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

林鸿铭

广东南海国际建筑设计有限公司

【摘要】为确保地铁在建设与施工过程中处于安全稳定状态，在对地铁结构进行设计时，人们必须要充分考虑各种变化对地铁结构带来的影响。本文对地层环境中地铁结构的设计状况进行简要的阐述，并深入分析了地层环境变化对地铁结构设计影响，提出相应的解决措施，为从事该行业相关设计人员提供参考。

【关键词】地层环境；地铁结构；设计；影响

1 地层环境中地铁结构的设计状况

地层环境变化具有复杂及不确定性等特点，因此，地层环境变化对地铁结构设计影响也非常复杂。这也要求在地铁设计与建设中，人们必须要全面考虑地层环境变化所带来的各种影响，对施工现场地层环境进行深入分析和研究，尽可能避免由于地层环境变化而带来的不利影响，以保障地铁安全有效的运行。

对地铁结构进行设计时，首要分析因素应当是地铁的结构内力，这部分又包含了永久载荷及可变载荷。对于永久载荷而言，其包括地铁结构的自身重力及来自地层的各种压力载荷；对于可变载荷而言，其主要包括地铁乘客的重力载荷、地面车辆的载荷以及斜向载荷，由于各种压力都是在持续发生变化的。在进行地铁设计与建设过程中，人们必须要充分考虑上述各种压力，深入分析其组合效应可能对地铁结构造成的影响，只有这样才能够保障地铁在后期运营中的安全。

2 地层环境变化对地铁结构设计的影响

2.1 地下工程的影响

地层环境变化会直接影响到地铁地下工程部分，在地下空间进行施工时，最主要的一项施工内容就是要不断的进行土层的卸载，在这个过程中，应力场也会不断发生变化，地下施工其实就是要打破原有的土层平衡环境并进行重建。为了更加深入的研究地下开挖对地铁结构设计造成的影响，我们可以假设在地铁结构底板下4米处有一条隧道经过，且隧道的半径为7米，与地铁站的走向正交，该隧道的存在会使地铁站的地基基床系数大幅度下降，在这种情况下，即使做一些支护措施，也不能避免土层的松动和下降，这必然会严重影响地铁站的内力。经过深入研究计算可知，地层环境的变化并没有对地铁结构内力造成较大影响，但是其顶部的轴力与之前相比有所减小，且底板及柱轴力有所增加，顶板、柱节点以及底板处的弯矩均有所增大，侧墙上部的弯矩减小、下部增大。通过对有关数据分析可知，地铁下方开挖的隧道会对其产生以下几种影响：首先，地铁底板以及柱的轴力增加的幅度相对较小，而中板以及顶板内测节点处的弯矩增加的幅度相对较大，另外，底板以及底板跨中弯矩增加的幅度最大。因此在对地铁进行设计与建设时，应着重考虑底板的强度及抗变形能力，相关设计和建设人员必须要对此引起高度重视，尽可能避免环境变化对地铁结构设计造成的不利影响。

2.2 地面工程影响

地铁沿线一个主要特点就是经济及交通比较发达，这就说明地铁沿线的各种路面施工作业相对频繁。在这种情况下，各种施工作业必然会对地层环境造成影响，进而会在一定程度上影响地铁结构设计。例如，当地铁上方有施工作业时，就会破环地下结构原有受力平衡，而地面工程对地层结构造成的影响是非常复杂且不确定性，其对地铁结构的影响也是比较复杂的。根据相关经验可知，如果在地铁线的左上方存在地面工程，其会造成地铁顶板左跨，并且中板以及顶板的轴力也会有明显的增加；如果在地铁线的右上方存在地面工程，那么就会造成地铁顶板右跨，同时也会增加中板以及顶板的轴力。这也就说明，无论地面工程位于地铁线路的哪一方，都会改变地铁内力原有状态。因此在进行地铁的设计时，人们必须要对此进行充分的考虑，不仅要满足地铁结构的基本受力要求，也要为后期可能出现的应力变化留出充足空间，另外还需要考虑顶板的抗变形能力，尽可能避免由于应力的变化而造成地铁结构变形。

2.3 地下水位上升的影响

在地铁结构设计中，不仅考虑各种应力变化所带来的影响，同时还需要充分考虑地下水位变化所带来的影响。地下水位的变化会对地铁结构的应力以及承载能力造成一定影响，通过调查研究发现，当地下水位升高时，地铁的结构底板及中板弯矩也会随之增大，同时轴力也会随之升高。因此在地铁结构设计中，必须要充分考虑地下水位变化带来的影响，提高防范意识。另外，从相关的数据可以发现，当地下水位上升时，中板弯矩的增加幅度会小于顶板以及底板弯矩的增加幅度。当地下水位高于顶板时，地铁结构中的大部分弯矩都会发生变化，由于中板相对比较独立，因此其形变相对较小，这也就说明，地下数位的变化对于地铁中板的影响并不是很大。

3 降低地层环境对地铁结构设计影响的措施

3.1 在地下土层角度进行解决

在进行地铁结构的设计时，应充分考虑地下土层变化所带来的影响，在对相关数据进行计算时，要尽量采用多钻孔结构计算方法，从钻孔中选出最不利于钻孔进行结构的选型和配筋。如果施工现场的土层中存在软土，相关人员必须要对其成分以及数量进行分析计算，并及时的采取相应的解决措施。

3.2 从地下水位角度进行解决

首先，在地铁的建设过程中要做好止水工作，要根据施工现场的实际情况来选择合适的方式进行止水，其中使用最多的方法就是搅拌桩、地连墙或者通过降水井对基坑实施人工降水等，另外，有些地铁项目通过顶部设置挡水墙的方式来实施降水，无论采用哪种止水方式，必须要确保地铁能够安全有效的运行；其次，在地铁结构的设计过程中，人们也要充分的考虑地铁结构的抗浮能力，避免地铁在地下水位较高的情况下出现上浮现象，如果地铁结构的抗浮能力不能满足相关的要求，那么在设计的过程中必须要采取相应的抗浮措施，例如，可以在地铁结构底板下设置一定数量的抗拔桩；最后，要做好地铁的防水设计，在地铁项目的施工过程中，可以采用较好的防水材料，另外，要对地铁结构中的特殊部位和节点进行重点的防水设计。如果没有做好防水工作，不仅会造成经济财产损失，严重时甚至会威胁到乘客的生命安全，因此，做好地铁结构的防水工作是十分重要的。

3.3 施工与设计相结合

在地铁的建设过程中，设计人员需要对其进行监督跟进，在确保施工进度的同时，也要监督施工内容是否符合设计要求，一旦发现施工与设计计划不符，或者施工地质情况与设计要求不符的现象，必须及时的通知相关的施工单位以及建筑单位，待商议决定后再进行施工，以免影响到工程的质量。

4 结束语

总而言之，地层环境的变化会对地铁结构的设计造成非常不利的影响，因此，在设计的过程中必须要做出全方位的考虑，对各种不利影响进行预测和分析，并在设计时给予相应的解决措施，只有这样才能够使地铁在建设与施工过程中处于安全稳定的状态。

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