浅埋地铁车站结构内力影响因素分析

摘 要：本文以我国某一浅埋车站工程项目建设为例，对浅埋地铁车站结构内力影响因素进行深入分析。这一工作开展是非常重要的，只有在深入了解地铁车站结构内力影响因素的基础上，才能保证浅埋地铁车站结构设计、应用的安全性，加强浅埋地铁车站建设施工质量控制。本文就是对相关内容进行深入分析，希望对相关人员有所启示。

关键词：浅埋；地铁车站；结构内力；影响因素

引言

城市地铁是城市交通运输体系的命脉所在，与城市现代化建设发展有着非常紧密的联系。很多地铁车站项目因为埋深程度较小，属于浅埋地铁工程项目。设计人员在对此类工程项目结构进行设计时，通常都会采用分项系数设计方法，设计人员并没有深入分析地层环境改变对结构内力可能造成的影响。对于复杂多变的城市环境，设计人员必须要对该问题进行深入反思，这样才能避免对浅埋地铁车站工程项目建设施工质量造成损害。对浅埋地铁车站结构内力影响因素进行探究是具有重要意义的，下面就对相关内容进行详细阐述。

1 浅埋地铁车站工程项目建设概述

在浅埋地铁车站工程项目建设中，地下水对结构设计人员造成了很多困扰，对结构应用安全有着较深影响。地下水位情况会对浅埋地铁车站基础施工方法有着直接影响，地下水位还会影响结构的应力情况，对结构设计人员抗浮计算造成很多负面影响。导致城市地下水位发生变化的影响因素有很多，笔者通过相关文献明确了结构设计与地下水位之间的联系，了解到了浅埋地铁车站防水设计水位与计算地下水位过程中需要考虑的地下水、地表水最不利情况，以及其变化特性。地下水位回升过程中，会导致地层中水压压力增强，导致边墙结构处于最不利的受力情况中，这一阶段车站结构构件很有可能因为强度性能不足发生严重破损。浅埋地铁车站设计人员必须要针对地下水位对浅埋地铁车站结构的影响情况找寻有效措施进行改善。笔者通过文献资料调查了解到，目前文献资料研究中并没有考虑到地下水位连续上升对浅埋地铁车站额影响程度，同时对水位在结构顶板上变化对结构内力影响也没有进行详细阐述。所以地下水位在合理变化范围内对浅埋地铁车站的影响还需要进一步研究。结构设计人员需要注重浅埋地铁车站下部结构承受的水压力不仅会受到地下水位高度影响，同时也会受到水压力折减因数的影响，结构设计人员只有综合考虑才能保证浅埋地铁车站结构设计的合理性、科学性。

对以往浅埋地铁车站结构设计进行分析，很多车站结构都采用了直立式边墙结构体系。直边墙结构的抗侧压力性能较低，这也是该结构的劣势所在。城镇化建设脚步不断加快，城市环境大规模的改动，城市浅层地层发生了较大程度的改变。科研工作人员研究了土层侧向抗力、侧向土压力对隧道衬砌力学行为的影响，研究结果证明，土层侧向抗力与侧向土压力对浅埋地铁车站结构内力的影响很大，特别是对结构弯矩的影响，这一因素会导致浅埋地铁车站工程造价产生较大浮动。应用直立边墙结构体系建设的浅埋地铁车站项目结构受力情况与圆环隧道结构受力情况进行比较，结构受力情况更加不乐观。但是这些因素对浅埋地铁车站结构受力的影响程度以及影响规律都是不明确的，还需要科研工作人员加强研究力度。从以上内容中可以了解到，地下水位、水压力折减因数、土层侧压力等众多因素都会对浅埋地铁车站结构应力情况造成较深程度影响，并且这些因素的影响规律也不是很明确。本文以某一浅埋地铁车站项目建设为例，对浅埋地铁车站设计计算方法进行深入分析，并且研究了地下水位等众多因素对浅埋地铁车站结构内力的影响，从而保证浅埋地铁车站结构设计的科学性、合理性，保证浅埋地铁车站工程项目建设施工质量可以达到国家规定标准。

