列車荷載作用下深基坑支護結構變形研究

王秀鵬 嚴戰(zhàn)友

摘 要：為了研究基坑開挖支護過程中列車荷載對基坑的影響。文章依托北京市廣渠路東延下穿通東機場專用線鐵路立交橋工程，分別通過UM、ANSYS和ABAQUS軟件建立鐵路車輛、臨時鋼便橋和基坑開挖支護模型，根據車輛、橋梁和基坑支護結構的接觸關系，實現車-橋-基坑支護結構耦合，進行聯合仿真分析。研究結果表明：在列車靜載作用下，基坑支護樁變形量隨著樁深增加，呈現先增加后減少趨勢，在基坑開挖面附近是最大值;在列車動載作用下，樁身變形量都是隨列車速度的增加而逐漸增大;支護樁在5 m深度處，樁身變形量隨列車速度變化幅度最大，隨著支護樁深度的增加，樁身變形量隨列車速度逐漸減小;支護樁25 m深度處，樁身變形量幾乎不隨列車速度變化而變化。

關鍵詞：列車荷載;基坑工程;樁錨支護;聯合仿真;變形分析

中圖分類號：TU473.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A?   ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：2096-6903（2022）04-0007-03

0 引言

隨著城市土地資源受限，基坑工程逐漸向著“深、大、緊、近”方向發(fā)展，因此基坑工程周圍環(huán)境越來越復雜。基坑工程經常會遇到周圍道路有運行車輛或者存在地鐵運行線路，在車輛行駛過程中，由于道路不平順或者軌道不平順會產生振動，這類振源具有時變性、處于長期穩(wěn)定的一種循環(huán)荷載，對基坑支護結構產生一定影響。因此，有必要考慮基坑工程周圍交通荷載，在交通荷載作用下，研究基坑支護結構穩(wěn)定性及變形特征。

M.A.Lak等[1]通過考慮道路與土壤間相互作用，對路面不平度、車輛動態(tài)響應以及地面振動三者之間關系進行了研究。張航等[2]通過對車站基坑工程進行建模，分析基坑支護結構在周圍車輛荷載作用下的變形。顏濤[3]將車輛荷載簡化為半波正弦形式的移動荷載施加于基坑周圍，分析基坑圍護結構響應。邱洪志[4]不僅將基坑周圍車輛荷載簡化為半波正弦荷載，還與車輛等效靜載進行對比，得出基坑圍護結構受力和變形情況。在車輛動荷載作用下，趙桐德等[5]研究了基坑中樁錨支護結構的響應。張金誠[6]研究了不同車輛荷載作用下懸臂支護結構的動力響應。朱冬宇[7]通過試驗數據與數值模擬方式，研究雙排支護結構受力和變形特性。丁森林[8]模擬鄰近建筑物的基坑工程，分析在車輛荷載作用下，基坑支護結構的動力響應以及變形規(guī)律。上述文獻主要研究了交通荷載引起支護結構動力響應，而目前深基坑設計理念已經從強度控制轉變?yōu)樽冃慰刂疲虼耍鼞撽P注交通荷載作用下基坑支護結構變形特征。前人對交通荷載的研究多為基坑周圍道路上車輛荷載/附近地鐵運營線路，對基坑開挖支護工程上運營鐵路，基坑支護結構受其列車荷載影響的研究很少。

1 工程概況

1.1 工程簡介

北京市通州區(qū)廣渠路是連接北京城市核心區(qū)與城市副中心的主要道路，道路起自東二環(huán)終至通柴東路，全長28 km，在北京交通運輸系統(tǒng)中占有重要地位，因此對廣渠路進行改擴建來滿足城市快速發(fā)展的需求。其中，廣渠路東延路段起自怡樂西路高架橋，終至東六環(huán)，路線沿現況通朝大街，運河東、西大街布線，全長約7.6 km，該段道路分為地面道路和地下道路兩種形式，伴隨地下道路系統(tǒng)同步進行市政綜合管廊建設。根據實際情況，地下道路部分需要以下穿形式通過專用線鐵路。

1.2 工程地質

經過地質勘查與室內試驗，該場地工程地質特征如下：主要有第四系全新統(tǒng)人工堆積層（Q4ml）雜填土、素填土，沖洪積層（Q4al+pl）粉質黏土、粉土、粉砂、中砂，第四系上更新統(tǒng)沖洪積層（Q3al+pl）粉質黏土、粉砂、中砂，各巖土地層的力學參數如表1所示。同時，勘探結果表明土層的承載能力較強，沒有發(fā)現不良地質情況。

1.3 線路加固體系結構

運營鐵路線路在基坑開挖前需要加固處理，采用箱型縱梁、鋼枕橫梁、支撐樁等結構體系共同組成鐵路加固系統(tǒng)（圖1）。鐵路加固起點K0+659.13，鐵路加固終點：K0+729.07，鐵路加固長度69.94 m。線路加固時縱梁安裝與拆除軌束梁在封鎖點內施工，施工期間滿足列車慢行45 km/h要求。

1.4 基坑支護結構

按照鐵路產權部門要求，在施工期間，通東機場專用線鐵路保持正常運營狀態(tài)，為了縮短工期，該路段須進行基坑開挖。由于該基坑施工場地周圍環(huán)境復雜，無放坡條件，根據實際勘查情況，結合框架橋施工要求和基坑施作條件，按照一級基坑設計等級。該地下路段基坑支護工程全長271 m，采用明挖法施工，基坑開挖深度在19～23 m范圍內，采用3種不同基坑圍護形式，分5段對基坑開挖進行圍護，以期最大程度保證基坑開挖安全。支護形式分別為地下連續(xù)墻支護、雙排防護樁加內側施作預應力錨索支護及雙排防護樁加樁間施作預應力錨索支護。該基坑支護結構布置（圖1）。

