摘要：随着城市化建设进程的加快，我国开始扩建地铁工程，地铁的扩建不仅可以为人们提供便利的出行条件，与此同时，也助于促进我国交通行业经济的增长。但是在扩建地铁的过程中，施工单位却受到城市环境复杂性的影响，如无法顺利的解决影响地铁扩建的因素，将会导致地铁工程的质量下降，因此，为了能够保证城市地铁可以顺利的建设，施工单位应跟根据地层环境的变化，合理科学的设计地铁结构。本文将对地层环境变化对地铁结构设计的影响进行分析。
关键词：地层环境变化；地铁结构设计；影响
1关于地层环境下地铁结构内力情况的分析
在设计地铁结构的过程中，设计人员要能对现场环境进行勘测，了解地铁结构内力的情况，然后再考虑结构下发建筑的变化。在分析地层环境下地铁结构内力情况的过程中，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。
2地层环境变化对地铁结构设计的影响分析
2.1对地下将建工程的影响
地下工程的施工就是周边边土层持续卸载的一个过程，也就是周边土层地应力场的平衡状态被打破再重新构建和分布的过程。在土层开挖中可能会导致地层环境出现变化，比如：土层应力状态改变、岩层爆破振动、岩层形状变化等。假设地铁结构底板应用弹性地基梁，采用文克尔地基模型进行分析。对其地基应力和沉降间的关系，依照假设，地基提供给梁的反力为：P（x）＝-kω式中，ω是该点绕度；k是弹性地基的系数；单位为kN/m3，即地基沉陷一单位深度所要施加的应力。为了解地下新建工程对地铁结构设计的影响，可假设地铁结构底板下方约4m处需新修建一隧道，该工程的开挖半径定为7m，和地铁车站正向相交，根据这些情况对地下工程建设对地铁结构设计的影响进行分析。在隧道开挖中，会造成地层一定程度的卸载，进而使地铁结构的底板下端土层地基系数减小，即便设支护，土层仍会松动。通过减小地层刚度可模拟该种情况，再对地铁结构内力进行计算。具体结果如下：
图1 轴力（kN）
图2 弯矩（kN.m）
（1）轴力（图1）：底板轴力变大2.4kN；中、顶板则分别减小1kN和1.4kN；而水平向轴力增减和则是0。中板上、下两边侧墙轴力分别减小1.8kN、2.2kN；而柱两侧轴力增大相应，两部分的增减轴力为0。可知，在既定条件前提下，水平、竖直两向轴力和与设计是保持一致的。简言之，地铁的结构构件轴力变化幅度应在1%以下。
（2）弯矩（图2）：结构的顶板弯矩在A、D两点减小1.1%，而B、C两点提升1.1%，跨中最大弯矩在中跨处减小1.7%，边跨增大0.1%；结构中板弯矩在E、H两点减小1.5%，在F、G两点增大1.6%；跨中最大弯矩在中跨处减小2%，边跨增大1.5%；底板最大弯矩在I、L、J、K均增大1.5%，中、边跨跨中最大弯矩增大2.9%、3.2%；侧墙弯矩则在下端明显增大，而在上端有所减小。从结果可以知道，地铁结构的内力在分布上无显著变化；顶、中板及侧墙轴力有所减小，而底板、柱轴力变大；顶、中板及柱节点弯矩变大，其它部位减小；底板弯矩有一定的增大，侧墙上侧弯矩减小，下部变大。由此看出，在既有地铁车站下方进行新隧道施工，柱、底板轴力增幅一般在1%以下，中、顶板在内侧节点和相邻处弯矩增幅在1.6%以下；底板弯矩增幅在3.2%以内；底板跨中弯矩增幅较大，而轴力变化较小。所以，在设计时必须考虑到结构底板内力可能发生变化，适当提升底板的抗变形力。
2.2对地面工程产生的影响
因地铁站台基本上建于城市相对繁华区域，站台结构周边可能有新建筑规划和建设，这就会导致地层应力场出现变化。假设该车站结构左侧6m处拟建一大型建筑物，基底埋深6m、宽20m。设基底应力是0.2MaP。根据地面建筑物基地应力对地下工程结构影响有这两种状况:一是地下工程结构处在地面建筑物基底应力影响之下；二是地下工程结构未在地面建筑物基底应力扩散范围内，应力扩散不会产生影响。通过计算，在拟定条件下本地铁站为前种情况。因地铁站结构埋设的较浅，扩散角一般是45°，而地面建筑物对站台侧墙上产生附加竖、侧两向应力分别为σ1＝q1Xb0/（b0+2b1）、λσ1。从结果看出，左侧地层的新建筑物会产生较大影响，具体如下：
（1）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%。左侧墙轴力竖直向增幅在1.6%以内，右侧减幅在相同范围内；左、右柱轴力增、减幅均在1%以内；竖向各处增减轴力和为0。
（2）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G点分别增大4.4%、22%，在H点增大5.4%；底板弯矩则表现为右半部下降、左半部上移的变化，底板弯矩和右跨跨中最大弯矩在I点分别增大9%、减小10.2%，和中跨跨中最大弯矩在J点处分别减小5.3%、增大1.1%，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，在地面新投建建筑时，地铁结构内力变化大而复杂。所以，在设计中，需在满足地铁结构基本受力前提下，适当增大各层板强度，尤其是顶、底板。
3结语
总之，地铁结构属于受力复杂的超静定结构，会受到地层环境变化的影响，因而需要根据地铁工程规划和建设实际情况具体探讨，通过科学、严谨的计算，明确具体的变化，设计出安全、科学的地铁结构。
参考文献
[1]王东奥.地层环境变化对地铁站结构设计的影响分析[J].科学与财富,2015(26):288-288.
[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(7).
论文作者:徐献超
论文发表刊物:《基层建设》2019年第7期
论文发表时间:2019/6/24
标签：弯矩论文; 地铁论文; 结构论文; 地层论文; 底板论文; 土层论文; 顶板论文; 《基层建设》2019年第7期论文;