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摘要：城市的地铁建设给百姓日常工作与生活带来的极大的便利，同时活跃了地铁沿线的经济活动。目前全国除直辖市和省会城市外有近50个三线城市开始或准备修建地铁，随着我国地铁建设的蓬勃发展，地铁设计规范也在不断更新和完善，设计队伍不断扩大，建设管理逐渐趋于完善。本文通过对规范和相关资料的学习结合积累进行了一些地铁地下结构设计的思考，以供参考。
关键词：地铁；地下结构；设计
1评估地铁抗震性能与地下结构破坏模式
在地下结构抗震的基本理论当中，动力时程分析法可视为有效的分析方式加以运用，但对于其结构极限承载力与常规抗震工程设计方面的评估，依旧需要研发出实用且简单的分析方式。当下应用广泛的弹塑性分析法有三种，依次为静力弹塑性、动力时程以及静力增量等分析法，其中相对简单的便是静力增量分析法，但其也有缺陷，在于其未能对地震结构和作用特性间的关系进行考虑；动力时程分析法主要是对地震反应时的结构进行计算时，其表现出变形与内力的状态，由此得出结构开裂的顺序，再通过发现应力和变形聚集所处之处，最后计算得出可能导致破坏的类型、屈服机制以及其结构较为薄弱的环节，尽管此种计算方式相对而言较为简单，但其计算量过大，且结果极易为地震波影响；与上述两种分析法相比，静力弹塑性分析法的优势就较为明显，其在地下结构考虑的基础上，综合了约束周围地基因素的特征，进而提出抗震分析以及设计方式，突破了当下地下承载力的设计形式，使其抗震设计更具有效性与科学性。
2三分天下，设计先行
设计、施工、监测对于地下工程来讲常被称作为“三分天下”，意思是在地下岩土工程中三者都很重要，需要协调统一，缺少其中一个环节或者有一个环节不到位都会带来安全隐患，而不是“三国鼎立”的意思。如果我们简单粗暴地割裂开，就会出现下面问题。例如：某城市地铁标准车站横跨路口，参考同类工程拟定采用连续墙加内支持结合坑内降水，按规范进行试算方案合理经济性较好。但现场踏勘时发现十字路口立交桥下净空仅有5m～6m，结合现场条件连续墙施工方案无法成立。
3土与结构动力作用高效算法
高效快速解决土和结构动力作用问题的有效方式主要包括三种，分别为数值法、解析法以及半解析法。因地下结构极其复杂，因此上述两种解决方法中的解析法以及半解析法均被限制，因此数值法应用广泛。在数值法的多种方法中，适应力与灵活力最强且最方便的就属有限元法。当有限元法通过与人工边界的有效结合整体性分析强地震下的土与结构开放系统时，因受到非线性产生的影响，需通过积分算法方可使计算完成。若研究问题所涉及的方面较广泛，同时力学模型自由度过多时，会导致计算分析的工作量过大。由于地铁地下构造充满着复杂性，并且又在地震动场中存在，盡管当下只考虑工程设计的目的或者受分析方式的限制，在分析抗震时会运用切片二维计算模型，但是为了使地下构造地震反应规律的研究更加深入，包括对不同地震动场整体影响因素进行考虑，研究的方式通过三维整体模型来进行依旧是必要的。
4水文地质条件
地铁地下结构属于岩土工程的一部分，与水文地质条件密切相关。李老师的《岩土工程50讲》中提到的“老中医”说法个人非常赞同，至少我们不能拿着地勘报告中的“岩土力学参数表”挑个顺眼的钻孔就开始搞设计了，这样会“出人命”的。曾经有这样一个浅埋暗挖结构，位于黄土和粉质黏土层中采用大管棚加超前小导管注浆进行初支，结合洞外管井降水CD法开挖，当地类似工程较多方案成熟，各阶段审查均顺利通过。在施工到中间段道路正下方時，发生较严重塌陷道路暂时封闭，好在应急措施得当未造成人员伤亡。经事故分析发现，在118号详勘钻孔中揭示局部拱顶存在砂层透镜体且位于地下水位以下，地层描述中该砂层松散可、挖性好、降水易产生沉降，参建各方对该透镜体均未引起重视。初期降水引起的沉降导致老旧的市政管线渗漏水，降水效果变差，在未查明原因的情况下加大降水功率引起地下土体流失，最终造成不可挽回的损失。主观原因是麻痹大意，都没有认真阅读详勘报告把每一个地层的属性放在心里，我想这就是我们和“老中医”的区别吧。
5土与结构动力作用的模型分析
