地下水位變化對地鐵車站主體結構的影響研究

王志杰，何晟亞

(西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031)

地下水位變化對地鐵車站主體結構的影響研究

王志杰，何晟亞

(西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031)

為了研究地下水位對地鐵車站主體結構的影響，利用ANSYS數值模擬計算在基本荷載組合情況下，不同地下水位的地鐵車站主體結構的最大內力值和偏心距。通過比較分析，可以得到不同的地下水位情況下頂板、中板、底板以及側墻的軸力和彎矩變化小，但是中板的偏心距在地下水位距地表10 m，在頂板以下6 m時，有一個最大峰值。雖然地下水位的變化對地鐵車站主體結構的影響小，但是仍需對底層中柱底部進行加固。

地下水位 車站主體結構 數值模擬 最大內力值 偏心距

隨著我國經濟的高速發展，很多城市都開始進行地鐵建設。地鐵建設之初，需要開展一些基礎性研究工作，例如計算模型的確定，荷載的確定，施工工法的確定和地下水位變化對地鐵車站的影響等等。而地下水位的變化，可以由多種原因產生，其中包括季節性降雨，過量使用地下水等等［1-5］。季節性降雨會使地下水位在某段時期上升，而過量使用地下水，則會使地下水位下降。通過對國內外案例的分析，地下水位的下降將會引起地表沉降;而地下水位的上升，將會引起地下結構的上浮、結構的腐蝕、滲水和開裂等等［6］。無論是地下水位的上升和下降，都會引起結構受力的變化，從而引起主體結構內力和偏心距的變化［7］。此內力和偏心距的變化規律以及是否影響地鐵車站主體結構安全，是一個值得研究的問題。

地下結構的計算大體可以分為兩類，一類是荷載結構模型，另一類是地層結構模型。針對不同的情況，選用不同的模型進行計算。由于地鐵車站位于城市中，其埋深較淺且有時會采用明挖法［8］，考慮到結構被動地承受圍巖松動所產生的荷載，地鐵車站上覆的土層荷載、底板荷載以及側向荷載都可以確定，所以對此情況采用荷載結構模型。

1 工程概況

某地鐵車站處于砂卵石地層中，結構為兩層雙等跨單柱形式。由于環境條件允許，所以采用明挖法施工。主體結構采用強度等級為C30的鋼筋混凝土，保護層厚度為 60 mm。車站主體結構底板埋深為15.25 m，頂板埋深為4 m，其結構每跨為9.05 m，負一層高度為4.90 m，負二層高度為6.35 m。具體的土層參數見表1。由于地下水位的變化，可以將工況分為11個，地下水位分別為 1，2，3，4，5，6，8，10，12，14，16 m。不同工況下地鐵車站設計橫斷面示意如圖1。

表1 土層參數

2 荷載組合計算

地鐵車站主體結構荷載組合分為兩類，分別是基本荷載組合和標準荷載組合。對于地下水位變化引起的主體結構內力的變化規律，可以選取在基本荷載組合下的地下結構進行研究。根據《工程結構可靠性設計統一標準》的規定進行相應的計算。其中基本荷載組合的計算公式為

圖1 不同工況下地鐵車站設計橫斷面示意

式中:SGik為永久作用標準值中的第 i個效應;SP為有關代表值的預應力作用效應;SQ1k為第1個可變作用(主導可變作用)標準值的效應;SQjk為可變作用標準值中的第 j個效應;γGi為永久作用中第 i個的分項系數;γP為預應力作用的分項系數;γQ1為第1個可變作用(主導可變作用)的分項系數;γL1，γLj為第1個和第 j個考慮結構設計使用年限的荷載調整系數，對設計使用年限與設計基準期相同的結構，應取γL=1，房屋建筑的設計使用年限為100年時應取該系數為1.1。γQj為可變作用中的第 j個分項系數;ψcj為可變作用中的第j個組合系數。

由以上公式可以計算出11個工況的基本荷載組合，見表2。

表2 11個工況中主體結構的基本荷載組合 kPa

3 數值模擬分析

3.1 ANSYS數值模型

利用ANSYS對本車站進行主體結構的數值模擬計算，首先采用荷載結構模型進行建模。利用Link10單元來代替地基反力，并設定該單元僅受壓，計算中不考慮其受拉。另外，由于本模型與荷載組合均為正對稱，理論上中柱處沒有水平位移，所以在中柱的底端施加一個水平方向的約束。為了使模型的計算精度提高，以每個單元0.5 m進行劃分，建模后模型的單元數為270(其中包括了地基彈簧單元)，網格節點數為267。

