新建有軌電車對既有運營地鐵車站結(jié)構(gòu)安全性影響分析與研究

唐志揚 張宇

（廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司）

目前，國內(nèi)許多學(xué)者對地鐵周邊工程建設(shè)對既有運營地鐵結(jié)構(gòu)的影響進行了研究，包括新建地鐵結(jié)構(gòu)上跨、下穿或側(cè)穿既有地鐵結(jié)構(gòu)，地下通道上穿既有地鐵結(jié)構(gòu)、地鐵結(jié)構(gòu)上方開挖基坑等工程建設(shè)對地鐵結(jié)構(gòu)安全性影響分析等[1-8]。同時，針對地鐵周邊工程建設(shè)對地鐵結(jié)構(gòu)的影響，國家和地方城市也相繼出臺了地鐵結(jié)構(gòu)安全保護規(guī)范或條例[9-10]。然而，針對有軌電車建設(shè)和運營對地鐵結(jié)構(gòu)安全影響幾乎無例可循。與其他地鐵結(jié)構(gòu)周邊工程建設(shè)不同，有軌電車建設(shè)和運營過程對地鐵結(jié)構(gòu)造成影響主要包括路基開挖、路基打樁等地基處理和列車運營及振動荷載。因此，結(jié)合有軌電車建設(shè)特性，針對有軌電車建設(shè)和運營過程對地鐵結(jié)構(gòu)安全影響進行研究，對現(xiàn)階段我國有軌電車建設(shè)具有重要意義。

1 工程概況

廣州黃埔區(qū)有軌電車1 號線起于香雪，終于永和新豐，線路全線約14.4km，其中路基段長度約11.5km，高架段長度約1.4km，框架及U 型槽位長度約1.5km，平均站間距約0.76km，全線近期設(shè)站19 座，高架站1 座，地面站18 座，其中有軌電車上跨地鐵二十一號線水西站。

有軌電車1 號線上跨地鐵21 號線水西站范圍內(nèi)路基形式主要為底層換填路基，水西站范圍內(nèi)有軌電車車站結(jié)構(gòu)形式為地面對稱側(cè)式，車站長度為34m。

有軌電車上跨地鐵二十一號線水西站位于廣州市蘿崗區(qū)水西路下方，為越行站，后接水西停車場線。車站為地下2 層（局部三層）12m 島式站臺車站，雙柱三跨或三柱四跨結(jié)構(gòu)，全長356.95m，標準段寬為30.8m，車站基坑開挖深度為12.94～22.51m。

2 有限元數(shù)值分析模型

根據(jù)黃埔區(qū)有軌電車上跨地鐵水西站結(jié)構(gòu)關(guān)系和地質(zhì)情況，選取典型計算斷面采用ABAQUS 建立二維數(shù)值分析模型，研究有軌電車建設(shè)及運營過程對地鐵車站結(jié)構(gòu)安全性影響；并對有軌電車上跨水西站全范圍采用MIDAS-GTS 建立三維數(shù)值分析模型，研究有軌電車建設(shè)及運營過程中地層變形規(guī)律和有軌電車列車荷載對車站結(jié)構(gòu)影響。

2.1 有限元模型建立

有軌電車上跨水西站結(jié)構(gòu)受力影響二維數(shù)值分析模型簡化為平面應(yīng)變模型，采用梁單元模擬車站結(jié)構(gòu)，面單元模擬地層。結(jié)構(gòu)與側(cè)向邊界的距離取為結(jié)構(gòu)寬度的5 倍以上，模型左右邊界固定水平位移，底面邊界固定水平和豎直位移，且均為不透水邊界，如圖1 所示。

圖1 二維數(shù)值分析計算模型

有軌電車上跨水西站全范圍三維數(shù)值分析模型，采用板單元模擬車站結(jié)構(gòu)，四面體單元模擬地層，計算范圍為500m×250m×60m 的區(qū)域，周邊環(huán)境按無限剛度體模擬，約束有限元模型底部的豎向位移及各側(cè)面的法向位移，如圖2 所示。

