中铁第六勘察设计院集团有限公司隧道设计分公司，天津 300131）
摘要：地铁框架内力在地层环境发生变化情况下同样也会发生改变，从而会直接影响到地铁构造，管理部门应对此现象提高重视。同时，城市环境非常复杂、变化多端，因此一旦地质环境出现变化就是影响到浅埋于地下的地铁车站结构受力情况。如果设计地铁过程中对地层环境今后极有可能出现的改变进行忽视，有极大可能会导致工程出现故障，从而引发更加严重的质量问题和安全事故。由此可见，地铁工程在选择施工位置、施工规划以及设计结构过程中环境所带来的制约因素极为重要。本篇文章主要对挖掘地下结构、建设地面建筑而引发的地层变化情况展开详细分析，还分析了地铁结构内力受到的负面影响，以及地铁构造的受力特征等。
关键词：地层环境；环境变化；地铁结构；结构设计
1地下工程对地层的影响力度
挖掘土方过程中，极易引发土体应力释放、爆破产生的震动和地层损害、土层临空面的形状改变和位置变化、地下水位变化以及地表水聚集等现象。开挖隧道期间，非常容易造成地层卸载，造成构造底层下面土层的地基系数出现下降，就算有支护结构为其提供保护，仍无法避免土层出现松动或者下沉情况。地层所出现的松动变形可以通过减少地层刚度方式来进行模拟。需要重新计算结构内力值。结构内力的散布并未出现特别显著的改变；减低顶（中）板、侧墙轴力，底板、柱轴力增加；顶（中）板、柱节点矩增加，其余部位的弯矩相应减少；底板弯矩就会明显增加，侧墙上部弯矩降低情况下，下部弯矩就会增加。
2建筑工程对地面建筑产生的影响
当地铁建筑周围存在建筑工程施工时，地层的应力场就会发生变化，同时地层会传递建筑基层应力，最终对地铁结构的稳定性能造成影响。影响地铁结构的主要有两种方式：当地铁结构在建筑基底应力扩散区域内，会受到影响；地铁结构未在建筑基底应力扩散区域内，就不会受到影响。
2.1对轴力的影响
在水平方向上顶板轴力呈现出右减左增的变化趋势，其中顶板轴力会在左跨增加6.8%、同时右跨减少13.8%、中跨相应减少2.4%；中板轴力左边的增长幅度就比右边大，其中左跨轴力增加18.6%、中跨轴力增加10.3%、右跨增加8.2%；左边地板轴增长幅度要比右边大。水平轴力增加和减少的总数和地下水位上升状态下造成的外力增加值相同。在垂直方向上，左侧墙轴力的增长幅度要保持在1.6%以内，而右侧墙轴力的下降幅度不得超多1.6%，左柱轴力的下降幅度和右柱轴力的增长幅度都不能超多1%；纵向各个部分增长和降低的轴力总和为0。
2.2对弯矩的影响
右半边下沉、左半边上升是顶板弯矩曲线所呈现出来的趋势，其中顶板弯矩在A节点处的最大弯矩增长1%、降低9%，而左跨跨中在A节点的最大弯矩和中顶板弯矩相等，中跨跨中在B节点位置的最大弯矩为增长1.5%、1.3%，中顶板弯矩和右跨跨中在C节点位置的最大弯矩分别为降低3.3%、增长9.5%，在D节点位置降低10.1%，中顶板弯矩和左跨跨中的最大弯矩在E节点位置分别增加21%、降低13.6%，降低9.7%、增加3.2%分别为中顶板弯矩和中跨跨中的最大弯矩，增加19%、减低10.2%分别为底板弯矩和右跨跨中在I节点位置的最大弯矩，并在L节点位置增长9.1%，上、下侧墙在E端的弯矩分别增长67%、39.6%，处于中间的左侧墙弯矩增长幅度最大，而右侧墙的弯矩则呈现出下面增长、上面降低的状态，并且在L节点位置处右侧墙弯矩增长了19.1。
2.3综合影响
底板和中板轴力在左跨度和中跨度的增长幅度都大于10%；而右侧墙轴力所呈现出来的增长幅度大概为2%；右柱轴力的增长幅度小于1%。当地面建筑修建在地铁结构旁边时，在增加顶板和底板层板强度时要建立在符合结构基本受力条件的基础上进行。