在强震的效果下，基底结构以及地基的介质会将非线性和弹塑性状态清晰显示出，而地基与地下结构的接触面极有可能发生滑落、脱落等变形不具连续性的情况，因而在对地基动力模型进行分析时必须将其半无限性产生的不良影响考虑全面，因而，客观上来说，分析模型的正确性不仅需要综合考虑非线性原因，同时还要全面整合半无限地基的分析模型。非线性原因主要包括地基远近场、材料以及接触等非线性。当下我国在地基动态接触非线性方面的研究突破较大，且在土的非线性研究中，有关动力非线性的研究突破最大。尽管尚无应用广泛的模型，但对于地铁地下结构中存在的问题已有一些有效科学的解决对策。总的来说，如何利用现有的研究成果在确保对地铁地下结构抗震反应分析模型进行构造时具备合理性、科学性以及正确性尚待更深入的探索。
6与周边环境的关系
地铁建设位于繁华或即将繁华的城市中，且绝大部分地下结构埋深较浅，方案阶段需要详细调查周边建筑物、管线、市政道路等设施的现状和规划状况，了解清楚他们与地铁之间的相互关系，周密分析其可实施性、实施条件及代价。前面提到的立交桥和市政给水和排水管线都会造成设计方案的调整，甚至推翻原有方案。所以说我们投身地铁建设不能停留在把截面尺寸定好、计算无差错、钢筋配够、构造措施正确就完成任务，如果前期的一个不经心就会给后期的设计与施工带来困难。在前期对现场25条管线逐一梳理，并给出了相应方案，而且将重要管线与市政及权属单位进行了对接落实。即使这样，在施工阶段仍出现了过十字路口横跨基坑宽度2.1m的直埋电力、光钎综合排线无法迁改，原来认为最好处理的管线反而无法解决，最终只能通过局部围护结构变更来委曲求全。
7结束语
城市化的迅速发展在一定程度上使城市的交通环境、状况愈来愈趋向于恶化，当下城市的通病主要表现在交通效率低下以及拥挤等方面，在寻求便捷的交通情景下，人们逐渐意识到以地铁为重要交通形式的公共交通系统是有效解决上述问题的主要途径。经大量实践证实，地铁以其清洁、方便、快速等优势在诸多国家的交通中发挥着至关重要的作用。
参考文献：
[1]李广信.岩土工程50讲—岩坛漫话（第二版）[M].北京：人民交通出版社，2010.
[2]地铁工程设计与施工[M].北京：人民交通出版社，2014
[3]黎钜宏.地铁地下车站主体结构内力变化规律的分析研究[D].武汉科技大学，2013.
[4]郑小琼.地下结构地震响应及其对地表的影响分析[D].大连理工大学，2012.
（作者单位：天津市人防建筑科研设计院1
天津晟源工程勘察设计有限公司2）
关键词：地铁；地下结构；设计
1评估地铁抗震性能与地下结构破坏模式
在地下结构抗震的基本理论当中，动力时程分析法可视为有效的分析方式加以运用，但对于其结构极限承载力与常规抗震工程设计方面的评估，依旧需要研发出实用且简单的分析方式。当下应用广泛的弹塑性分析法有三种，依次为静力弹塑性、动力时程以及静力增量等分析法，其中相对简单的便是静力增量分析法，但其也有缺陷，在于其未能对地震结构和作用特性间的关系进行考虑；动力时程分析法主要是对地震反应时的结构进行计算时，其表现出变形与内力的状态，由此得出结构开裂的顺序，再通过发现应力和变形聚集所处之处，最后计算得出可能导致破坏的类型、屈服机制以及其结构较为薄弱的环节，尽管此种计算方式相对而言较为简单，但其计算量过大，且结果极易为地震波影响；与上述两种分析法相比，静力弹塑性分析法的优势就较为明显，其在地下结构考虑的基础上，综合了约束周围地基因素的特征，进而提出抗震分析以及设计方式，突破了当下地下承载力的设计形式，使其抗震设计更具有效性与科学性。
2三分天下，设计先行
设计、施工、监测对于地下工程来讲常被称作为“三分天下”，意思是在地下岩土工程中三者都很重要，需要协调统一，缺少其中一个环节或者有一个环节不到位都会带来安全隐患，而不是“三国鼎立”的意思。如果我们简单粗暴地割裂开，就会出现下面问题。例如：某城市地铁标准车站横跨路口，参考同类工程拟定采用连续墙加内支持结合坑内降水，按规范进行试算方案合理经济性较好。但现场踏勘时发现十字路口立交桥下净空仅有5m～6m，结合现场条件连续墙施工方案无法成立。
3土与结构动力作用高效算法
