广州地铁设计研究院股份有限公司 510010
摘要：随着城市化进程的不断加快，地铁建设规模也越来越大，对我国交通行业经济增长起到了重要作用。本文根据以往工程经验，对地层环境下地铁结构受力及设计总结，从地下工程的影响、地面工程的影响、施工过程的影响、以及未来临近工程建设的影响四个方面，论述了周边地层及环境变化对地铁结构设计的主要影响。
关键词：地层及环境变化；地铁；结构设计；影响
1.地层环境下地铁结构受力情况
在整个地铁结构设计过程中，首先要考虑的是现阶段地层环境下地铁结构的受力情况，之后考虑新建工程以及既有工程改造等内容对地铁结构受力的影响。以广东某地铁站为例，该地铁站台为岛式站台，双层三跨钢筋混凝土框架结构，采用明挖顺做法施工，顶部覆土厚度约为3.2m。整个地铁站所在地层主要如下：填土层、粉质粘土层、细沙层以及粉土层，该车站主体主要处于前三种土层之中。在结构设计时，通常根据地铁运行期间的荷载组合开展结构内力计算，具体外部作用主要如下：首先是永久荷载，主要包括结构自重以及地层水土压力；其次是可变荷载，包括人群荷载、设备荷载、列车荷载、地面超载等。开展具体设计工作时，设计人员通过对不同的荷载工况进行组合，确保考虑到地铁结构的最不利受力状态，保证结构设计满足安全性和耐久性要求。另外，设计过程中还要考虑地铁结构施工期的荷载工况及荷载组合，以及主体运行的安全[1]。
2.地层环境变化对地铁结构设计的主要影响
2.1地下工程的影响
在土层挖掘过程中，不可避免地会引起地层应力释放，从而对地层变形、稳定，乃至地下水位等产生影响。地铁结构底板受力分析时采用的是弹性地基梁法，该理论忽略土体间的剪切作用，将地基假定为一根根仅受压地弹簧。地层环境变化对地下工程的影响是复杂的，为方便研究可进行案例分析，假设地铁车站结构底板下方新建设一条隧道，开挖半径为7m，与车站走向处于正交状态。隧道开挖会引起地层卸载，使得周边土层基床系数下降，即使有支护结构的作用，也不可避免地会造成土层松动。计算分析时可以通过局部降低地弹簧刚度对地层松动造成的影响加以考虑，之后实现结构的受力计算。在隧道问题上，亦可选择弹性地基梁，通过文克尔地基模型进行分析。具体分析过程中，需将地基应力和变形之间关系明确出来，从而计算出具体数值，计算公式如下：
该式中，w代表挠度；k代表弹性地基系数，单位为kN/m3。
基于以上计算方法，通过选取合适的地弹簧刚度可将地层环境变化下的地铁结构内力计算出来。以车站为例，其影响结果主要如下：首先是轴力，从以往经验中看出，如果底板轴力增大，中板和顶板轴力会有所减小。其次是弯矩，弯矩是地下工程结构受力分析的主要因素，也是结构截面及配筋设计的主要依据，通过考虑地层变化的结构受力计算，获得结构内力变化情况，可确保结构承载能力及抗变形能力满足相应要求。根据上述案例结果，随着地层变化，柱和底板的轴力增减幅度小于5%，底板弯矩变化幅度则大得多。所以说，在具体地铁结构设计上，应该以底板的内力变化为基础，加强底板抗弯刚度。
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2.2地面工程的影响
地铁车站大多位于城市繁华地带，周围有很多建构筑物，地下工程施工时，地层环境容易出现较大变化，如果施工单位无法对此种情况进行控制，则会导致地层应力场发生较大改变，进而对地面工程结构产生影响。例如，某地铁车站周围存在很多建筑物，在地铁结构设计过程中应充分考虑施工造成的地层环境变化对周边地面结构的影响，应在方案上采取措施，避免过大地改变地层应力场。此外，还需考虑周边既有结构对地铁结构设计的影响，根据其影响程度采取相应的工程措施。在此过程中，需通过规范性计算，拟定好地铁结构设计方案，进而确定出地铁设计方案对地面工程的影响，以及周围既有结构对地铁车站设计的具体影响[2]。
