探讨地层环境变化对地铁结构设计的影响

探讨地层环境变化对地铁结构设计的影响

摘要：城市环境复杂多变, 地层环境的变化对浅埋地铁车站结构受力会产生影响。通常在设计地铁结构时，只把结构承受的各种外部荷载乘以相应的分项系数得到荷载效应组合。虽然分项系数考虑了每种荷载的概率分布，但并不能考虑未来地铁车站在使用过程中由于周边环境变化造成的影响。

关键词：地层环境；地铁；结构设计

一、工程概况

某地铁车站为双岛四线地下车站，为两条地铁线路的换乘站。车站有效站台宽12m，有效站台长140m，地下共两层，其中地下一层为站厅层，地下二层为站台层。本车站有效站台中心里程处顶板覆土厚度为4.28m，有效站台中心里程处底板埋深为17.47m，底板下设置有抗浮桩。地质详勘报告显示，车站范围内上覆第四系人工堆积层(素填土)、冲洪积层、坡积层、残积层，下伏侏罗系凝灰质砂岩，震旦系混合岩。表层素填土性质不均匀；风化岩和残积土分布较广，遇水易于软化；地处断裂带，岩石较破碎。地下水埋深1.50～5.40m。

二、荷载工况分析

(一)荷载概况

作用在地铁车站结构上的荷载包括永久荷载、可变荷载和偶然荷载。结构的计算荷载必须选择使结构整体或构件的应力为最大、工作状态为最不利的荷载组合。对于浅埋地下铁道结构，研究荷载基本组合和标准组合(仅考虑永久荷载和可变荷载)最有意义。

为确保地铁车站结构在施工阶段和正常使用阶段的安全，需对施工阶段和正常使用阶段的受荷情况进行详细分析和比较，选取对结构具有长期影响的最不利荷载工况作为重点分析对象。结合本地铁车站的实际情况，本工程计算不考虑地面车辆荷载和偶然荷载。因此作用在地铁车站结构上的荷载及其组合如表1所示。本工程计算采用基于可靠度理论的极限状态法进行设计，荷载基本组合进行承载力极限状态验算，荷载标准组合进行结构构件的裂缝宽度验算。

表1 荷载分类及其组合

(二)荷载计算工况

地铁车站主体结构从施工到使用整个过程结构构件受力复杂。根据结构的受力分析和同类工程的经验类比，出入口通道等附属结构还没开挖为车站主体结构最不利工况，本文主要考虑地铁车站主体结构标准段在施工阶段和正常使用阶段

两种工况的内力分析。

车站结构施工阶段(刚竣工阶段)计算荷载工况：顶板上覆土按 2.0m考虑，考虑地面超载；中板施加施工荷载；底板施加水压力；主体结构侧墙和地下连续墙共同承受全部的侧向水土压力。此时侧向压力为主动土压力，地下水位为常水位，取至地面以下1m标高处。

车站结构正常使用阶段(变形稳定后状态)计算荷载工况：顶板上覆土按2.0m 考虑，考虑地面超载；中板施加装修荷载、轨顶风道折算荷载、吊顶荷载、人群荷载；底板施加水压力；主体结构侧墙和地下连续墙共同承受全部的侧向水土压力。此时侧土压力经过长时间调整后达到最大值，为静止土压力，地下水位为洪水位最不利状态，取至地面标高处。因地下连续墙作为支护结构的同时，又作为永久结构的一部分，考虑在长期使用过程中外部荷载因材料性能的退化和刚度下降向主体结构侧墙的转移，故地下连续墙在正常使用阶段刚度按50%折减。