2 地铁车站结构计算分析

2.1 浅埋地铁车站结构的主要荷载分析

2.1.1 竖向荷载

浅埋隧道因为埋设深度较浅、覆盖层厚度并不是很大，导致隧道会较深程度的受到地表因素的影响，所以浅埋隧道荷载计算会与深埋隧道荷载计算存在较大的差异性。隧道上部覆盖的土层会形成一定的土压力荷载，这些荷载也会施加到浅埋地铁车站的结构上。若是上部覆盖的土层厚度较薄，为了保证结构的安全性，可以选择水稻上部覆盖全部土柱重量作为垂直土压力荷载。如果土雍穸瘸过了塌落拱高度但是没有达到深埋隧道规定范围内时，结构设计人员需要深入考虑周围土体对松动土体的约束作用力，不然结构设计人员会导致压力值计算过大情况产生。浅埋地铁车站工程项目的埋深程度很浅，并且上部覆盖土壤塑性区开展达到了地表，所以工程项目结构会较大程度的受到地面荷载的影响。地面荷载向下部区域进行传递时，荷载传递会受到土层阻力扩散作用的影响。如果地下工程上部覆盖土层厚度较小时，为了提升地下结构应用的安全性，设计人员可以考虑将地面荷载直接引入到工程项目结构上。但是如果上层覆盖厚度较大，但是并没有达到深埋地下工程项目要求时，设计人员需要对松动土体的约束阻力进行深入分析，科学计算出浅埋地铁车站工程项目地下结构受到的真实荷载，从而为结构设计工作开展提供重要依据。

2.1.2 侧向荷载

浅埋地铁车站工程项目侧向荷载包含内容较多，其中包括了侧向土压力和土层弹性抗力。结构设计人员对侧压力因数K的选择对浅埋地铁车站结构设计有着重要影响。通常情况下地铁车站基坑开挖施工与回筑阶段，设计人员普遍会采用主动土压力的方式，但是在使用阶段结构设计人员则需要对计算方式进行转变，采用静止土压力计算方式，对k值可能造成影响的因素包括了施工区域土层性质。支护结构的实际位移情况以及区域软土的流动性等等。不同的土层静止侧压力因素值是不同的，但是在工程项目实践过程中发现，土压力实际测量值与工作人员应用专业理论和以往丰富工作经验计算出的数值存在很大的差异性，这一情况在软土区域浅埋车站工程项目建设中更为明显。侧压力因素并不是保持不变的，它会受外界因素影响而发生变化。地下建筑周围进行开挖施工，或者新的建筑工程项目投入建设施工时会对施工区域原有的应力情况造成影响，最直接的体现就是土层侧压力因数发生较大程度改变。但是以往浅埋地铁车站结构设计人员在设计过程中只是考虑到了某一固定侧压力因数和弹性抗力系数，并没有深入分析侧向荷载变化对工程地下结构应力产生的影响，从而导致计算失误，损害了工程项目结构设计的科学性。

2.1.3 水压力荷载

目前浅埋地铁车站设计中，设计人员考虑的不够全面化、严谨化，只是对某一固定水位作用力进行了深入分析，将地下水压力看作是恒荷载。但是城市地下水位是不断发生变化的，在外部因素的影响下，城市地下水位也会发生变化，从而改变地下水压力的大小，水压力折减因数对地下水压力值也会造成较深影响。水压力折减因素会受区域水文地质环境、土壤渗透条件等众多因素影响而发生改变，水压力荷载情况也会有所调整。设计人员如果只是将水压力荷载看做是恒荷载是非常不科学的，计算过程中必须要考虑到水压力荷载具有的变化特性。

