地层环境变化对地铁结构设计的影响解析

朱光亚

摘要：地层环境的变化会引起地铁结构内力发生变化，进而会对地铁结构产生影响，应加以重视。同时，城市环境极为多变、复杂，因此地支环境变化对于浅埋地铁车站结构受力会产生一定的影响。因为，在设计地铁的结构时，需要将结构所承受中的各种外部荷载乘相应分期系数，以此得到荷载效应的组合。文章主要分析了地下结构开挖、新建地面建筑引起的地层环境变化从而分析其对地铁结构内力的影响，同时给出了这两种条件下，其地铁结构的受力特点。

关键字：地层环境；地铁结构；内力； 设计；受力一、研究背景

中图分类号： U231 文献标识码：A 文章编号1672-3791（2016）01（b）-0000-00

经验表明，如果在地铁结果设计时忽视未来地层环境的变化极有可能导致工程失误，进而引起更为严重的质量事故和安全事故。可见，评价环境制约因素对地铁工程的选址、规划和结构设计具有重要作用。通常情况下，在地铁结构设计时，应先将结构所承载的外力与分项系数相乘，再通过荷载组合计算结构，其中分项系数的确定应以荷载及其效应组合的概率分布为依据。显然，地铁结构设计时并将来地层环境可能发生的变化考虑进来，进而使地铁结构承受更大的安全风险。

文章选取双层三跨矩形框架地铁车站结构作为分析对象，车站顶板覆土3.2m，采用明挖顺作法施工，计算中仅考虑车站结构自身承载力。土层从上到下依次为：人工填土层、粉粘土层、细砂层、圆砾层和粉土层，站址地下水位埋深约8.8m。选取车站标准横断面进行分析计算分析其正常使用状态的，其中永久荷载包括结构自重（重度为25kN/m3）和地层压力；可变荷载包括楼板人群荷载（荷载为4kPa）、地面车辆荷载和由其产生的侧向土压力（20kPa）。根据上述结果，便可解得工程荷载组合的内力情况。根据上述案例，下文分别解析未来地下开挖、地面建筑对案例地铁结构内力的影响。

1新建地下工程的影响

土体开挖会引起土体应力释放、爆破振动和地层损失、土层临空面的形状和位置改变、地下水位改变和聚集地表水等。

地铁底板结构选用E ?Winkler弹性地基梁假定， ，其中， —地基系数，kN/m3； —挠度。假设地铁结构底板下方4m处需新建一条隧道，其开挖半径为7m，正交于车站走向，据此分析地下工程开挖如何影响当前地铁结构的设计。隧道开挖时，引起地层卸载，使得结构底板下方土层的地基系数下降，即使在支护结构的作用下，土层同样会松动或下沉。通过降低地层刚度的方法来模拟地层的松动变形，然后再重新计算结构的内力。根据结构内力计算结果可知，结构内力的分布并未发生明显的变化；顶（中）板、侧墙轴力减小，底板、柱轴力增大；顶（中）板、柱节点弯矩增大，其余部位弯矩减小；底板弯矩明显增大，侧墙上部弯矩减小但下部弯矩增大，具体分析结果如下：

轴力：底板轴力增大2.4kN；顶板、中板分别减少1.4kN、1kN，水平方向軸力增减的总和为0。中板上下两侧侧墙轴力分别减少1.8kN、2.2kN；柱的轴力分别增加1.8kN、2.2kN，其中两个部分增加与减少的轴力之和为0。可见，在拟定的环境条件下，水平方向与竖直方向轴力的总和与原结构相同。总体而言，地铁结构构件的轴力变化幅值通常不大于1%，

弯矩：顶板弯矩在A/D节点处减少1.1%，在B/C节点处增加1.1%，跨中的最大弯矩在中跨减少1.7%、在边跨增加0.1%；中板弯矩在E/H节点处减少1.5%，在F/G处增加1.6%，跨中的最大弯矩在中跨减少2%、在边跨增加1.5%；底板的最大弯矩在I/L节点处增加1.5%，在J/K节点处增加1.5%，中跨与边跨跨中的最大弯矩分别增加2.9%、3.2%；侧墙的弯矩在下端增大、上端减小。

综上，在既有地铁车站下方开挖隧道时，柱与底板的轴力增幅不大于1%、中板与顶板在内侧节点处及相邻部位的弯矩增幅小于1.6%、底板弯矩增幅小于3.2%；底板跨中的弯矩增幅偏大；轴力的变化幅值相对较小。因此，在地铁结构设计时，应在考察底板内力变化的基础上，增加底板的抗弯刚度。

2新建地面建筑的影响

研究发现，当在地铁结构周围进行建筑工程施工时，地层的应力场会被改变，同时建筑的基底应力会沿地层传递，并最终影响到地铁结构的稳定。

假设在地铁结构左侧约5m的位置需要修建一座大型建筑工程，其基底宽20m、埋深6m。令建筑工程的基底应力取0.2MPa，则其对地铁结构的影响主要存在以下两种情况：地铁结构处在建筑基底应力的扩散区内，并受其影响；地铁结构处在建筑基底应力的扩散区外，未受其影响，而本案选取的是第一种情况。案例地铁结构的埋深较浅，则扩散角度取45°，而拟建工程在地铁侧墙上产生的附加竖向应力为 、侧向应力为 。根据计算结果可知，左侧新建地面建筑时结构值的变化较为复杂，具体分析如下：

