地层环境变化对地铁结构设计的影响

地层环境变化对地铁结构设计的影响

朱岑迪

深圳市市政设计研究院有限公司（518029）

摘要：城市地铁施工的过程中，其施工期相对来说较长，难度系数比较大，在建设施工的过程中，有可能会出现质量不合格的问题，这类问题的存在会直接影响到地铁的建设品质，甚至可以出现无法挽救的问题。其中地层环境的不同会对地铁产生诸多影响，对地铁的结构设计产生直接影响。因此，为了能够防止这种问题的发生，在对地铁进行工程设计时，要对地层环境有可能会发生的变动进行具体考量，确保地铁的结构设计科学化、合理化。

关键词：地层环境变化；地铁结构设计；影响

一、地层环境中地铁结构的设计状况

复杂性和不确定性是地层环境变化的主要特性，因此其对地铁结构产生的影响也是复杂多变、难以预测的，这就要求设计人员和施工人员对能够引起地层环境变化的因素进行充分地了解和分析，并及时做好相应的防范措施，保证地铁的安全建设和运行。在进行分析和设计时，应将对地层环境中地铁结构内力的分析放在首位，具体来说可以分为以下2个方面：1.永久荷载，这种荷载力主要来源于地铁结构本身重力以及地层各个方面施加的压力。2.可变荷载，这种荷载主要包括乘客产生的荷载、地面车辆产生的荷载以及侧向土压荷载等。在对地铁结构进行设计时应该将各种不利荷载加以组合，保证地铁结构在受到较大荷载的作用下不会遭受严重的破坏，进而保证地铁投入使用后的安全稳定性。

二、地层环境发生变化时地铁结构设计的影响

1.地下工程的影响

由于地层环境的改变，对地铁隧道的施工有很大的影响，而在隧道施工中，对地基进行连续的卸荷是一个很大的问题，而在这个过程中，土层的应力也会发生变化，所以，隧道施工的进展可以看作是破坏了土层的生态平衡。为探讨地铁工程施工中地下挖掘对地铁结构设计的影响，本文假定一条隧道穿过地铁结构，其半径为7m，垂直于地铁站的方向，由于隧道的存在，导致车站地基基础的系数降低，即使采取适当的支护措施，也很难阻止土体的持续松动和下沉，从而对车站的内力造成影响。根据计算公式计算了结构的内力，发现在环境变化后，地铁结构的内力变化不大，但上部轴力下降，底板和柱轴力增加，顶板、柱节点和底板的弯矩都增加，而侧壁的上弯矩和下层的弯矩都在减少。根据分析，认为地铁车站地下开挖时，基底及立柱的轴力增长幅度较小，而在中部及顶部的交界处，则略有增大，而底板及底板跨则有较大的提高，故在地铁结构设计时，应充分考虑提高楼面的强度与变形。

2.地面工程的影响

地铁站一般主要建设在城市较为繁华的地理位置，其基坑周围有新建的建筑物，这样在施工的过程中，地层环境就会发生巨大的改变，如施工单位不能加以控制，则有可能使得地层的应力场发生变化。例如：如果该站台周围建筑物高6米，在设计地铁结构的过程中，为了避免在施工的过程中导致应力场发生变化，施工单位可以遵循以下两方面的要求，科学规范的进行地面工程的建设。首先，要考虑地面工程对地铁建筑产生的影响，其次，要考虑地铁结构扩建的范围。施工单位要能规范的进行计算，做好地铁结构设计的拟建，这样就可以确定地铁结构周围建筑物是否会地铁结构设计产生不良的影响。地层环境变化对地铁结构设计的影响较大，设计人员在设计的过程中必须要运用科学的方法，完善地铁结构设计方案，要能根据现场地铁建设情况，绘制地铁结构图纸，这样以便于施工人员的参考，设计人员要能同相关施工人员和现场监管人员加强合作和交流，根据施工方案和监管方案，制定地铁结构设计制度，只有这样，施工单位才能准确的了解地层环境对地铁结构设计产生的影响。其次，设计人员要能不断提升自身专业设计能力，形成较好的专职业道德素养，这样才会积极主动的勘察地铁施工现场环境，并对地层环境进行详细的检测，从而确定地层环境对地铁结构设计产生的影响因素，根据实际问题明确具体设计方案，以保证地铁结构设计的效果符合相关的要求。

