地層環(huán)境變化對地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響分析

楊杰

摘 要：隨著我國社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，及城市現(xiàn)代化建設(shè)的推進，地鐵工程建設(shè)規(guī)模不大。但基于城市環(huán)境的復(fù)雜性，為確保地鐵工程質(zhì)量，在地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計中必須考慮到地層環(huán)境變化帶來的影響。本文基于地層環(huán)境下地鐵結(jié)構(gòu)內(nèi)力情況，系統(tǒng)剖析地層環(huán)境變化對地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響。

關(guān)鍵詞：地層環(huán)境；地鐵工程；結(jié)構(gòu)設(shè)計

1 地層環(huán)境下地鐵結(jié)構(gòu)內(nèi)力情況

在地鐵結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，首要考慮的就是現(xiàn)階段地層環(huán)境下地鐵結(jié)構(gòu)的內(nèi)力情況，再考慮結(jié)構(gòu)下方將建工程、地面周邊新興建筑等變化[1]。以某地鐵站的結(jié)構(gòu)為例，該地鐵站臺為島式站臺，設(shè)計成雙層三跨鋼混框架結(jié)構(gòu)，施工方法為明挖順作法，車站的頂部覆蓋3.2m土層，不計算維護架構(gòu)；地下水位深埋8.8m。地鐵站地質(zhì)分層為：填土層、粉粘土層、細沙層、圓礫層及粉土層。前三層為站臺主體土層。

選定1延m車站結(jié)構(gòu)，依照運行期間的的荷載組合來進行結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算，具體包括：（1）永久荷載，主要是結(jié)構(gòu)自重及地層壓力；（2）可變荷載，包括樓板人群荷載，地面車輛荷載及引起的側(cè)向土壓力，對地震、人防兩個荷載可不考慮。在設(shè)計中，應(yīng)選擇作為不利荷載組合，如此才可保證站臺結(jié)構(gòu)處在最大應(yīng)力下而不會受到破壞，且可保證地鐵工程施工和運行的安全。

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

2.1 地下將建工程的影響

地下工程的施工就是周邊邊土層持續(xù)卸載的一個過程，也就是周邊土層地應(yīng)力場的平衡狀態(tài)被打破再重新構(gòu)建和分布的過程。在土層開挖中可能會導(dǎo)致地層環(huán)境出現(xiàn)變化，比如：土層應(yīng)力狀態(tài)改變、巖層爆破振動、巖層形狀變化等。

假設(shè)地鐵結(jié)構(gòu)底板應(yīng)用彈性地基梁，采用文克爾地基模型進行分析[2]。對其地基應(yīng)力和沉降間的關(guān)系，依照假設(shè)，地基提供給梁的反力為：

P（x）=-kω

式中，ω是該點繞度；k是彈性地基的系數(shù)；單位為kN/m3，即地基沉陷一單位深度所要施加的應(yīng)力。

為了解地下新建工程對地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響，可假設(shè)地鐵結(jié)構(gòu)底板下方約4m處需新修建一隧道，該工程的開挖半徑定為7m，和地鐵車站正向相交，根據(jù)這些情況對地下工程建設(shè)對地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響進行分析。在隧道開挖中，會造成地層一定程度的卸載，進而使地鐵結(jié)構(gòu)的底板下端土層地基系數(shù)減小，即便設(shè)支護，土層仍會松動。通過減小地層剛度可模擬該種情況，再對地鐵結(jié)構(gòu)內(nèi)力進行計算。具體結(jié)果如下：

（1）軸力（圖1）：底板軸力變大2.4kN；中、頂板則分別減小1kN和1.4kN；而水平向軸力增減和則是0。中板上、下兩邊側(cè)墻軸力分別減小1.8kN、2.2 kN；而柱兩側(cè)軸力增大相應(yīng)，兩部分的增減軸力為0?？芍?，在既定條件前提下，水平、豎直兩向軸力和與設(shè)計是保持一致的。簡言之，地鐵的結(jié)構(gòu)構(gòu)件軸力變化幅度應(yīng)在1%以下。

