地層環(huán)境變化對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響分析

薛康

中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 天津 300308

前言

城市環(huán)境復(fù)雜多變，地層環(huán)境的變化將影響淺層地鐵車站的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。通常在地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，只有結(jié)構(gòu)承載的各種外部荷載乘以相應(yīng)的部分系數(shù)才能得到荷載效應(yīng)的組合。雖然部分因素考慮到每一負(fù)荷的概率分布，但它并沒(méi)有考慮到周圍環(huán)境對(duì)未來(lái)地鐵車站的影響。

1 地層環(huán)境下地鐵結(jié)構(gòu)內(nèi)力情況

（1）在地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，首先考慮的是當(dāng)前地層環(huán)境下地鐵結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，然后考慮結(jié)構(gòu)下的結(jié)構(gòu)變化和靠近地面的新建筑。以地鐵車站的結(jié)構(gòu)為例，地鐵平臺(tái)是一個(gè)島式站臺(tái)，設(shè)計(jì)為雙層鋼結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。施工方法為開挖和跟蹤法。站的頂部覆蓋了3.2m的土層，不計(jì)算維護(hù)結(jié)構(gòu)。地下水位深埋8.8米。地鐵車站為地質(zhì)層合層、粉質(zhì)黏土層、細(xì)沙、沙礫和淤泥質(zhì)土。前三層是平臺(tái)的主要土層。

（2）荷載概況：地鐵車站的結(jié)構(gòu)荷載由兩個(gè)部分組成：永久、變量和意外荷載。結(jié)構(gòu)的計(jì)算荷載必須被選擇，以最大限度地承受結(jié)構(gòu)整體或構(gòu)件的應(yīng)力，而工作狀態(tài)是最不利的荷載組合。對(duì)于淺層地下鐵道結(jié)構(gòu)而言，最重要的是研究基本荷載和標(biāo)準(zhǔn)組合的組合（僅考慮永久和可變荷載）。

（3）為了確保安全的地鐵車站結(jié)構(gòu)在施工階段和服務(wù)階段，我們需要分析和比較負(fù)載條件下的施工階段和正常運(yùn)行階段，逆向選擇的負(fù)載條件和結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期影響作為主要分析對(duì)象。根據(jù)地鐵車站的實(shí)際情況，該工程的計(jì)算不考慮地面車輛荷載和意外荷載。這個(gè)項(xiàng)目是基于極限狀態(tài)的可靠性理論計(jì)算的。采用極限狀態(tài)檢測(cè)的荷載組合，并采用標(biāo)準(zhǔn)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的裂縫寬度進(jìn)行檢測(cè)[1]。

2 地層環(huán)境變化對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響分析

2.1 地下將建工程的影響

地下工程施工過(guò)程是外圍邊緣土卸荷，其周圍土體應(yīng)力場(chǎng)的平衡狀態(tài)再次斷裂，施工的分配過(guò)程。在土方開挖過(guò)程中，可能會(huì)引起地層環(huán)境的變化，如：土壤應(yīng)力狀態(tài)、巖石爆破震動(dòng)、巖石形狀變化等。

假定地鐵結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)板應(yīng)用于彈性地基梁，采用克爾地基模型對(duì)其進(jìn)行分析。根據(jù)假設(shè)，地基應(yīng)力與沉降之間的關(guān)系，地基對(duì)梁的反作用力為：

式中，ω作為此點(diǎn)繞度；k作為彈性地基的系數(shù)；單位是kN/m3，就是地基沉陷一單位深度所需施加的應(yīng)力。

了解地鐵的地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新建設(shè)的影響，假設(shè)地鐵結(jié)構(gòu)地板下方約4米處需要新修建一隧道，工程開挖半徑為7米，與地鐵站正向相交，根據(jù)地下工程建設(shè)情況，分析了地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響。在隧道開挖中，會(huì)引起地層的卸荷，從而降低地鐵結(jié)構(gòu)底部地基的地基系數(shù)，甚至受到支撐時(shí)土層也會(huì)松動(dòng)。結(jié)果如下：

軸力：底板軸向力增大2.4kN，中、頂板分別減小1kN和1.4kN，水平軸力增大，減小為0。中板上、下側(cè)的軸向力減小1.8kN和2.2 kN，柱兩側(cè)的軸向力相應(yīng)增大，兩部分軸向力的增加和減小為0。因此，在既定條件的前提下，水平和垂直方向的雙向軸向力與設(shè)計(jì)是一致的。也就是說(shuō)，地鐵結(jié)構(gòu)成員的軸向力的幅值需要小于1%。

