曹 順 （馬鞍山十七冶工程科技有限責任公司，安徽 馬鞍山 243000）

列車動荷載對基坑支護結(jié)構(gòu)的影響

曹 順 （馬鞍山十七冶工程科技有限責任公司，安徽 馬鞍山 243000）

以上跨南京地鐵2號線的基坑為工程背景，針對列車動荷載對基坑圍護結(jié)構(gòu)的影響進行研究。采用GTS軟件建立模型，通過有限元計算，預測既有隧道結(jié)構(gòu)在長期地鐵移動荷載作用下，列車動荷載對既有隧道結(jié)構(gòu)的正常使用與耐久性會產(chǎn)生一定的危害。為確保地鐵的安全運營，需要采用相應的減震措施來降低動荷載對既有隧道的影響。

基坑；變形控制；既有隧道；影響因素

1 概述

本文以南京某城市道路改造項目作為工程背景，建立模型。主要是研究在地鐵運營期間產(chǎn)生的列車動荷載對上部基坑支護結(jié)構(gòu)的影響、對既有隧道結(jié)構(gòu)的振動分析以及采取何種措施可以降低動荷載的影響。

劉建達[1]通過建立數(shù)值分析模型，研究了當?shù)罔F運動時所引起周圍土層的振動，得到了影響隧道周圍土層振動規(guī)律的因素；畢湘利[2]通過對輪軌激振荷載的模擬，研究分析了位于既有車站旁的基坑在開挖時原有車站結(jié)構(gòu)的動力響應。

2 工程概況

本基坑采用灌注樁+支撐的支護形式。基坑分三步開挖到坑底，由于坑底距既有隧道頂部的凈距離較近，為保證既有隧道的正常使用，在坑底下4m和既有隧道周圍土體進行水泥土加固如圖1?；又螢?道φ=609mm，t=12mm的鋼支撐。

3 動力模型的建立

3.1 計算模型

采用GTS軟件進行模擬，根據(jù)實際開挖尺寸（長、寬、深）為42.0m、28.0m、8.5m，建立模型的尺寸為210m、150m、50m。采用的地質(zhì)參數(shù)見下表1所示。利用GTS模擬動載對既有結(jié)構(gòu)的影響，分兩步完成[3]。分別為：第一特征值分析；第二時程分析。列車動荷載具有兩種布置形式(見圖3)。

圖1 基坑與地鐵2號線剖面關系圖

李軍世[4]把列車每組的輪載,利用傅里葉級數(shù)表示。將列車豎向振動產(chǎn)生的附加動載簡化為指數(shù)函數(shù)，通過利用波具有可加性的特點，把列車所有的輪載都考慮到模型中去。地鐵動載的作用位置見下圖2。

計算采用的土層參數(shù) 表1

3.2 特征值分析的邊界約束

在確定模型的邊界條件后，才可以開始特征值分析。邊界條件為用曲面彈簧來模擬計算模型的彈性邊界，根據(jù)規(guī)范公式計算出模型的邊界值見下表2。

模型的邊界值（kN/m3） 表2

3.3 時程分析的邊界約束

為模擬動荷載對既有隧道以及支護結(jié)構(gòu)的影響，需要把模型邊界彈簧用吸收邊界來替換。根據(jù)規(guī)范公式求出在時程分析的過程中所需要的計算參數(shù)（表3）。

模型吸收邊界計算參數(shù) 表3

4 計算結(jié)果的分析

4.1 列車動荷載對上部基坑圍護結(jié)構(gòu)振動的分析

在列車動載作用下，以支護樁在X、Y、Z方向的速度和加速度為研究對象，提取圍護樁相應的最大與最小速度見表4。

圍護樁在X、Y、Z方向上的速度（mm/s） 表4

通過表4可知在相同情況下，在Z方向產(chǎn)生的速度最大。這說明在振動向外傳播的過程中，振動會產(chǎn)生衰減的現(xiàn)象。因此，地鐵運行所引起的振動影響主要表現(xiàn)為豎直方向上的振動。

由表4可知，在不管在何種情況下，高速地鐵運行荷載使基坑圍護樁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的振動速度均小于安全振速允許值3mm/s，基坑圍護樁結(jié)構(gòu)的振動影響處于可控的安全范圍內(nèi)。

4.2 列車動荷載對既有隧道結(jié)構(gòu)振動分析

根據(jù)表4研究的結(jié)果，以既有隧道結(jié)構(gòu)在Z方向的速度作為分析對象，研究在動荷載作用下對既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響見下圖3與4。

圖3 單側(cè)列車運行荷載作用下既有隧道在Z方向速度

圖4 兩側(cè)列車運行荷載作用下既有隧道在Z方向速度

從上圖可以看出，當隧道有地鐵運行時，既有隧道結(jié)構(gòu)在Z方向產(chǎn)生的最大速度5.4mm/s超過了隧道結(jié)構(gòu)振動影響控制標準值5mm/s[5]。列車動載會對既有地鐵隧道的耐久性產(chǎn)生一定的不利影響，需要采用相應的減震措施來保證地鐵的安全運行。

5 降低列車震動影響的措施

5.1 軌道類型的影響

重型鋼軌具有抗震性能好、壽命長以及穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)點。與輕型鋼軌相比，可以減少2～4dB的振動強度[6]。

5.2 軌道線路形式的影響

目前認為城市軌道交通最佳的軌道形式是無縫線路，采用無縫線路可以減少5dB左右的振動強度。

5.3 軌道結(jié)構(gòu)類型的影響

鐵道部科學研究院曾經(jīng)在實驗室內(nèi)鋪設LVT進行試驗。試驗結(jié)果表明可以減小10dB左右的振動強度，減震效果良好。

6 結(jié)論

本文運用GTS軟件建立三維模型。在動荷載的作用下對基坑模型進行分析。預測當?shù)罔F運行時，列車動荷載對基坑圍護結(jié)構(gòu)以及對既有地鐵隧道的影響，結(jié)論如下。

①在X、Y、Z方向上基坑圍護墻體的振動速度，在豎向的速度最大。

②基坑圍護墻在Z方向上的最大振速為2.3mm/s小于允許值3mm/s，列車動荷載對基坑圍護墻的影響處于安全可控范圍之內(nèi)。

③當隧道中有地鐵運行時，既有隧道在豎向上的振速為5.4mm/s，超過允許值5mm/s，需要對隧道采取減震措施。

④針對既有隧道需要減震的情況，給出了目前常用減震的措施。

[1]劉建達.地鐵運行引起的地面振動分析[J].自然災害學報，2007，16 (5).

[2]畢湘利.列車振動荷載對鄰近深基坑的既有站變形影響[J].同濟大學學報，2004,32(12).

[3]卿偉.車-隧藕合條件下地鐵陡道的動力晌應分析及對周邊環(huán)境影晌的評估研究[D].重慶：重慶交通大學,2011.

[4]李軍世.高速鐵路路基動力反應的有限元分析[J].鐵道報,1995,17(1).

[5]張厚貴，等.北京地下直徑線運營對地鐵2號線隧道結(jié)構(gòu)振動影響控制標準的研究[J].隧道建設，2007，27(S1).

[6]張厚貴.北京鐵路地下直徑線列車振動對鄰近地鐵結(jié)構(gòu)影響的研究[D].北京：北京交通大學，2008.

TU47

A

1007-7359（2016）06-0095-02

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.06.036

曹順（1988-），男，河南商丘人，畢業(yè)于合肥工業(yè)大學，碩士，助理工程師。