由于該基坑工程規(guī)模大、開挖深、距離長，需模擬運營鐵路線之下鄰近部分基坑開挖支護，而距離鐵路運營線較遠部分受列車動荷載影響很小，可以不予考慮。該部分基坑支護結構為雙排防護樁加樁間施作預應力錨索形式。其中，雙排灌注樁樁長47.8 m、樁徑1.5 m、樁間距1.8 m、排間距6 m。為施工后排樁錨索，在雙排樁間開挖21 m深的長條形基坑，邊開挖邊施工預應力錨索。錨索豎向間距3.5 m，設置兩樁之間。雙排樁采用C35混凝土澆筑，預應力錨索采用3SΦ15.2 mm普通鋼絞線，入射角為25°，錨固體直徑為150 mm。

2 模型構建

2.1 車輛模型構建

鐵路車輛由車體、轉向架、輪對等主要部件構成，車體與轉向架間通過二系懸掛裝置相連、轉向架與輪對間通過一系懸掛裝置相連，懸掛裝置為彈簧-阻尼器，所以列車為多自由度的振動體系。車體、轉向架與輪對均有沿X、Y、Z向的平動自由度及繞X、Y、Z向的轉動自由度，共計6個自由度，分別對應伸縮、橫移、沉浮、搖頭、側滾、點頭6種基本振動形式，每節(jié)車有一個車體、兩個轉向架、四個輪對，共計7個剛體，42個自由度。

車輛模型按照C70型貨車參數建立，由三節(jié)貨車車輛組成，車輛模型見圖2。

2.2 橋梁模型構建

臨時鋼便梁應用有限元軟件ANSYS進行建模，橋梁全長40.7 m，采用solid185單元，單元數共計846 465個，橋梁有限元模型如圖3所示。

3 計算結果

列車動載作用下支護結構變形為了研究列車動荷載對基坑支護結構影響。選取5組列車速度，在UM與ANSYS軟件聯合仿真，車輛分別以20 km/h、30 km/h、40 km/h、50 km/h、60 km/h速度通過鋼便梁，求解橋梁支座5種支座反力;然后施加于ABAQUS軟件構建基坑開挖支護模型，實現車-橋與基坑支護結構耦合，聯立基坑支護結構與車輛行駛速度，求解出基坑支護結構隨列車速度變化規(guī)律見圖（4—8）。

從圖4～8可以看出：支護樁深度在5 m、10 m、15 m、20 m、25 m處，樁身變形量隨列車速度增加而增加，表明列車在運行過程中，列車的動荷載會隨著車輛速度的增加而增大，在基坑開挖施工過程中，對列車限速措施十分重要。

在樁身5 m深度處，樁身變形量隨列車速度變化幅度最大，變化幅度為0.1 mm;隨著支護樁深度增加，樁身變形量隨列車速度增加而逐漸減小;支護樁25m深度處，樁身變形量隨列車速度的增加幾乎不發(fā)生變化，變化幅度為0.007 mm。表明列車動荷載對支護結構的影響大概在基坑開挖面附近，基坑開挖面以下的支護結構幾乎不受列車動荷載影響。

4 結論

通過UM、ANSYS和ABAQUS三個軟件對基坑開挖進行建模，在列車靜荷載和動荷載作用下，研究支護結構變形規(guī)律，結論如下：

（1）在列車靜載作用下，基坑支護結構變形量隨著支護樁深度的增加先增加后減少趨勢，在開挖面附近增至最大值，在35 m之后緩慢減小。

（2）在列車動載作用下，在支護樁5 m、10 m、15 m、20 m、25 m深度處，樁身變形量隨列車速度增加而逐漸增大，變化趨勢相似。

（3）在列車動載作用下，支護樁結構在5 m深度處，樁身變形量隨列車速度變化幅度最大;隨著支護樁深度增加，樁身變形量隨列車速度變化幅度逐漸減小。

（4）在列車動載作用下，支護樁25 m深度處，樁身變形量隨列車速度增加變化很小，列車動荷載對樁體幾乎不產生影響。

參考文獻

[1] M.A.Lak，G.Degrande，G.Lombaert. The effect of road unevenness on the dynamic vehicle response and ground-borne vibrations due to road traffic[J].Soil Dynamics and Earthquake Engineering， 2011，31（10）：1 357-1 377.

[2] 張航，余傳波，宋技，等.交通荷載對基坑圍護結構變形特性的有限元分析[J].江西科學，2019，37（3）：409-414.

[3] 顏濤.移動荷載作用下基坑支護結構響應分析[D].武漢：武漢理工大學，2011.

[4] 邱洪志.交通荷載作用下基坑支護結構受力變形分析[D].鄭州：鄭州大學，2012.

[5] 趙桐德，李二超，閆繼業(yè)，等.動荷載作用下基坑支護結構動力響應研究[J].地震工程與工程振動，2020，40（3）：216-222.

[6] 張金誠.交通荷載作用下基坑懸臂式支擋結構的響應分析[D].杭州：浙江理工大學，2019.

[7] 朱冬宇.交通荷載對雙排樁支護結構的動力影響分析[D].杭州：浙江理工大學，2020.

[8] 丁森林.考慮車輛荷載影響及緊鄰建筑物的深基坑開挖穩(wěn)定性研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學，2018.