轴力：顶板轴力在水平方向上的变化呈右减左增的走势，其中顶板轴力分别在左跨增加6.9%、右跨减少13.9%、中跨减少2.4%；中板轴力在左边的增幅比右边大，其中左跨、右跨、中跨的轴力分别增加18.7%、1.9%、10.3%；底板轴力在左边的增幅比右边大，其中左跨、右跨、中跨的轴力分别增加13.6%、8.1%、10.8%；水平轴力增减的总和与地下水位上升所致的外力增加值相等。左侧墙轴力在竖直方向上的增幅不大于1.6%，右侧墙轴力的降幅不大于1.6%，左柱轴力的降幅和右柱轴力的增幅均不大于1%；竖向各个部分增加与减少的轴力之和为0。

弯矩：顶板的弯矩曲线呈右半部下沉、左半部上移的走势，其中顶板弯矩与左跨跨中的最大弯矩在A节点处分别增加11%、减少9%，与中跨跨中的最大弯矩在B节点处分别增加1.5%、1/3%，与右跨跨中的最大弯矩在C节点处分别减少3.3%、增加9.5%，在D节点处减少10.1%，与左跨跨中的最大弯矩在E节点处分别增加21%、减少31.6%，与中跨跨中的最大弯矩在F节点处分别减少9.7%、增加3.2%，与右跨跨中的最大弯矩在G节点处分别增加4.4%、增加22%，在H节点处增加5.4%；底板的弯矩曲线呈右半部下沉、左半部上移的走势，其中底板弯矩与右跨跨中的最大弯矩在I节点处分别增加9%、减少10.2%，与中跨跨中的最大弯矩在J节点处分别减少5.3%、增加1.1%，与右跨跨中的最大弯矩在K节点处分别增加5%、减少10.2%，在L节点处增加9.1%；上、下侧墙E端的弯矩分别增加67%、39.6%，左侧墙弯矩在中部的增幅最大，右侧墙的弯矩呈下增、上减的走势，且右侧墙弯矩在L节点处增加9.1%。

综上，在地铁车站侧边修建地面建筑物时，顶板的左跨、底板和中板的轴力均有所增加，其中底板与中板轴力在左、中跨的增幅均大于10%；右侧墙轴力的增幅约为2%；右柱轴力的增幅不大于1%；顶板左端的弯矩和右跨跨中的最大弯矩均增加约10%；中板右跨跨中和左跨左端的弯矩均增加22%；底板左、右两端的弯矩均增加约9%；左侧墙弯矩的最大增幅为76%。因此，在地铁结构侧修建地面建筑工程时，内力的变化幅度偏大。因此，在地铁结构设计时，应在满足结构基本受力条件下适当增加各层板的强度，尤其是顶、底板。

3结论

综上，通过对不同地层环境下的结构内力分析，结果表明，当地层环境发生变化时，结构内力也会随之发生改变，且不同结构构件的内力变化不尽相同。不同地层环境，结构整体受力特点并无明显变化，出现最大弯矩的位置也未发生明显变化。然而，部分结构构件内力变化幅度却比较明显，会对地铁结构初始的构件承载能力产生明显的影响。地层环境是在多种因素的综合作用下发生改变的，因此地铁结构受力较复杂，在分析地层环境变化对其产生的影响时，应具体问题具体分析，通过分析计算确定具体的变化特征。作者从地下工程开挖和新建地面建筑两个方面出发，分析了其对地铁结构设计的影响，研究表明，当地鐵结构下方存在隧道开挖行为或在其一侧兴建建筑工程时，均应重新对地铁结构受力重新进行评估。因此，在地铁结构设计时，应将可能引起地层变化的因素考虑其中，以此来优化设计，进而保障地铁结构的安全。

参考文献

[1] 张建铭.探讨地层环境变化对地铁结构设计的影响[J].城市建设理论研究（电子版），2014，（23）：2356-2357.

[2] 赵枫.地层环境变化对地铁结构设计的影响分析[J].建筑工程技术与设计，2015，（4）：757-757.

[3] 张矿泉.地层环境变化对地铁结构设计的影响分析[J].城市建设理论研究（电子版），2015，（25）：864-865.

[4] 何川，李讯，江英超等.黄土地层盾构隧道施工的掘进试验研究[J].岩石力学与工程学报，2013，（9）：1736-1743.

[5] 郑甲佳.黄土地区浅埋暗挖地铁区间隧道结构体系受力特征研究[D].长安大学，2011.

[6] 江英超，何川，方勇等.盾构施工对黄土地层的扰动及管片衬砌受荷特征[J].中南大学学报（自然科学版），2013，44（7）：2934-2941.

[7] 朱训国，陈枫，徐孟林等.大连地铁盾构开挖地层移动规律的模型试验研究[J].岩土力学，2013，34（z1）：148-154.

[8] 郭俊.泥炭（质）土地层盾构隧道结构力学行为研究[J].现代隧道技术，2013，50（2）：58-65.