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3地下水位上涨对地铁车站结构内力的影响
地层的应力状态和承载力受地下结构周围地层中地下水储存标准和活动状态的影响，从而造成地铁构造内力产生变化。伴随着地下水位的不断上升，地铁车站构造内力的变化主要分为三种情况，而且是由静水压力的变化引起来的：
3.1结构受力不会受到地下水位上升的影响
地下水位存在于车站结构下方，就算水位上升仍然接触不到结构底面，因此水浮力不会对地铁结构造成影响。
3.2地下水位上升条件下车站结构侧墙受力增大
地下水位上升并未出现超过结构顶板的现象，在水位上升状态下结构所受浮力也会增加。但是因为纵向压力值没有发生变化，因此底板受力也不会出现改变。
3.3地下水位上升条件下整体结构受力增加
地下水位在上升过程中没有超出结构顶板的状态下，地铁整体结构受力增加。当地下水位越过顶板之后，在顶板和底板的压强差值不改变的情况下，地铁结构所受浮力也不会发生变化。
4挖掘地下构造对地铁站结构内力带来的影响
修建地下结构主要就是不断挖掘地下土层的过程，即周围土层地的应力场平衡状态受到干扰之后从而持续发生重新分布的过程。地层环境很有可能在挖掘岩土过程中产生多种变化，例如岩土在应力状态下受到挖掘和调整、爆破对岩土带来的损伤和震动、改变岩土临空面地理位置和形状、排放地下水以及聚集地表水等。假设结构底板为弹性地基梁组成，采用的温克尔地基模型。针对弹性地基梁的地基反力和沉降两者之间的关系，根据假定，地基给予梁的反力p（x）=-Kw。其中该点的挠度用w表示，K代表弹性地基的地基系数，kN/m3代表量纲，其主要代表当地基下沉到一定单位深度之后需要对其增加应力。根据这一假设，就相当于很多弹簧放在刚性平台上，即为弹性地基。为了对未来开挖地下水期间对当前设计结构带来的影响进行分析，假设在地铁结构4米以下存在一条和地铁站走向相互垂直、挖掘深度为7米的大跨度隧道。地铁结构下方的土层地基系数在挖掘隧道过程中会减少，随着隧道不断挖掘，挖掘面的岩土就会不断处于卸载状态，即使支护措施采用及时，也不能避免上方土层出现松动或者是下沉情况。假设地层的刚度在地层松动和变形的影响下出现降低，底板下面的土层结构K值就会降低40%，并需要对整体结构内力进行重新计算。当在地铁站下方挖掘隧道时，就需要对结构内力进行重新调整。底柱和柱的轴力就会相应提升，提高幅度要控制在1%以内；顶板和中板内侧两个节点处及其相近部分的弯矩也会得到提高，并且需要将增加幅度掌控在1.6%之内；底板的弯矩增加幅度不能超过3.2%。变化幅度偏小的为内力变化。相对来说，底板各跨跨中的弯矩增加幅度偏大。因此，底板受力变化情况应作为设计阶段的重点考察部分，对于底板的强度和抗变形能力进行适当提升。
结束语
经过分析在不同地层环境下的结构内力，实际结构表明，当地层环境出现改观时，地铁结构就会产生不同的内力改变，弯矩最大的位置变化不一定明显。但是，一部分结构构造内力产生的变化幅度却非常明显，并且会严重影响到地铁结构最初的构造承载能力。地铁结构虽然受力比较复杂，但是其属于超静定结构，会受到地层环境变化的的影响，因此具体探讨过程需要根据地铁工程的实际规划和建设施工情况来进行，所以此计算过程不仅要科学还应该严谨，对其产生的详细改变进行明确，才能设计出科学合理、安全性能高的地铁结构。
参考文献
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论文作者:刘纯
论文发表刊物:《新材料.新装饰》2018年3月下
论文发表时间:2018/9/11
标签：弯矩论文; 结构论文; 地层论文; 地铁论文; 顶板论文; 内力论文; 底板论文; 《新材料.新装饰》2018年3月下论文;