考虑地层环境变化影响的复杂性，设计过程中还应结合现场实践核实对工程条件认识的准确性，通过对施工现场环境的踏勘，核定设计考虑的因素是否周全，并及时制定解决对策，确保地铁结构设计满足地铁工程施工及运营安全的同时，减小对地面工程的影响。
2.3施工过程的影响
相关研究表明，由于地铁施工程序繁琐，工期较长，导致地铁施工很容易受到外界因素影响，造成一定的安全隐患。此时，如果施工单位没有对安全施工控制工作的开展提高重视度，便很可能会引发安全事故。为了避免各种情况出现，在具体的地铁结构设计工作之中，要注重对地层环境的研究。实践证明，地铁结构设计很容易受到地层环境影响。因此，在确定好地铁工程项目之后，需要结合相关要求，对车站站位、方案及结构等设计进行规范，明确具体荷载，充分考虑地铁结构承载力要求。其次，设计人员还要明确地铁车站建设中的风险系数，掌握足够多相关分析数据，只有这样，才能在降低施工风险的同时，确保地铁结构设计质量。总的来说，通过对施工过程的影响分析，可以为地铁施工安全提供充分保障，以地铁工程质量为基础，节省大量的施工成本，延续我国交通事业发展的良好势头[3]。
2.4未来临近工程建设的影响
城市轨道交通有着速度快、运载能力强等优势，可以对地下空间进行充分利用，在城市交通系统中具备不可替代的作用。而随着科学技术的不断完善，新的地下空间建设理论也相继被提出。相关建设经验显示，未来地层环境变化，可能会对地铁工程带来巨大损失，这也让环境制约因素成为了地铁设计过程中需要考虑的重要因素之一。一般来说，设计过程中利用具体外力乘以相应的分项系数作为荷载输入，完成结构计算分析。分项系数主要是针对荷载概率分布情况，以及荷载效应组合来确定的，并没有将未来地层环境可能出现的变化考虑在其中，如何对该问题进行防范，是需要用心考虑的问题。通常在地铁建设阶段，需综合梳理地铁结构周边环境变化的可能情况，如既有地铁结构周边地下工程施工，既有地铁结构邻近范围内市政桥梁、管线等工程施工，地下水位变化等。通过预判未来环境变化的可能情况，在地铁结构设计中对这些因素加以考虑，提前在结构设计方案中采取措施，既可减轻未来周边建设对既有地铁结构带来的影响，亦可尽可能地避免因地铁结构安全问题而影响未来城市规划的落地。
总结
总的来说，地铁结构设计较为复杂，需要充分考虑地层环境变化带来的影响，根据实际情况提出具体解决方案。通过科学严谨的计算和分析，将具体变化及影响明确出来进行定量分析，确保地铁结构设计的安全性和全面性。除此之外，相关研究机构及单位应提高地层环境变化对地铁结构设计影响的重视度，通过科学的研究，提出应用方法，进而促进地铁结构设计的不断完善。
参考文献：
[1]黎钜宏.地层环境变化对地铁车站结构内力的影响研究[J].广东土木与建筑，2018，25（02）：18-21.
[2]王增吉，林云俊.地层环境变化对地铁结构设计的影响分析[J].四川水泥，2017（07）：23.
[3]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.
论文作者:叶跃鸿
论文发表刊物:《防护工程》2018年第34期
论文发表时间:2019/3/25
标签：地铁论文; 地层论文; 结构论文; 结构设计论文; 荷载论文; 环境论文; 底板论文; 《防护工程》2018年第34期论文;