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

周博

摘 ?要：地鐵建設(shè)具有工期長、難度大等特點，建設(shè)過程中任何階段出現(xiàn)質(zhì)量不達標(biāo)情況都會給整個建設(shè)項目帶來不可挽回的影響。眾所周知，地鐵建設(shè)是一種地下施工工程，地層環(huán)境的變化必然會對地鐵結(jié)構(gòu)內(nèi)力造成一定的影響，進而影響地鐵的結(jié)構(gòu)設(shè)計，因此為了防止這一現(xiàn)象產(chǎn)生，在地鐵設(shè)計時就必須對地層環(huán)境可能發(fā)生的變化加以考慮?；诖耍撐脑敿?xì)分析了地層環(huán)境發(fā)生變化時地鐵結(jié)構(gòu)受到的影響，并根據(jù)實際情況從多種角度提出了降低這種影響的措施。

關(guān)鍵詞：地層環(huán)境;地鐵結(jié)構(gòu);內(nèi)力

中圖分類號：U231 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A

0 引言

近年來，國內(nèi)城市化建設(shè)中交通運輸模式也發(fā)生了翻天覆地的變化，尤其是在先進地下空間建設(shè)理論和技術(shù)的支撐下，越來越多的城市地鐵建設(shè)項目被列到了建設(shè)日程中。地鐵也因?qū)ν馕廴拘?、運載能力強、空間利用率高等優(yōu)勢受到了廣大民眾的青睞。經(jīng)過多年的經(jīng)驗積累，當(dāng)前我國地鐵設(shè)計和建設(shè)水平已經(jīng)發(fā)展得較為穩(wěn)定，但也不可避免地存在著一些問題，象地層環(huán)境變化往往會削弱地鐵結(jié)構(gòu)的實際承載能力，給地鐵結(jié)構(gòu)帶來不可忽視的影響，造成地鐵建設(shè)的失誤，甚至威脅到人們的生命安全，因此在地鐵建設(shè)設(shè)計過程中，設(shè)計人員和施工人員應(yīng)該對地鐵的實際施工環(huán)境進行細(xì)致地實地考察，通過數(shù)據(jù)計算和分析獲得地層多變的地帶和原因，并及時采取適當(dāng)?shù)姆婪洞胧?，以保證未來地鐵能夠安全穩(wěn)定地建設(shè)和運行。

1 地層環(huán)境中地鐵結(jié)構(gòu)的設(shè)計狀況

復(fù)雜性和不確定性是地層環(huán)境變化的主要特性，因此其對地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響也是復(fù)雜多變、難以預(yù)測的，這就要求設(shè)計人員和施工人員對能夠引起地層環(huán)境變化的因素進行充分地了解和分析，并及時做好相應(yīng)的防范措施，保證地鐵的安全建設(shè)和運行。

在進行分析和設(shè)計時，應(yīng)將對地層環(huán)境中地鐵結(jié)構(gòu)內(nèi)力的分析放在首位，具體來說可以分為以下2個方面：1）永久荷載，這種荷載力主要來源于地鐵結(jié)構(gòu)本身重力以及地層各個方面施加的壓力。2）可變荷載，這種荷載主要包括乘客產(chǎn)生的荷載、地面車輛產(chǎn)生的荷載以及側(cè)向土壓荷載等。在對地鐵結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時應(yīng)該將各種不利荷載加以組合，保證地鐵結(jié)構(gòu)在受到較大荷載的作用下不會遭受嚴(yán)重的破壞，進而保證地鐵投入使用后的安全穩(wěn)定性。

2 地層環(huán)境發(fā)生變化時地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響

2.1 地下工程的影響

地鐵地下工程部分的建設(shè)受到地層環(huán)境變化的影響最大，地鐵地下工程施工中一項重要的內(nèi)容就是對土層的持續(xù)卸載，在這一過程中，地下土層的應(yīng)力場也在不斷變化，因此地下工程施工的推進也可以認(rèn)為是將土層平衡環(huán)境打破后重建的過程。

為了研究地鐵建設(shè)中地下開挖對地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響，我們假設(shè)地鐵結(jié)構(gòu)底板下放4 m處有一條隧道經(jīng)過，隧道的半徑7 m，與地鐵站走向正交，由于該條隧道的存在使地鐵站地基基床系數(shù)下降，即便設(shè)置一定的支護措施，也難以阻止土層的不斷松動和下降，進而對地鐵站的內(nèi)力產(chǎn)生影響。通過計算公式對結(jié)構(gòu)內(nèi)力進行計算可知，經(jīng)過環(huán)境改變后地鐵結(jié)構(gòu)內(nèi)力較之前并沒有發(fā)生明顯的改變，但是頂部的軸力有所減小，底板、柱軸力有所增加，頂板、柱節(jié)點以及底板處彎矩增大，側(cè)墻上部彎矩減小，下部增大。通過數(shù)據(jù)分析得出總結(jié)：如果在地鐵站下方開挖隧道，底板和柱的軸力增加幅度相對較小，中板和頂板內(nèi)側(cè)節(jié)點處的彎矩增加幅度稍大一些，底板和底板跨中彎矩增加幅度最大，因此在對地鐵結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時，應(yīng)該對增加底板的強度和抗變形能力予以足夠的重視。