高效快速解决土和结构动力作用问题的有效方式主要包括三种，分别为数值法、解析法以及半解析法。因地下结构极其复杂，因此上述两种解决方法中的解析法以及半解析法均被限制，因此数值法应用广泛。在数值法的多种方法中，适应力与灵活力最强且最方便的就属有限元法。当有限元法通过与人工边界的有效结合整体性分析强地震下的土与结构开放系统时，因受到非线性产生的影响，需通过积分算法方可使计算完成。若研究问题所涉及的方面较广泛，同时力学模型自由度过多时，会导致计算分析的工作量过大。由于地铁地下构造充满着复杂性，并且又在地震动场中存在，盡管当下只考虑工程设计的目的或者受分析方式的限制，在分析抗震时会运用切片二维计算模型，但是为了使地下构造地震反应规律的研究更加深入，包括对不同地震动场整体影响因素进行考虑，研究的方式通过三维整体模型来进行依旧是必要的。
4水文地质条件
地铁地下结构属于岩土工程的一部分，与水文地质条件密切相关。李老师的《岩土工程50讲》中提到的“老中医”说法个人非常赞同，至少我们不能拿着地勘报告中的“岩土力学参数表”挑个顺眼的钻孔就开始搞设计了，这样会“出人命”的。曾经有这样一个浅埋暗挖结构，位于黄土和粉质黏土层中采用大管棚加超前小导管注浆进行初支，结合洞外管井降水CD法开挖，当地类似工程较多方案成熟，各阶段审查均顺利通过。在施工到中间段道路正下方時，发生较严重塌陷道路暂时封闭，好在应急措施得当未造成人员伤亡。经事故分析发现，在118号详勘钻孔中揭示局部拱顶存在砂层透镜体且位于地下水位以下，地层描述中该砂层松散可、挖性好、降水易产生沉降，参建各方对该透镜体均未引起重视。初期降水引起的沉降导致老旧的市政管线渗漏水，降水效果变差，在未查明原因的情况下加大降水功率引起地下土体流失，最终造成不可挽回的损失。主观原因是麻痹大意，都没有认真阅读详勘报告把每一个地层的属性放在心里，我想这就是我们和“老中医”的区别吧。
5土与结构动力作用的模型分析
在强震的效果下，基底结构以及地基的介质会将非线性和弹塑性状态清晰显示出，而地基与地下结构的接触面极有可能发生滑落、脱落等变形不具连续性的情况，因而在对地基动力模型进行分析时必须将其半无限性产生的不良影响考虑全面，因而，客观上来说，分析模型的正确性不仅需要综合考虑非线性原因，同时还要全面整合半无限地基的分析模型。非线性原因主要包括地基远近场、材料以及接触等非线性。当下我国在地基动态接触非线性方面的研究突破较大，且在土的非线性研究中，有关动力非线性的研究突破最大。尽管尚无应用广泛的模型，但对于地铁地下结构中存在的问题已有一些有效科学的解决对策。总的来说，如何利用现有的研究成果在确保对地铁地下结构抗震反应分析模型进行构造时具备合理性、科学性以及正确性尚待更深入的探索。
6与周边环境的关系
地铁建设位于繁华或即将繁华的城市中，且绝大部分地下结构埋深较浅，方案阶段需要详细调查周边建筑物、管线、市政道路等设施的现状和规划状况，了解清楚他们与地铁之间的相互关系，周密分析其可实施性、实施条件及代价。前面提到的立交桥和市政给水和排水管线都会造成设计方案的调整，甚至推翻原有方案。所以说我们投身地铁建设不能停留在把截面尺寸定好、计算无差错、钢筋配够、构造措施正确就完成任务，如果前期的一个不经心就会给后期的设计与施工带来困难。在前期对现场25条管线逐一梳理，并给出了相应方案，而且将重要管线与市政及权属单位进行了对接落实。即使这样，在施工阶段仍出现了过十字路口横跨基坑宽度2.1m的直埋电力、光钎综合排线无法迁改，原来认为最好处理的管线反而无法解决，最终只能通过局部围护结构变更来委曲求全。
7结束语
城市化的迅速发展在一定程度上使城市的交通环境、状况愈来愈趋向于恶化，当下城市的通病主要表现在交通效率低下以及拥挤等方面，在寻求便捷的交通情景下，人们逐渐意识到以地铁为重要交通形式的公共交通系统是有效解决上述问题的主要途径。经大量实践证实，地铁以其清洁、方便、快速等优势在诸多国家的交通中发挥着至关重要的作用。
参考文献：
[1]李广信.岩土工程50讲—岩坛漫话（第二版）[M].北京：人民交通出版社，2010.
[2]地铁工程设计与施工[M].北京：人民交通出版社，2014
[3]黎钜宏.地铁地下车站主体结构内力变化规律的分析研究[D].武汉科技大学，2013.
[4]郑小琼.地下结构地震响应及其对地表的影响分析[D].大连理工大学，2012.
（作者单位：天津市人防建筑科研设计院1
天津晟源工程勘察设计有限公司2）