彎矩：結(jié)構(gòu)頂板彎距離在A、D兩點(diǎn)見效1.1%，B、C增加了1.1%，跨度最大彎矩降低了1.7%，側(cè)跨結(jié)構(gòu)增加了0.1%；E的平板力矩在E、H兩點(diǎn)下降了1.5%，F(xiàn), G增加了1.6%；側(cè)跨中跨度最大彎矩降低2%，增加1.5%；最大彎矩增加1.5%，在側(cè)跨中，最大彎矩增加了2.9%和3.2%；下端彎矩的側(cè)壁明顯增大，但上部減小。

從結(jié)果表明，地鐵結(jié)構(gòu)內(nèi)力在分布上沒(méi)有明顯變化；頂部、側(cè)壁板和軸向力減小，底板、柱軸力變大；頂板和柱，瞬間變大，其他部位減少；板材彎矩在一定程度上增加，減小側(cè)壁彎矩。下半部分。這表明在新隧道施工的現(xiàn)有地鐵站內(nèi)，底部柱，軸向力的上升通常低于1%，在核心節(jié)點(diǎn)和相鄰的頂部，在瞬間增加了1.6%；增長(zhǎng)板塊在3.2%以內(nèi)；底部交叉彎矩和軸向力變化幅度較大，較小。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到地板結(jié)構(gòu)內(nèi)力可能發(fā)生變化，適當(dāng)提高地板的變形抗力。

2.2 地面將建工程的影響

由于地鐵站臺(tái)基本上是在城市相對(duì)繁華的區(qū)域內(nèi)建起來(lái)的，所以可能會(huì)有新的建筑規(guī)劃和建筑圍繞平臺(tái)的結(jié)構(gòu)，這將導(dǎo)致地層應(yīng)力場(chǎng)的變化。

假設(shè)在車站結(jié)構(gòu)的左側(cè)6m處建造了一個(gè)大的建筑物，深度為6m，寬20m?；緫?yīng)力是0.2MaP。根據(jù)建筑物地基對(duì)地下工程結(jié)構(gòu)的地應(yīng)力作用，對(duì)地下工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，其中一個(gè)是地下工程結(jié)構(gòu)對(duì)地下建筑的影響;二是地下工程結(jié)構(gòu)無(wú)應(yīng)力的地面基礎(chǔ)擴(kuò)散范圍，應(yīng)力擴(kuò)散不會(huì)影響。通過(guò)計(jì)算，地鐵車站是在擬訂條件下的前一種情況。由于地鐵車站的淺埋結(jié)構(gòu)，擴(kuò)散角一般為45度。從結(jié)果來(lái)看，左邊的新建筑會(huì)產(chǎn)生很大的影響：

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%。

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(diǎn)分別增大11%、減小9%，和中跨跨中最大彎矩在B點(diǎn)分別增大1.5%、1.3%，和右跨跨中最大彎矩在C點(diǎn)分別減小3.3%、增大9.5%，在D點(diǎn)減小10.1%，和左跨跨中最大彎矩在E點(diǎn)增大21%、減小31.6%，和中跨跨中最大彎矩在F點(diǎn)減小9.7%、增大3.2%，和右跨跨中最大彎矩在K點(diǎn)分別增大5%、減小10.2%，在L點(diǎn)增大9.1%；上、下側(cè)墻E端彎矩分別增大67%、39.6%，左側(cè)墻彎矩在中部增大明顯，右側(cè)墻彎矩表現(xiàn)為下增、上減變化，且在L點(diǎn)增大9.1%。

可以看出，地鐵結(jié)構(gòu)的內(nèi)力在新建筑中發(fā)生了很大的變化。因此，在設(shè)計(jì)中，在地鐵結(jié)構(gòu)的基本受力前提下，有必要適當(dāng)增加各種層壓板的強(qiáng)度，尤其是頂部和底板。

3 結(jié)束語(yǔ)

總之，地鐵結(jié)構(gòu)屬于超靜定結(jié)構(gòu)的復(fù)雜力，將受到環(huán)境變化的影響，并根據(jù)地鐵工程規(guī)劃和混凝土施工的實(shí)際情況，通過(guò)科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)、明確、具體的變化，設(shè)計(jì)出安全、科學(xué)的地鐵結(jié)構(gòu)。

[1] 楊杰.地層環(huán)境變化對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響分析[J].海峽科技與產(chǎn)業(yè),2016,(11):117-118.