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摘要：地层环境对于城市交通的发展建设具有重要的影响，尤其是对于地铁的建设来说，只有充分掌握了地层结构的变化才能制定出合理的施工方案开展施工，从而避免不利因素的出现，促进我国地铁事业的快速发展。本文对地层环境变化对地铁结构设计的影响进行探析。
关键词：地层环境变化；地铁结构设计；影响
1、地层环境下地铁结构内力情况分析
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，本文将以某地铁站的结构为例，该地铁站属于岛式站台，其结构为双层三跨钢混框架，施工单位在修建该地铁站时主要采用明挖顺作施工方法，车站顶部覆土3.2米，地下水位深埋8.8m。该地铁站开挖土层范围大致分为四层，主要有填土层、黏性土层、中粗沙层、强风化岩层。前三层属于主层，在计算内力结构时要运用相关的公式。计算考虑以下两方面的荷载类型：（1）永久荷载，考虑结构自身的承载力及结构周边水土荷载作用。（2）可变荷载，考虑地震灾害和其他施工超载产生危害。在设计地铁结构的过程中，设计人员必须要确保地铁结构的强度，否则地铁结构将无法满足承载能力要求，进而在运行时产生安全事故。
2、地层环境变化对地铁结构设计的影响
2.1对地下工程的影响
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：
（1）轴力：底板轴力增大2.4kN；顶板、中板分别减少1.4kN、1kN，水平方向轴力增减的总和为0。中板上下两侧侧墙轴力分别减少1.8kN、2.2.kN；柱的轴力分别增加1.8kN、2.2kN，其中两个部分增加与减少的轴力之和为0。可见，在拟定的环境条件下，水平方向与竖直方向轴力的总和与原结构相同。总体而言，地铁结构构件的轴力变化幅值通常不大于1%。
（2）弯矩：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兩点减小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。
综上，在地铁结构设计时，应在考察底板内力变化的基础上，增加底板的抗弯刚度。
2.2对地面工程的影响
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：顶板轴力在水平方向上的变化呈右减左增的走势，其中顶板轴力分别在左跨增加6.9%、右跨减少13.9%、中跨减少2.4%；中板轴力在左边的增幅比右边大，其中左跨、右跨、中跨的轴力分别增加18.7%、1.9%、10.3%；底板轴力在左边的增幅比右边大，其中左跨、右跨、中跨的轴力分别增加13.6%、8.1%、10.8%；水平轴力增减的总和与地下水位上升所致的外力增加值相等。左侧墙轴力在竖直方向上的增幅不大于1.6%，右侧墙轴力的降幅不大干1.6%，左柱轴力的降幅和右柱轴力的增幅均不大干1%；竖向各个部分增加与减少的轴力之和为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%。
在地铁结构侧修建地面建筑工程时，内力的变化幅度偏大。因此，在地铁结构设计时，应在满足结构基本受力条件下适当增加各层板的强度，尤其是顶、底板。
3、结束语
在分析地层环境对地铁结构设计产生的影响时，施工单位要能明确地铁结构受力范围，根据实际的地铁工程建设情况，完善地铁结构设计方案，考虑好较为常见的变化，从而设计出科学安全的地铁结构。
参考文献：
[1]大连地铁盾构开挖地层移动规律的模型试验研究[J].朱训国，陈枫，徐孟林，赵德深.岩土力学.2013（S1）.
[2]地铁联络通道扰动土体冻结法技术与监测[D].崔丙会.安徽理工大学2015.
（作者单位：中交城市轨道交通设计研究院有限公司）
关键词：地层环境变化；地铁结构设计；影响
1、地层环境下地铁结构内力情况分析
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，本文将以某地铁站的结构为例，该地铁站属于岛式站台，其结构为双层三跨钢混框架，施工单位在修建该地铁站时主要采用明挖顺作施工方法，车站顶部覆土3.2米，地下水位深埋8.8m。该地铁站开挖土层范围大致分为四层，主要有填土层、黏性土层、中粗沙层、强风化岩层。前三层属于主层，在计算内力结构时要运用相关的公式。计算考虑以下两方面的荷载类型：（1）永久荷载，考虑结构自身的承载力及结构周边水土荷载作用。（2）可变荷载，考虑地震灾害和其他施工超载产生危害。在设计地铁结构的过程中，设计人员必须要确保地铁结构的强度，否则地铁结构将无法满足承载能力要求，进而在运行时产生安全事故。
2、地层环境变化对地铁结构设计的影响
2.1对地下工程的影响
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：
（1）轴力：底板轴力增大2.4kN；顶板、中板分别减少1.4kN、1kN，水平方向轴力增减的总和为0。中板上下两侧侧墙轴力分别减少1.8kN、2.2.kN；柱的轴力分别增加1.8kN、2.2kN，其中两个部分增加与减少的轴力之和为0。可见，在拟定的环境条件下，水平方向与竖直方向轴力的总和与原结构相同。总体而言，地铁结构构件的轴力变化幅值通常不大于1%。
（2）弯矩：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兩点减小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。
综上，在地铁结构设计时，应在考察底板内力变化的基础上，增加底板的抗弯刚度。
2.2对地面工程的影响
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：顶板轴力在水平方向上的变化呈右减左增的走势，其中顶板轴力分别在左跨增加6.9%、右跨减少13.9%、中跨减少2.4%；中板轴力在左边的增幅比右边大，其中左跨、右跨、中跨的轴力分别增加18.7%、1.9%、10.3%；底板轴力在左边的增幅比右边大，其中左跨、右跨、中跨的轴力分别增加13.6%、8.1%、10.8%；水平轴力增减的总和与地下水位上升所致的外力增加值相等。左侧墙轴力在竖直方向上的增幅不大于1.6%，右侧墙轴力的降幅不大干1.6%，左柱轴力的降幅和右柱轴力的增幅均不大干1%；竖向各个部分增加与减少的轴力之和为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%。
在地铁结构侧修建地面建筑工程时，内力的变化幅度偏大。因此，在地铁结构设计时，应在满足结构基本受力条件下适当增加各层板的强度，尤其是顶、底板。
3、结束语
在分析地层环境对地铁结构设计产生的影响时，施工单位要能明确地铁结构受力范围，根据实际的地铁工程建设情况，完善地铁结构设计方案，考虑好较为常见的变化，从而设计出科学安全的地铁结构。
参考文献：
[1]大连地铁盾构开挖地层移动规律的模型试验研究[J].朱训国，陈枫，徐孟林，赵德深.岩土力学.2013（S1）.
[2]地铁联络通道扰动土体冻结法技术与监测[D].崔丙会.安徽理工大学2015.
（作者单位：中交城市轨道交通设计研究院有限公司）