關(guān)于地鐵地下結(jié)構(gòu)設(shè)計的思考分析

蒲江博　趙艷

摘要：城市的地鐵建設(shè)給百姓日常工作與生活帶來的極大的便利，同時活躍了地鐵沿線的經(jīng)濟活動。目前全國除直轄市和省會城市外有近50個三線城市開始或準(zhǔn)備修建地鐵，隨著我國地鐵建設(shè)的蓬勃發(fā)展，地鐵設(shè)計規(guī)范也在不斷更新和完善，設(shè)計隊伍不斷擴大，建設(shè)管理逐漸趨于完善。本文通過對規(guī)范和相關(guān)資料的學(xué)習(xí)結(jié)合積累進行了一些地鐵地下結(jié)構(gòu)設(shè)計的思考，以供參考。

關(guān)鍵詞：地鐵；地下結(jié)構(gòu)；設(shè)計

1評估地鐵抗震性能與地下結(jié)構(gòu)破壞模式

在地下結(jié)構(gòu)抗震的基本理論當(dāng)中，動力時程分析法可視為有效的分析方式加以運用，但對于其結(jié)構(gòu)極限承載力與常規(guī)抗震工程設(shè)計方面的評估，依舊需要研發(fā)出實用且簡單的分析方式。當(dāng)下應(yīng)用廣泛的彈塑性分析法有三種，依次為靜力彈塑性、動力時程以及靜力增量等分析法，其中相對簡單的便是靜力增量分析法，但其也有缺陷，在于其未能對地震結(jié)構(gòu)和作用特性間的關(guān)系進行考慮；動力時程分析法主要是對地震反應(yīng)時的結(jié)構(gòu)進行計算時，其表現(xiàn)出變形與內(nèi)力的狀態(tài)，由此得出結(jié)構(gòu)開裂的順序，再通過發(fā)現(xiàn)應(yīng)力和變形聚集所處之處，最后計算得出可能導(dǎo)致破壞的類型、屈服機制以及其結(jié)構(gòu)較為薄弱的環(huán)節(jié)，盡管此種計算方式相對而言較為簡單，但其計算量過大，且結(jié)果極易為地震波影響；與上述兩種分析法相比，靜力彈塑性分析法的優(yōu)勢就較為明顯，其在地下結(jié)構(gòu)考慮的基礎(chǔ)上，綜合了約束周圍地基因素的特征，進而提出抗震分析以及設(shè)計方式，突破了當(dāng)下地下承載力的設(shè)計形式，使其抗震設(shè)計更具有效性與科學(xué)性。

2三分天下，設(shè)計先行

設(shè)計、施工、監(jiān)測對于地下工程來講常被稱作為“三分天下”，意思是在地下巖土工程中三者都很重要，需要協(xié)調(diào)統(tǒng)一，缺少其中一個環(huán)節(jié)或者有一個環(huán)節(jié)不到位都會帶來安全隱患，而不是“三國鼎立”的意思。如果我們簡單粗暴地割裂開，就會出現(xiàn)下面問題。例如：某城市地鐵標(biāo)準(zhǔn)車站橫跨路口，參考同類工程擬定采用連續(xù)墻加內(nèi)支持結(jié)合坑內(nèi)降水，按規(guī)范進行試算方案合理經(jīng)濟性較好。但現(xiàn)場踏勘時發(fā)現(xiàn)十字路口立交橋下凈空僅有5m～6m，結(jié)合現(xiàn)場條件連續(xù)墻施工方案無法成立。

3土與結(jié)構(gòu)動力作用高效算法

高效快速解決土和結(jié)構(gòu)動力作用問題的有效方式主要包括三種，分別為數(shù)值法、解析法以及半解析法。因地下結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，因此上述兩種解決方法中的解析法以及半解析法均被限制，因此數(shù)值法應(yīng)用廣泛。在數(shù)值法的多種方法中，適應(yīng)力與靈活力最強且最方便的就屬有限元法。當(dāng)有限元法通過與人工邊界的有效結(jié)合整體性分析強地震下的土與結(jié)構(gòu)開放系統(tǒng)時，因受到非線性產(chǎn)生的影響，需通過積分算法方可使計算完成。若研究問題所涉及的方面較廣泛，同時力學(xué)模型自由度過多時，會導(dǎo)致計算分析的工作量過大。由于地鐵地下構(gòu)造充滿著復(fù)雜性，并且又在地震動場中存在，盡管當(dāng)下只考慮工程設(shè)計的目的或者受分析方式的限制，在分析抗震時會運用切片二維計算模型，但是為了使地下構(gòu)造地震反應(yīng)規(guī)律的研究更加深入，包括對不同地震動場整體影響因素進行考慮，研究的方式通過三維整體模型來進行依舊是必要的。

