列車動荷載對基坑支護結構的影響

曹 順 （馬鞍山十七冶工程科技有限責任公司，安徽 馬鞍山 243000）

列車動荷載對基坑支護結構的影響

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構的影響進行研究。采用GTS軟件建立模型，通過有限元計算，預測既有隧道結構在長期地鐵移動荷載作用下，列車動荷載對既有隧道結構的正常使用與耐久性會產生一定的危害。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生的列車動荷載對上部基坑支護結構的影響、對既有隧道結構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]通過建立數值分析模型，研究了當地鐵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構的動力響應。

2 工程概況

本基坑采用灌注樁+支撐的支護形式?；臃秩介_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。采用的地質參數見下表1所示。利用GTS模擬動載對既有結構的影響，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,利用傅里葉級數表示。將列車豎向振動產生的附加動載簡化為指數函數，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 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，根據規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構的影響，需要把模型邊界彈簧用吸收邊界來替換。根據規范公式求出在時程分析的過程中所需要的計算參數（表3）。

模型吸收邊界計算參數 表3

4 計算結果的分析

4.1 列車動荷載對上部基坑圍護結構振動的分析

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方向產生的速度最大。這說明在振動向外傳播的過程中，振動會產生衰減的現象。因此，地鐵運行所引起的振動影響主要表現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構產生的振動速度均小于安全振速允許值3mm/s，基坑圍護樁結構的振動影響處于可控的安全范圍內。

4.2 列車動荷載對既有隧道結構振動分析

根據表4研究的結果，以既有隧道結構在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構產生的影響見下圖3與4。

圖3 單側列車運行荷載作用下既有隧道在Z方向速度

圖4 兩側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，既有隧道結構在Z方向產生的最大速度5.4mm/s超過了隧道結構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、壽命長以及穩定性好等一系列優點。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 軌道結構類型的影響

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

6 結論

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。預測當地鐵運行時，列車動荷載對基坑圍護結構以及對既有地鐵隧道的影響，結論如下。

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。

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號線隧道結構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構影響的研究[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，畢業于合肥工業大學，碩士，助理工程師。