2.2 计算模型

某一城市地铁车站项目建设采用的是地下二层岛式站台，车站主体结构标准段结构确定为单柱双跨矩形框架结构，横向净跨长度达到了十七点六米，主体结构施工汇总主要是应用了明挖顺作的施工方法，主基坑土方开挖深度达到了十五米以上，维护结构采用的是人工挖孔灌注桩，桩体结构之间的间距确定为1.5米，设计中要求桩体结构可以嵌入风化基岩层四米。结构计算过程中为了保证计算的精准性和便捷性，降低人为因素导致计算误差较大，设计人员应用了通用性较为良好的有限元计算软件ANSYS，利用荷载结构模型进行计算。周围结构与内衬墙结构设计人员会依据重合墙模式考虑，在两者之间还需要进行防水隔离层的设置。工程项目实际施工阶段，围护结构会承担水、土压力。但是在工程项目实际应用阶段，水压力则是由内衬墙结构承担的，土压力则是会作用于内衬墙结构与围护结构二者上。围护结构与内衬墙结构二者之间存在着非常紧密联系，由链杆进行模拟，二者之间只会进行压力的传递，当存在拉应力时消除链杆。

2.3 主要计算参数

主要荷载：有结构自重、地层压力、设备重量、人群荷载、地面车辆荷载及其冲击力等。地层压力：该车站的上覆土层只有2.5m，为安全计，按计算截面以上全部土柱重量作为垂直荷载，取覆土重度γ=20kN/m3。本文计算针对使用阶段，结构承受的水平力按静止土压力计算，采用水土分算模式计算。地基反力：对于明挖车站地基反力的大小和分布规律，采用文克尔假定，根据所采用的计算简图在计算中以弹簧模拟地基反力，将车站底板按弹性地基板考虑。弹簧刚度Kc按地基垂直抗力系数K乘以弹簧等效作用面积A取值，即Kc=K・A设备荷载：设备区按8kN/m2计算，对个别超重设备考虑其运输路径对结构的影响。地面超载：地面超载按20kN/m2计算。地铁车辆荷载：列车荷载取20kN/m2计算。站内人群荷载：站台、站厅、楼梯、车站管理人员用房等部位的人群荷载按4kN/m2计。

2.4 计算结果及分析

顶板在正常应用过程中，弯矩、剪力在中支座位置可以达到最大值，底板板端处也可以达到最大值，站台层侧墙下部会存在较大程度的弯矩和剪力情况。考虑到以上内容面，浅埋地铁车站结构设计人员在设计过程中必须要选择合理的结构形式，这样才能将不良影响控制在最小范围内，较大程度的保障结构应用的安全性。中板最大弯矩程度较小，甚至达不到顶板最大弯矩的百分之二十，所以中板厚度设置较小符合工程项目建设的要求，不会对浅埋地铁车站结构内力造成不良影响。围护结构在第下二层范围内会存在较大程度的弯矩和剪力，施工过程中施工现场管理人员需要加强施工现黾觳饬Χ龋对第下二层结构应力情况进行严格掌控，从而保证浅埋地铁车站施工现场的安全性，避免结构发生坍塌对施工现场工作人员生命安全造成较大威胁。

3 结构受力影响因素分析

3.1 地下水位的影响

基坑开挖施工工作开展前，施工技术人员必须要对施工区域进行降水处理，从而降低地下水层的高度。这一目的不仅是为了保证基坑开挖施工工作可以顺利开展，同时也是为了保证施工现场的安全性。地下建筑实际应用阶段，地下水位会受众多因素影响而发生改变，以往结构设计人员在设计中更多是考虑某一固定水位，并没有意识到地下水位变化情况，所以设计人员需要深入考虑水位变化程度对工程项目结构受力的影响。