4水文地質(zhì)條件

地鐵地下結(jié)構(gòu)屬于巖土工程的一部分，與水文地質(zhì)條件密切相關(guān)。李老師的《巖土工程50講》中提到的“老中醫(yī)”說法個人非常贊同，至少我們不能拿著地勘報告中的“巖土力學(xué)參數(shù)表”挑個順眼的鉆孔就開始搞設(shè)計了，這樣會“出人命”的。曾經(jīng)有這樣一個淺埋暗挖結(jié)構(gòu)，位于黃土和粉質(zhì)黏土層中采用大管棚加超前小導(dǎo)管注漿進行初支，結(jié)合洞外管井降水CD法開挖，當(dāng)?shù)仡愃乒こ梯^多方案成熟，各階段審查均順利通過。在施工到中間段道路正下方時，發(fā)生較嚴(yán)重塌陷道路暫時封閉，好在應(yīng)急措施得當(dāng)未造成人員傷亡。經(jīng)事故分析發(fā)現(xiàn)，在118號詳勘鉆孔中揭示局部拱頂存在砂層透鏡體且位于地下水位以下，地層描述中該砂層松散可、挖性好、降水易產(chǎn)生沉降，參建各方對該透鏡體均未引起重視。初期降水引起的沉降導(dǎo)致老舊的市政管線滲漏水，降水效果變差，在未查明原因的情況下加大降水功率引起地下土體流失，最終造成不可挽回的損失。主觀原因是麻痹大意，都沒有認(rèn)真閱讀詳勘報告把每一個地層的屬性放在心里，我想這就是我們和“老中醫(yī)”的區(qū)別吧。

5土與結(jié)構(gòu)動力作用的模型分析

在強震的效果下，基底結(jié)構(gòu)以及地基的介質(zhì)會將非線性和彈塑性狀態(tài)清晰顯示出，而地基與地下結(jié)構(gòu)的接觸面極有可能發(fā)生滑落、脫落等變形不具連續(xù)性的情況，因而在對地基動力模型進行分析時必須將其半無限性產(chǎn)生的不良影響考慮全面，因而，客觀上來說，分析模型的正確性不僅需要綜合考慮非線性原因，同時還要全面整合半無限地基的分析模型。非線性原因主要包括地基遠(yuǎn)近場、材料以及接觸等非線性。當(dāng)下我國在地基動態(tài)接觸非線性方面的研究突破較大，且在土的非線性研究中，有關(guān)動力非線性的研究突破最大。盡管尚無應(yīng)用廣泛的模型，但對于地鐵地下結(jié)構(gòu)中存在的問題已有一些有效科學(xué)的解決對策。總的來說，如何利用現(xiàn)有的研究成果在確保對地鐵地下結(jié)構(gòu)抗震反應(yīng)分析模型進行構(gòu)造時具備合理性、科學(xué)性以及正確性尚待更深入的探索。

6與周邊環(huán)境的關(guān)系

地鐵建設(shè)位于繁華或即將繁華的城市中，且絕大部分地下結(jié)構(gòu)埋深較淺，方案階段需要詳細(xì)調(diào)查周邊建筑物、管線、市政道路等設(shè)施的現(xiàn)狀和規(guī)劃狀況，了解清楚他們與地鐵之間的相互關(guān)系，周密分析其可實施性、實施條件及代價。前面提到的立交橋和市政給水和排水管線都會造成設(shè)計方案的調(diào)整，甚至推翻原有方案。所以說我們投身地鐵建設(shè)不能停留在把截面尺寸定好、計算無差錯、鋼筋配夠、構(gòu)造措施正確就完成任務(wù)，如果前期的一個不經(jīng)心就會給后期的設(shè)計與施工帶來困難。在前期對現(xiàn)場25條管線逐一梳理，并給出了相應(yīng)方案，而且將重要管線與市政及權(quán)屬單位進行了對接落實。即使這樣，在施工階段仍出現(xiàn)了過十字路口橫跨基坑寬度2.1m的直埋電力、光釬綜合排線無法遷改，原來認(rèn)為最好處理的管線反而無法解決，最終只能通過局部圍護結(jié)構(gòu)變更來委曲求全。

7結(jié)束語

城市化的迅速發(fā)展在一定程度上使城市的交通環(huán)境、狀況愈來愈趨向于惡化，當(dāng)下城市的通病主要表現(xiàn)在交通效率低下以及擁擠等方面，在尋求便捷的交通情景下，人們逐漸意識到以地鐵為重要交通形式的公共交通系統(tǒng)是有效解決上述問題的主要途徑。經(jīng)大量實踐證實，地鐵以其清潔、方便、快速等優(yōu)勢在諸多國家的交通中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

參考文獻：

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[4]鄭小瓊.地下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)及其對地表的影響分析[D].大連理工大學(xué)，2012.

（作者單位：天津市人防建筑科研設(shè)計院1

天津晟源工程勘察設(shè)計有限公司2）