圖2 三維數(shù)值分析計算模型

本研究數(shù)值分析模型中地層Mohr-Coulomb 本構(gòu)模擬，土層參數(shù)如表1 所示。車站結(jié)構(gòu)和路基結(jié)構(gòu)采用彈性本構(gòu)模擬，如表2 和表3 所示。

表1 土層參數(shù)

表2 車站結(jié)構(gòu)參數(shù)

表3 有軌電車路基參數(shù)

2.2 計算工況

本研究主要計算有軌電車建設(shè)和運營過程中對地鐵車站結(jié)構(gòu)影響，主要考慮有軌電車路基開挖施工、施工機具超載、有軌電車車站及區(qū)間運營荷載、列車動荷載對車站結(jié)構(gòu)影響，主要計算工況如下：

⑴地鐵車站結(jié)構(gòu)初始受力工況；

⑵有軌電車路基施工工況；

⑶有軌電車車站運營工況；

⑷有軌電車區(qū)間運營工況；

⑸列車動荷載工況。

其中二維數(shù)值分析模型計算1～4 工況，三維數(shù)值分析模型計算1～5 工況。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 二維數(shù)值計算結(jié)果與分析

3.1.1 計算結(jié)果

選取典型計算分析斷面，得出二維數(shù)值模型計算結(jié)果，即各工況下結(jié)構(gòu)彎矩及軸力計算結(jié)果。根據(jù)計算結(jié)果，有軌電車1 號線車站及區(qū)間建設(shè)及運營過程中，典型計算分析斷面車站結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及變形統(tǒng)計的數(shù)據(jù)如表4 所示。

表4 典型斷面內(nèi)力計算結(jié)果

3.1.2 結(jié)果分析

以典型計算斷面頂板控制截面內(nèi)力為例，有軌電車建設(shè)及運營過程中各工況下結(jié)構(gòu)彎矩及軸力變化如圖3 所示，其余截面內(nèi)力變化規(guī)律相似。由圖可知，有軌電車建設(shè)及運營過程中，施工超載及運營荷載將使得地鐵車站結(jié)構(gòu)頂板內(nèi)力增大，而在路基換填施工過程中會引起車站頂板上方卸載，結(jié)構(gòu)內(nèi)力減小，但有地層回彈問題。在施工超載作用下，車站結(jié)構(gòu)頂板彎矩增大8.8%，軸力幾乎不變；在運營荷載作用下，車站結(jié)構(gòu)頂板彎矩增大17.8%，軸力減小7.5%。綜上所述，有軌電車施工及運營期間對地鐵車站結(jié)構(gòu)內(nèi)力造成了一定影響，建議在施工期間加強對車站結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形監(jiān)測，一旦地車站結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形變化過大，應(yīng)該停止施工，采取應(yīng)急預(yù)案。在設(shè)計上應(yīng)采取一定措施減小有軌電車運營期間對車站結(jié)構(gòu)的影響。

圖3 典型斷面各工況荷載作用下內(nèi)力變化

考慮到有軌電車打樁施工中可能出現(xiàn)重型機具，因此進行了不同施工超載對車站結(jié)構(gòu)受力影響分析，不同施工超載作用下車站結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化如圖4 所示，隨著施工超載增大，車站結(jié)構(gòu)頂板彎矩隨著超載增大而線性增大，軸力隨超載增大而線性減小。

