，陳楓，徐孟林等.大連地鐵盾構開挖地層移動規(guī)律的模型試驗研究[J].巖土力學，2013，34（z1）：148-154.

[8] 郭俊.泥炭（質(zhì)）土地層盾構隧道結構力學行為研究[J].現(xiàn)代隧道技術，2013，50（2）：58-65.