3.2 結果分析

在11個工況中，地鐵車站在基本荷載組合情況下的各部分軸力最大值的變化趨勢見圖2，各個工況中各部分彎矩最大值的變化趨勢見圖3，各個工況中各部分偏心距變化趨勢見圖4。在ANSYS計算中，所得到的彎矩圖與軸力圖均呈正對稱，而剪力圖呈反對稱，此與理論一致。由圖2—圖4可知:

1)在地下水位變化的情況下，地鐵車站主體結構的最大軸力和最大彎矩出現的位置均沒有發生變化。最大軸力發生在負二層中柱底部，而最大彎矩發生在負二層底板與中柱底部連接處。

2)隨著地下水位的下降，頂板軸力的最大值沒有太大的變化，基本處于穩定狀態;中板軸力的最大值緩慢增加，在工況8之后維持穩定;底板軸力的最大值持續緩慢增大。側墻的軸力最大值在工況4之前持續增加，但在工況4之后基本沒有變化，保持穩定。

圖2 軸力最大值的變化趨勢

圖3 彎矩最大值的變化趨勢

圖4 偏心距的變化趨勢

3)隨著地下水位的下降，頂板彎矩的最大值先增大，后保持穩定，基本沒有變化;中板彎矩的最大值基本保持穩定，沒有太大的變化;底板彎矩的最大值先減小，后保持基本穩定。側墻彎矩的最大值在工況8之前緩慢增加，但在工況8之后穩定不變。

4)隨著地下水位的下降，頂板的偏心距保持穩定，沒有明顯的變化;中板的偏心距逐漸增加，特別是在工況8時，達到最大峰值，之后在工況9，10，11時穩定平緩，但是總體上，偏心距還是增加了;底板的偏心距緩慢增加。側墻的偏心距基本保持不變，相對各部分而言，其偏心距最小。

5)當地下水位越靠近中板，中板的偏心距就越大，在工況8時達到一個最大峰值。

4 結論

采用ANSYS數值模擬分析在地下水位變化的情況下地鐵車站主體結構內力以及偏心距的變化規律，通過對比內力與偏心距數據可以得到以下結論:

1)隨著地下水位的變化，地鐵車站主體結構的受力也發生了變化，從而導致了內力也發生變化，但是這種變化較為穩定。

2)隨著地下水位的變化，軸力和彎矩的波動都很小，基本上保持緩慢上升或者平穩的趨勢。但是對于中板的偏心距而言，其變化較大，產生了一個較大的峰值。

3)在施工過程中，由于軸力和彎矩的最大值均發生在地鐵車站底層的中柱底部，所以要加大該處的剛度，盡量減小該處的軸力和彎矩。

4)由于軸力與彎矩的變化并不大，所以地下水位的變化對地鐵車站主體結構的影響小。

［1］鄧睿．地下水位變化對路基穩定性影響分析［J］．鐵道工程學報，2014(1):37-41．

［2］譚新平，方文俊，王小秋．西安市地下水位變化對工程的影響［J］．陜西建筑，2010(7):55-59．

［3］成璐，許模，毛邦燕．成都地鐵2號線對地下水的影響評價［J］．路基工程，2009(1):128-129．

［4］毛邦燕，許模，唐萬春，等．地鐵建設中地下水與環境巖土體相互作用研究［J］．人民長江，2009，40(16):49-52．

［5］楊曉婷，張徽，王文科，等．地下工程建設對城市地下水環境的影響［J］．鐵道工程學報，2008(11):6-10．

［6］董軍，宋文杰，崔玉萍，等．地下水與隧道施工對既有地鐵車站結構影響研究［J］．施工技術，2013，42(增):281-285．

［7］羅富榮，劉赪煒，韓煊．地下水水位上升對地鐵隧道結構的影響［J］．中國鐵道科學，2011，32(1):81-85．

［8］劉魁剛，王文正，裴書鋒．砂卵石地層淺埋暗挖法快速施工技術［J］．現代隧道技術，2011，48(5):115-120．

(責任審編 趙其文)

U231+.4

:ADOI:10．3969/j．issn．1003-1995．2015．08．18

2014-07-10;

:2015-05-18

中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(SWJTU11ZT33)

王志杰(1964— )，男，山西萬榮人，教授。

1003-1995(2015)08-0061-03