（2）彎矩（圖2）：結(jié)構(gòu)的頂板彎矩在A、D兩點減小1.1%，而B、C兩點提升1.1%，跨中最大彎矩在中跨處減小1.7%，邊跨增大0.1%；結(jié)構(gòu)中板彎矩在E、H兩點減小1.5%，在F、G兩點增大1.6%；跨中最大彎矩在中跨處減小2%，邊跨增大1.5%；底板最大彎矩在I、L、J、K均增大1.5%，中、邊跨跨中最大彎矩增大2.9%、3.2%；側(cè)墻彎矩則在下端明顯增大，而在上端有所減小。

從結(jié)果可以知道，地鐵結(jié)構(gòu)的內(nèi)力在分布上無顯著變化；頂、中板及側(cè)墻軸力有所減小，而底板、柱軸力變大；頂、中板及柱節(jié)點彎矩變大，其它部位減?。坏装鍙澗赜幸欢ǖ脑龃?，側(cè)墻上側(cè)彎矩減小，下部變大。由此看出，在既有地鐵車站下方進行新隧道施工，柱、底板軸力增幅一般在1%以下，中、頂板在內(nèi)側(cè)節(jié)點和相鄰處彎矩增幅在1.6%以下；底板彎矩增幅在3.2%以內(nèi)；底板跨中彎矩增幅較大，而軸力變化較小。所以，在設(shè)計時必須考慮到結(jié)構(gòu)底板內(nèi)力可能發(fā)生變化，適當提升底板的抗變形力。

2.2 地面將建工程的影響

因地鐵站臺基本上建于城市相對繁華區(qū)域，站臺結(jié)構(gòu)周邊可能有新建筑規(guī)劃和建設(shè)，這就會導(dǎo)致地層應(yīng)力場出現(xiàn)變化[3-4]。

假設(shè)該車站結(jié)構(gòu)左側(cè)6m處擬建一大型建筑物，基底埋深6m、寬20m。設(shè)基底應(yīng)力是0.2MaP。根據(jù)地面建筑物基地應(yīng)力對地下工程結(jié)構(gòu)影響有這兩種狀況：一是地下工程結(jié)構(gòu)處在地面建筑物基底應(yīng)力影響之下；二是地下工程結(jié)構(gòu)未在地面建筑物基底應(yīng)力擴散范圍內(nèi)，應(yīng)力擴散不會產(chǎn)生影響。通過計算，在擬定條件下本地鐵站為前種情況。因地鐵站結(jié)構(gòu)埋設(shè)的較淺，擴散角一般是45°，而地面建筑物對站臺側(cè)墻上產(chǎn)生附加豎、側(cè)兩向應(yīng)力分別為σ1=q1Xb0/（b0+2b1）、λσ1。從結(jié)果看出，左側(cè)地層的新建筑物會產(chǎn)生較大影響，具體如下：

（1）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%。左側(cè)墻軸力豎直向增幅在1.6%以內(nèi)，右側(cè)減幅在相同范圍內(nèi)；左、右柱軸力增、減幅均在1%以內(nèi)；豎向各處增減軸力和為0。

（2）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點分別增大11%、減小9%，和中跨跨中最大彎矩在B點分別增大1.5%、1.3%，和右跨跨中最大彎矩在C點分別減小3.3%、增大9.5%，在D點減小10.1%，和左跨跨中最大彎矩在E點增大21%、減小31.6%，和中跨跨中最大彎矩在F點減小9.7%、增大3.2%，和右跨跨中最大彎矩在G點分別增大4.4%、22%，在H點增大5.4%；底板彎矩則表現(xiàn)為右半部下降、左半部上移的變化，底板彎矩和右跨跨中最大彎矩在I點分別增大9%、減小10.2%，和中跨跨中最大彎矩在J點處分別減小5.3%、增大1.1%，和右跨跨中最大彎矩在K點分別增大5%、減小10.2%，在L點增大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點增大9.1%。

可以看出，在地面新投建建筑時，地鐵結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化大而復(fù)雜。所以，在設(shè)計中，需在滿足地鐵結(jié)構(gòu)基本受力前提下，適當增大各層板強度，尤其是頂、底板。

3 結(jié)語

總之，地鐵結(jié)構(gòu)屬于受力復(fù)雜的超靜定結(jié)構(gòu)，會受到地層環(huán)境變化的影響，因而需要根據(jù)地鐵工程規(guī)劃和建設(shè)實際情況具體探討，通過科學(xué)、嚴謹?shù)挠嬎?，明確具體的變化，設(shè)計出安全、科學(xué)的地鐵結(jié)構(gòu)。