三、地下车站主体结构内力影响因素研究

(一)梁板刚度比的影响分析研究

对于设纵梁的地铁地下车站，采用传统的横断面计算法是不够合理的。传统的横断面计算法忽略了板与纵梁的协同受力作用及两者相对刚度对结构内力的影响，忽略了纵梁两边板的纵向弯矩作用，也忽略了支座处和跨中处板横向受力的差异，致使板的横向弯矩和纵梁的弯矩偏大。横断面计算法结果的真实性同各层板与其相应的纵梁的刚度比有很大的关系。一般来说，板厚与纵梁梁高之比介于0.2~0.5之间时，板对纵梁受力的影响是不容忽略的。这也进一步说明了在进行地铁车站结构设计中，应利用空间计算方法对车站结构进行分析，全面考虑各构件的协同工作，合理地调配梁板刚度比，使计算结果更加符合结构的真实受力状态。

定义梁板刚度比β：

式中E——混凝土的弹性模量(MPa)；Il——纵梁截面惯性矩(m4)，Il=blhl3/12，bl为纵梁梁宽(m)，hl为纵梁梁高(m)；Ib——车站每延米板的惯性矩(m4)，Ib=t3/12，t为板厚(m)。

根据上式，保持纵梁梁宽bl不变，通过调整各层板厚度t，得出各层板纵梁的梁高hl。

(二)梁柱刚度比的影响分析研究

地铁车站作为一个复杂的空间结构属于超静定结构，其内力大小除取决于荷载的大小形式外，还取决于结构构件自身刚度以及与其相连的其他结构构件刚

度，而结构构件刚度依赖于其截面尺寸。

定义梁柱刚度比γ：

式中E——混凝土的弹性模量(MPa)；

Il——纵梁截面惯性矩(m4)，Il=blhl3/12，bl为纵梁梁宽(m)，hl为纵梁梁高(m)；

Ic——柱截面的惯性矩(m4)，Ic=bchc3/12，bc为柱截面宽(m)，hc为柱截面高(m)

由上式可知，在γ、bc和hc不变的情况下，纵梁梁宽bl和纵梁梁高hl成反比。考虑到顶板纵梁和底板纵梁承受的荷载较大，需设计较大梁高值，而中板纵梁承受的荷载较少，同时为减少其梁高值，故在不同梁柱刚度比γ下，各层板纵梁梁宽均保持不变，且顶板纵梁梁宽由原来的1.2m减少为1.1m，中板纵梁梁宽由原来的0.9m增大为1.0m，底板纵梁梁宽由原来的1.2m减少为1.0m。

根据顶板纵梁bl=1.1m，中板纵梁梁宽bl=1.0m，底板纵梁梁宽bl=1.0m，通过调整柱截面高hc，得出各层板纵梁的梁高hl。

(三)弹性抗力系数的影响分析研究

地铁车站埋置于岩土中，在荷载作用下结构底板产生变形，周围岩土体会约束底板变形，即对底板产生抗力作用。抗力作用的大小跟岩土弹性抗力系数K 有关。岩土弹性抗力系数是地下结构工程中一个很重要的参数。弹性抗力系数(亦可称为基床系数或者地基反力系数)是岩土体产生单位位移时所需要的作用力。它主要用于模拟岩土与地下结构的相互作用，其值的大小和分布形式直接影响到地下结构的内力和变形，岩土弹性抗力系数对工程造价和结构安全可靠性均有很大的影响。岩土弹性抗力系数不仅与岩土层的物理力学性质有关，还与不同的试验方法手段、地下结构施工方法、地下水位、地下结构埋深等多种因素密切相关，弹性抗力系数随地下结构变形位移的变化而变化，总的来说是随着地下结构变形位移的增大而呈现非线性衰减。因此，在工程实践中，岩土弹性抗力系数是一个不容易确定的参数。

不同的实验条件、不同的试验方法和不同的取值比例计算出来的岩土弹性抗力系数会有很大的差别，原位测试、室内土工试验、经验公式以及理论公式等计算出的岩土弹性抗力系数的方法均有其适用条件和精度要求，这需要科研设计人员根据实际工况进行确定。在实际工程设计和施工过程中，弹性抗力系数主要通过试验手段或者工程经验来确定的，而且把它作为一个固定不变的值来进行处理。因实际岩土抗力作用比较复杂，用一个不变的弹性抗力系数来模拟岩土抗力作用是不合理的。