圖4 不同施工超載作用下車站結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化

3.2 三維數(shù)值計算結(jié)果與分析

根據(jù)三維數(shù)值模型計算結(jié)果，有軌電車建設(shè)及運營過程中車站結(jié)構(gòu)豎向及水平變化情況如圖5 所示。由圖可知，車站最大沉降值為-4.4mm、最大上浮值2.4mm，最大正向水平位移為0.44mm、最大負向水平位移為-0.59mm，均發(fā)生在有軌電車路基正下方的車站結(jié)構(gòu)處，且在距離車站外輪廓30m 范圍變化速率最大，其中豎向變形值為-1.6mm，水平變形值為-0.13mm，說明在車站結(jié)構(gòu)1 倍深度范圍內(nèi)施工對結(jié)構(gòu)影響較大。施工超載卸載后，車站結(jié)構(gòu)的沉降變化值約-2.05mm，約總沉降值46%，水平位移變化值約-0.28mm，約占最大水平位移值48%，說明施工超載對變形影響較大。建議有軌電車建設(shè)過程中，地鐵車站結(jié)構(gòu)的沉降值控制在5mm 以內(nèi)，水平位移值控制在2mm 以內(nèi)，且施工超載不得大于20kPa。若在有軌電車路基開挖換填過程中，因開挖土體回填不及時等原因，監(jiān)測到車站上浮變形超過4mm，應(yīng)及時在車站范圍內(nèi)進行地面堆載反壓，限制車站結(jié)構(gòu)上浮。

圖5 車站結(jié)構(gòu)豎向及水平位移變化圖

考慮到有軌電車位于地鐵車站正上方，有軌電車列車運營過程中會產(chǎn)生振動荷載，因此針對列車動荷載對車站結(jié)構(gòu)影響進行研究。根據(jù)有軌電車的軸重、列車發(fā)車頻率以及車長等，得出有軌電車列車動荷載作用，如圖6 所示，將列車動荷載輸入上述三維模型中進行計算。

圖6 列車動力荷載曲線圖

根據(jù)計算結(jié)果，有軌電車列車動荷載作用下，車站結(jié)構(gòu)最大的豎向位移為0.691mm，水平最大位移為0.102mm，表明有軌電車列車動荷載對車站結(jié)構(gòu)影響較小。

4 結(jié)論

本研究基于廣州黃埔區(qū)有軌電車一號線上跨地鐵二十一號線水西站實際工程問題，建立了二維和三維數(shù)值分析模型，分析有軌電車建設(shè)及運營過程中對地鐵車站結(jié)構(gòu)受力和變形影響，得到了以下結(jié)論：

⑴在黃埔區(qū)有軌電車1 號線建設(shè)及運營過程中，施工及運營荷載對車站結(jié)構(gòu)內(nèi)力造成了一定影響，建議在施工期間加強對車站結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形監(jiān)測，在設(shè)計上應(yīng)采取一定措施減小有軌電車運營期間對車站結(jié)構(gòu)的影響。

⑵施工超載不超過20kPa 時，有軌電車建設(shè)及運營過程中，地鐵車站結(jié)構(gòu)能滿足承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)要求，結(jié)構(gòu)的安全性能夠得到保障。

⑶建議有軌電車建設(shè)過程中，地鐵車站結(jié)構(gòu)的沉降值控制在5mm 以內(nèi)，水平位移值控制在2mm 以內(nèi)，且施工超載不得大于20kPa。若路基開挖換填過程中，車站上浮變形超過4mm，應(yīng)及時在車站范圍內(nèi)進行地面堆載反壓，限制車站結(jié)構(gòu)上浮。

⑷有軌電車列車動荷載作用對地鐵車站結(jié)構(gòu)影響較小，無需采取措施減小列車動荷載對結(jié)構(gòu)受力影響。

本文僅針對有軌電車換填路基形式下對地鐵車站結(jié)構(gòu)安全性影響分析，有軌電車實際工程建設(shè)中，往往采用CFG 樁等復(fù)合地基加固方式進行地基加固，且有軌電車上跨地鐵區(qū)間隧道情況更為常見。后續(xù)將開展復(fù)合地基加固形式下有軌電車建設(shè)及運營對地鐵車站及區(qū)間結(jié)構(gòu)安全性影響。