地层环境变化对地铁结构设计的影响分析

薛康

中铁第六勘察设计院集团有限公司 天津 300308

前言

城市环境复杂多变，地层环境的变化将影响浅层地铁车站的结构应力。通常在地铁结构设计中，只有结构承载的各种外部荷载乘以相应的部分系数才能得到荷载效应的组合。虽然部分因素考虑到每一负荷的概率分布，但它并没有考虑到周围环境对未来地铁车站的影响。

1 地层环境下地铁结构内力情况

（1）在地铁结构设计中，首先考虑的是当前地层环境下地铁结构的内力，然后考虑结构下的结构变化和靠近地面的新建筑。以地铁车站的结构为例，地铁平台是一个岛式站台，设计为双层钢结构钢筋混凝土框架结构。施工方法为开挖和跟踪法。站的顶部覆盖了3.2m的土层，不计算维护结构。地下水位深埋8.8米。地铁车站为地质层合层、粉质黏土层、细沙、沙砾和淤泥质土。前三层是平台的主要土层。

（2）荷载概况：地铁车站的结构荷载由两个部分组成：永久、变量和意外荷载。结构的计算荷载必须被选择，以最大限度地承受结构整体或构件的应力，而工作状态是最不利的荷载组合。对于浅层地下铁道结构而言，最重要的是研究基本荷载和标准组合的组合（仅考虑永久和可变荷载）。

（3）为了确保安全的地铁车站结构在施工阶段和服务阶段，我们需要分析和比较负载条件下的施工阶段和正常运行阶段，逆向选择的负载条件和结构的长期影响作为主要分析对象。根据地铁车站的实际情况，该工程的计算不考虑地面车辆荷载和意外荷载。这个项目是基于极限状态的可靠性理论计算的。采用极限状态检测的荷载组合，并采用标准荷载对结构构件的裂缝宽度进行检测[1]。

2 地层环境变化对地铁结构设计的影响分析

2.1 地下将建工程的影响

地下工程施工过程是外围边缘土卸荷，其周围土体应力场的平衡状态再次断裂，施工的分配过程。在土方开挖过程中，可能会引起地层环境的变化，如：土壤应力状态、岩石爆破震动、岩石形状变化等。

假定地铁结构的基础板应用于弹性地基梁，采用克尔地基模型对其进行分析。根据假设，地基应力与沉降之间的关系，地基对梁的反作用力为：

式中，ω作为此点绕度；k作为弹性地基的系数；单位是kN/m3，就是地基沉陷一单位深度所需施加的应力。

了解地铁的地下结构设计新建设的影响，假设地铁结构地板下方约4米处需要新修建一隧道，工程开挖半径为7米，与地铁站正向相交，根据地下工程建设情况，分析了地铁结构设计的影响。在隧道开挖中，会引起地层的卸荷，从而降低地铁结构底部地基的地基系数，甚至受到支撑时土层也会松动。结果如下：

轴力：底板轴向力增大2.4kN，中、顶板分别减小1kN和1.4kN，水平轴力增大，减小为0。中板上、下侧的轴向力减小1.8kN和2.2 kN，柱两侧的轴向力相应增大，两部分轴向力的增加和减小为0。因此，在既定条件的前提下，水平和垂直方向的双向轴向力与设计是一致的。也就是说，地铁结构成员的轴向力的幅值需要小于1%。

弯矩：结构顶板弯距离在A、D两点见效1.1%，B、C增加了1.1%，跨度最大弯矩降低了1.7%，侧跨结构增加了0.1%；E的平板力矩在E、H两点下降了1.5%，F, G增加了1.6%；侧跨中跨度最大弯矩降低2%，增加1.5%；最大弯矩增加1.5%，在侧跨中，最大弯矩增加了2.9%和3.2%；下端弯矩的侧壁明显增大，但上部减小。

从结果表明，地铁结构内力在分布上没有明显变化；顶部、侧壁板和轴向力减小，底板、柱轴力变大；顶板和柱，瞬间变大，其他部位减少；板材弯矩在一定程度上增加，减小侧壁弯矩。下半部分。这表明在新隧道施工的现有地铁站内，底部柱，轴向力的上升通常低于1%，在核心节点和相邻的顶部，在瞬间增加了1.6%；增长板块在3.2%以内；底部交叉弯矩和轴向力变化幅度较大，较小。因此，在设计时必须考虑到地板结构内力可能发生变化，适当提高地板的变形抗力。

2.2 地面将建工程的影响

由于地铁站台基本上是在城市相对繁华的区域内建起来的，所以可能会有新的建筑规划和建筑围绕平台的结构，这将导致地层应力场的变化。

假设在车站结构的左侧6m处建造了一个大的建筑物，深度为6m，宽20m。基本应力是0.2MaP。根据建筑物地基对地下工程结构的地应力作用，对地下工程结构进行了研究，其中一个是地下工程结构对地下建筑的影响;二是地下工程结构无应力的地面基础扩散范围，应力扩散不会影响。通过计算，地铁车站是在拟订条件下的前一种情况。由于地铁车站的浅埋结构，扩散角一般为45度。从结果来看，左边的新建筑会产生很大的影响：

轴力：顶板水平向轴力呈自右减左增变化，具体为顶板轴力在左、右跨变大6.9%、13.9%，而于中跨处减小2.4%；中板轴力左边增幅要比右边大，左、右及中跨轴力分别增大18.7%、1.9%、10.3%；底板轴力左边增幅大于右边，左、右及中轴力分别变大13.6%、8.1%、10.8%。

弯矩：顶板弯矩呈右半部下降、左半部上移变化，顶板弯矩及左跨跨中最大弯矩在A点分别增大11%、减小9%，和中跨跨中最大弯矩在B点分别增大1.5%、1.3%，和右跨跨中最大弯矩在C点分别减小3.3%、增大9.5%，在D点减小10.1%，和左跨跨中最大弯矩在E点增大21%、减小31.6%，和中跨跨中最大弯矩在F点减小9.7%、增大3.2%，和右跨跨中最大弯矩在K点分别增大5%、减小10.2%，在L点增大9.1%；上、下侧墙E端弯矩分别增大67%、39.6%，左侧墙弯矩在中部增大明显，右侧墙弯矩表现为下增、上减变化，且在L点增大9.1%。

可以看出，地铁结构的内力在新建筑中发生了很大的变化。因此，在设计中，在地铁结构的基本受力前提下，有必要适当增加各种层压板的强度，尤其是顶部和底板。

3 结束语

总之，地铁结构属于超静定结构的复杂力，将受到环境变化的影响，并根据地铁工程规划和混凝土施工的实际情况，通过科学、严谨、明确、具体的变化，设计出安全、科学的地铁结构。

[1] 杨杰.地层环境变化对地铁结构设计的影响分析[J].海峡科技与产业,2016,(11):117-118.