工程项目主体结构建设完成后，地下水位高度会逐渐的回升，工作人员需要分别选取地下水位深度在底板深度以下10.5m、7.45m、5m、2.5m、1.5m、0.5m时进行计算，对计算结果进行分析从而了解工程项目结构构件最大弯矩与地下水位深度之间的关系。经过实际分析了解到，如果地下数位深度达到了结构顶板位置，工程项目结构构件弯矩会存在一个相应的转折点，这也代表着地下水位对结构弯矩有着较深程度的影响。如果地下水位深度超过了结构顶板水平高度，浅埋地铁车站主体结构中出了中板结构之外，其它工程项目结构构件的最大弯矩都会发生改变、有所提升。地下水位高度改变对浅埋地铁车站站厅侧墙与顶板结构的弯矩影响是最为突出的，站台侧墙弯矩、底板结构受地下水位影响要比上述二者低一些。中板处于工程项目主体结构内部，所以地下水位对其的影响程度较小。如果工作人员忽略水压作用的影响，只是考虑最高地下水位时，站厅侧墙弯矩程度可以增加百分之五十以上，顶板、底板结构弯矩会增加百分之二十左右，但是中板结构弯矩程度会有所降低，下调幅度约为百分之三左右。浅埋地铁车站结构设计人员在设计工作开展中，必须要慎重考虑地下水位对工程项目结构内力的影响。地下水位发生变化，工程项目主体结构构件的弯矩值也会产生较大程度变化。若是工程项目建设施工区域地下水位较浅，要深入研究水位变化情况对结构可能造成的影响，从而有针对性的对工程项目结构设计方案进行调整，保证结构设计方案的优质性、适用性。

3.2 地下水压力折减因数的影响

目前，对作用在地下结构上的地下水压力取值有较大的分歧：通过试验研究认为地下水压力应该取全部静水头而不能折减；也有一些学者认为地下水压力要折减并且发展了多种地下水荷载计算方法。其中折减因数方法简单方便，在实际设计计算中应用广泛。目前关于深埋隧道外水压力的研究较多见，对于浅埋地下工程特别是浅埋地铁车站则较少。本文选取水压力折减因数分别为0、0.2、0.4、0.6、0.8和1.0进行计算分析，研究了水压力折减因数对浅埋地铁车站结构弯矩的影响。随着水压力折减因数增加，中板最大弯矩减小；其它构件最大弯矩都随之增加，并且呈线性关系。水压力折减因数对站厅侧墙影响较大，其次为底板和站台侧墙，而对顶板和中板影响较小。当水压力折减因数为0，即不考虑水压作用时，相对水压力折减因数为1.0（水压不折减），站厅侧墙最大弯矩减小约20.7%，而中板最大弯矩增加约2.9%。

3.3 侧压力因数的影响

基坑在施工过程中，侧压力因数会受时空效应影响而发生变化。在使用过程中，侧压力因数也会因为受力改变、变形发展、地下水等因素的影响发生变化，因此应该了解周围土的侧压力因数变化对主体结构的影响。本文选取侧压力因数分别为0.3、0.5和0.7进行计算。由于地面超载等因素影响，浅层土的侧压力因数可能出现大于1.0的现象。因此，本文计算的浅埋地铁车站也考虑侧压力因数为1.0和1.2时的情况。土体侧压力因数增大，站台侧墙、站厅侧墙和底板的弯矩随之增大；而顶板、中板弯矩随之有小幅减小，并且呈线性关系。侧压力因数增加对站厅侧墙弯矩影响较大，而对顶板和中板影响最小；侧压力因数从0.3增加至1.2，站厅侧墙弯矩增加约23%，顶板和中板弯矩减小5%左右。于施工扰动等因素，实际侧压力因数可能与地质报告提出的值相异，并且容易发生变化，因此要正确考虑侧压力因数变化对结构的影响。

结束语

浅埋地铁车站埋深较小，受外界影响因素较大。而城市环境的复杂多变，也影响着浅埋地铁车站结构的受力。本文以某地铁车站为计算实例，分析了浅埋地铁车站结构荷载取值、结构计算等问题，并利用有限元计算程序，分析了地下水、侧压力因数等因素对结构受力的影响。结果表明顶、底板在板端和中支座有较大的弯矩和剪力，要合理设计，采用合适的结构构造。中板承受弯矩较小，可以采用较小的厚度。当地下水位在结构顶板以上时，对结构有较大影响。水压力折减因数和侧压力因数对结构弯矩的影响呈线性关系，并且对不同的构件有不同的影响。，并且弹性抗力系数对结构弯矩的影响呈非线性，随弹性抗力系数增大，站厅侧墙弯矩增加较大，而其它构件有小幅减小，增大值和减小值随抗力系数的增大而减小。

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