2.2 地面工程的影響

通常情況下，地鐵在城市中都處于經(jīng)濟和交通比較發(fā)達的地區(qū)，因此地鐵附近經(jīng)常會進行新興工程建設(shè)，在工程施工過程中，地鐵地層的環(huán)境也會隨之發(fā)生改變，進一步影響地鐵地下結(jié)構(gòu)環(huán)境。當(dāng)?shù)罔F上方進行建筑施工時，地下結(jié)構(gòu)內(nèi)力必然會發(fā)生變化，這種結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化由于其受力的不對稱性顯現(xiàn)出極度復(fù)雜的特征。經(jīng)過多年的施工實踐經(jīng)驗可知，如果地上施工建設(shè)存在與地鐵站左方時，那么地鐵頂板的左跨、中板和頂板的軸力會變大;反之，則右跨、中板和頂板的軸力變大，同時地鐵結(jié)構(gòu)中的彎矩也會出現(xiàn)較大幅度的增加?？偨Y(jié)來說，當(dāng)?shù)罔F上方一側(cè)存在新修建筑時，地鐵內(nèi)力通常會產(chǎn)生較大幅度的變化，因此在進行設(shè)計時，應(yīng)在滿足地鐵受力基本機構(gòu)的同時適當(dāng)對各層板的強度予以增加，并重點關(guān)注頂板的抗變形能力。

2.3 地下水位上升的影響

地下水位的變動也會對地下建筑結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和承載能力形成影響，因此在對地鐵進行設(shè)計時應(yīng)該充分關(guān)注到地下水位的變化情況。根據(jù)以往經(jīng)驗得出，當(dāng)?shù)叵滤簧仙龝r，地鐵結(jié)構(gòu)中底板和中板彎矩會變大，它們所受到的軸力會增加，同時頂板受到的軸力也會增加且增加幅度較大，因此為了防止地下水位上升對地鐵造成隱患，應(yīng)當(dāng)在設(shè)計時適當(dāng)加強頂板和底板的強度，使地鐵安全性得到保障。另外，根據(jù)計算結(jié)果可知，當(dāng)?shù)叵滤簧仙龝r，中板彎矩的增加幅度并不會向頂板和底板一樣大。當(dāng)?shù)叵滤桓哂陧敯鍟r地鐵結(jié)構(gòu)中側(cè)墻和兩柱的軸力以及大多數(shù)結(jié)構(gòu)的彎矩都會變大，但由于中板相對獨立且產(chǎn)生的形變較小，因此可知地下水位上升對中板的軸力和彎矩并沒有明顯的影響。

3 減少地層環(huán)境對地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計影響的措施

3.1 從地下土層角度解決

從地下土層的角度來說，在進行地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)充分考慮地下土層變化產(chǎn)生的影響，計算時應(yīng)采用多鉆孔結(jié)構(gòu)計算方法，從鉆孔中選出最不利鉆孔進行結(jié)構(gòu)的選型和配筋。如果土層中存在軟土則應(yīng)該對軟土成分和數(shù)量加以分析，并進行相應(yīng)的處理。另外，應(yīng)該對結(jié)構(gòu)持力層的承載情況進行驗算，如果發(fā)現(xiàn)承載度不符合要求則應(yīng)該及時對土層土壤進行置換和加固。

3.2 從地下水位角度解決

首先，在地鐵工程地基開挖時就應(yīng)該對地下水采取一定的止水措施，象可以根據(jù)施工具體的地質(zhì)環(huán)境使用攪拌樁或者地連墻對地下水進行堵截，使用降水井對基坑內(nèi)部進行人工降水處理，或者在基坑頂部修建防水墻對地表水進行阻擋。其次，應(yīng)該對地鐵結(jié)構(gòu)的抗浮能力進行檢驗，防止當(dāng)?shù)叵滤簧仙?，地鐵結(jié)構(gòu)出現(xiàn)上浮現(xiàn)象，如果地鐵結(jié)構(gòu)抗浮性不滿足設(shè)計要求時，應(yīng)在設(shè)計中加入一定的抗浮措施，象可以考慮修建設(shè)置壓頂、壓底梁，或者可以在地鐵結(jié)構(gòu)底板下修建一定數(shù)量的抗拔樁。第三，應(yīng)該對地鐵做好防水設(shè)計，防止在較深的區(qū)域地下水滲入地鐵站。具體施工時可以采用防水混凝土作為施工材料，在地鐵站外部修建全包式防水層，另外在地鐵結(jié)構(gòu)中的重點部位和特殊節(jié)點應(yīng)該進行重點防水設(shè)計。最后在地鐵站內(nèi)部應(yīng)該設(shè)置一定的集水處理裝置，對進入車站內(nèi)部的地下水進行應(yīng)急處理。

3.3 施工與設(shè)計相結(jié)合

最后在地鐵進入施工階段后，設(shè)計人員應(yīng)該對建設(shè)項目進行監(jiān)督跟進，實時關(guān)注施工進度。如果在施工過程中發(fā)現(xiàn)施工與設(shè)計計劃不符，或者施工地質(zhì)情況與設(shè)計情況不符的現(xiàn)象，應(yīng)該及時通知施工單位和建筑單位。

4 結(jié)語

總結(jié)來說，地鐵的受力結(jié)構(gòu)是一種相對復(fù)雜的靜定結(jié)構(gòu)，通過該文的研究分析可知：當(dāng)?shù)貙迎h(huán)境發(fā)生變化時，地鐵的結(jié)構(gòu)內(nèi)力也在不斷改變。因此為了更好地保證地鐵的修建質(zhì)量和運行安全，在未來地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)該結(jié)合施工當(dāng)?shù)氐木唧w環(huán)境，運行科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆椒?，對具體變化進行具體分析，并找到相應(yīng)的緩解措施，最大程度地保護地鐵的安全運行。

參考文獻

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