3.地下水影响

在地铁结构的施工建设过程中地层应力和实际承载能力的变化，在很大程度上取决于地下周围的水位条件和活动状况。当低箱水位产生变化时，极有可能引发地铁结构内力的变化。如果地下水位不断向上增长，将计划地铁结构中底板和中板的弯矩，当达到一定轴力范围值时，将产生及其剧烈的顶板变化。因此，在实际地铁结构设计过程中，应当从结构整体角度出发，对结构中的每一环节进行详细的考察，根据水位变化情况对顶板和底板的强度进行适当的调整，且注意中板和侧墙的强度变化，从根本上保证结构的安全性及稳固性。当水位持续升高完全淹没顶板时，顶板横向外力和竖向外流不断增大，侧墙和两柱的轴力都会有所增加，全部结构构件的弯矩也普遍提高。中板相对独立、变形较小且受力恒定，所以地下水位对中板的弯矩和剪应力的变化影响不明显。

三、减少地层环境对地铁结构设计影响的措施

1.站在地下土层角度对问题进行解决

通过站在这个角度上来分析，地铁结构设计时的需要充分考虑土层变化带来的一些影响，同时计算的过程中可以采取多钻孔结构的方式进行计算，在钻孔中选择出一些不利于钻孔的结构选型以及配筋，如果在土层中存在软土，那么要对软土的成分以及数量作出相应的分析，采取有效的措施进行处理。此外也是需要对结构持力层的承载作出科学验算，如果出现承载度无法满足相应的要求，那么要对土层中的土壤作出相应的置换或者是加固处理。

2.站在地下水位角度对问题进行解决

一是在对地铁工程的地基进行开挖时候，需要对地下水采取一定程度的止水措施，例如可以在施工中根据地质环境应用搅拌桩或连续墙做好地下水堵截工作，采取降水井的方式对基坑内部进行人工降水，或在基坑的顶部修建防水墙对地表水作出阻挡。二是要对地铁结构的抗浮能力作出合理检验，避免地下水位上升后地铁存在上浮等情况，如果地铁结构中的抗浮性无法满足设计需要，那么需要在设计的时候合理的加入一定程度的抗浮措施，例如修建设置压顶以及压底梁等等。三是要加强对地铁做好防水的设计工作，这样可以避免一些较深区域的地下水深入到地铁车站中。在进行具体施工的时候，应用防水混凝土作为其施工的材料，在地铁外部可以修建相应的全包式防水层，同时在地铁结构中的重点位置也要做到重点防水处理。四是在地铁车站内部中，需要设置一定程度的集水处理装置，这样可以对进入到车站内部的地下水进行有效的处理。

3.站在施工和设计角度上对问题进行解决

在地铁进入到了最后的施工阶段中，设计人员要对项目的建设情况作出及时的监督和跟踪，对工程建设的进度进行关注，假如在施工的时候出现了施工和设计出现不符合的情况，或者施工地质和设计情况并不满足，因此要及时的通知施工单位和建设单位进行整改，避免工程建设质量出现问题。

结语

地铁结构是一种比较复杂的静定结构，若地层环境存在变化的状态下，地铁结构的内力也会出现相对应的变化，因此为了能确保地铁建设过程中的总体质量，在对地铁结构开展设计时，必须要结合具体的施工情况进行设计计算，运用切实有效的举措，达到具体工作具体分析，寻找出有效的处理措施，确保地铁能够安全稳定的运行。

参考文献：

[1]朱光亚．地层环境变化对地铁结构设计的影响解析[J]．工程技术，2016(2)：45-46．

[2]唐仁，林本海．基坑工程施工对邻近地铁盾构隧道的影响分析[J]．地下空间与工程学报，2014(5)：1630—1631．