地鐵荷載對(duì)基坑支護(hù)及既有隧道結(jié)構(gòu)影響

摘 要：地鐵基坑支護(hù)及既有隧道是地鐵的基本設(shè)施，其穩(wěn)定性及受力特性決定著地鐵建設(shè)的安全和使用效果。基于此，將基坑支護(hù)及既有隧道結(jié)構(gòu)作為主要研究對(duì)象，通過分析其受力情況，探究地鐵荷載對(duì)其可能產(chǎn)生的影響。以南京城西干道改造項(xiàng)目為例，運(yùn)用Midas/GTS軟件建立上跨南京地鐵2號(hào)線的基坑模型，進(jìn)行模擬地鐵振動(dòng)荷載作用模擬。對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行深入分析，預(yù)測(cè)在地鐵運(yùn)行期間基坑支護(hù)和既有隧道結(jié)構(gòu)所受到的影響，并探究降低列車振動(dòng)影響的相關(guān)措施。

關(guān)鍵詞：基坑支護(hù)；既有隧道；動(dòng)荷載；動(dòng)力分析

中圖分類號(hào)：TU473.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-6903（2024）09-0024-03

收稿日期：2024-03-14

作者簡(jiǎn)介：曹順（1988—），男，河南商丘人，碩士研究生，研究方向：巖土工程。

0 引言

隨著地鐵設(shè)施的建設(shè)要求逐步加強(qiáng)，研究地鐵荷載對(duì)基坑支護(hù)及既有隧道結(jié)構(gòu)的影響，從而保證地鐵運(yùn)行過程中產(chǎn)生振動(dòng)不會(huì)對(duì)地鐵設(shè)施產(chǎn)生破壞，形成對(duì)地鐵荷載最大程度限制。通過此種研究能夠理清地鐵荷載對(duì)周邊相關(guān)設(shè)施及建筑物的影響，不僅可以形成對(duì)地鐵設(shè)施的保護(hù)，還能夠一定程度上減少地鐵對(duì)隧道的影響，進(jìn)而保證既有隧道的完整性和穩(wěn)定性，保證地鐵周邊相關(guān)區(qū)域的整體安全。

部分學(xué)者對(duì)地鐵振動(dòng)產(chǎn)生的波強(qiáng)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)此種振動(dòng)可以隨著基坑支護(hù)與隧道形成傳遞，導(dǎo)致地鐵周圍介質(zhì)亦會(huì)受到此種振動(dòng)影響，對(duì)地鐵周圍的土層和地表土體會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)響應(yīng)。地鐵長(zhǎng)期往返經(jīng)過的區(qū)域，周圍的隧道土體會(huì)形成一定的塑性變形，且會(huì)隨著變形量的累計(jì)對(duì)地鐵基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形影響，或造成其地表的沉降。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)同一區(qū)域給予相同條件下不同的荷載，動(dòng)荷載與靜載對(duì)地基土體產(chǎn)生的作用力及變形情況存在著較大的區(qū)別。此實(shí)驗(yàn)研究為地鐵設(shè)施施工建設(shè)提供了較大的幫助，可荷載作為重要的施工考慮因素，進(jìn)而增強(qiáng)地基的穩(wěn)定性和強(qiáng)度，并結(jié)合地鐵的荷載量進(jìn)行施工建設(shè)。

在地鐵的基坑支護(hù)建設(shè)施工中，需要充分結(jié)合地鐵的實(shí)際荷載情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，施工單位要充分結(jié)合地鐵的荷載進(jìn)行基坑支護(hù)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。段邵偉、曾垂軍[1]使用有限元分析方法，分析了地鐵的動(dòng)荷載會(huì)對(duì)基坑造成的影響，并能夠著重研究了動(dòng)載作用會(huì)產(chǎn)生的影響，并利用對(duì)比模擬的方式進(jìn)行比較，最終得出水平簡(jiǎn)諧荷載是影響地鐵基坑支護(hù)變形的最大成因。

張國(guó)亮[2]對(duì)于地鐵荷載與基坑支護(hù)方面的研究，選用了深圳地鐵5號(hào)線民治車站與五和車站基坑進(jìn)行測(cè)定研究，其中分別設(shè)定動(dòng)荷載和靜載作用，并分別觀察兩種作用下基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力情況及變形規(guī)律，進(jìn)而得出最小受力情況的動(dòng)荷載情況，并根據(jù)相關(guān)公式推算出此時(shí)的最大行駛速度為60 km/h。對(duì)不對(duì)稱荷載性質(zhì)的基坑項(xiàng)目進(jìn)行了研究，從中發(fā)現(xiàn)了基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)所具有的位移與荷載模式。楊棟[3]利用計(jì)算理論進(jìn)行差分方程構(gòu)建，并結(jié)合地鐵基坑地基的半空間模型，最終求得了隧道縱向位移。閆朝霞[4]等運(yùn)用了實(shí)際測(cè)量的既有隧道受力影響數(shù)據(jù)，對(duì)地鐵運(yùn)行速度及荷載情況進(jìn)行了深入研究，最終得出荷載與基坑及既有隧道的變形情況的規(guī)律，進(jìn)而能夠?yàn)榈罔F施工建設(shè)創(chuàng)造相應(yīng)的條件。

1 工程概況

該基坑工程位于清涼門隧道與南京地鐵二號(hào)線相交處，挖深8.5 m，采用φ1000@800咬合樁+三道φ609鋼支撐支護(hù)形式，南北兩側(cè)擋墻需在二期施工完畢后進(jìn)行鑿除。基坑正下方為已運(yùn)行的地鐵2號(hào)線，為保證該地鐵線路的運(yùn)行安全，在基坑開挖前用三軸攪拌樁，對(duì)基坑底部以下4.0 m及地鐵線路周圍土體進(jìn)行加固（見圖1）。該基坑支護(hù)樁長(zhǎng)度在與地鐵隧道平行的方向?yàn)?21.3 m，在與地鐵隧道垂直的方向?yàn)?12.5 m。

該基坑上跨地鐵二號(hào)線，其中基坑底與既有地鐵襯砌頂部間距為5.0 m，該場(chǎng)地地質(zhì)條件較差（新建基坑依次穿過雜填土、素填土及軟塑狀粉質(zhì)黏土），具有較高的施工風(fēng)險(xiǎn)。

2 地鐵動(dòng)荷載作用下的數(shù)值模擬分析

2.1 動(dòng)力模型的建立

動(dòng)力模型的建立使用了巖土隧道專用GTS軟件，該段基坑開挖范圍為42 m、28 m與8.5 m（長(zhǎng)寬深），相應(yīng)的建立有限元模型尺寸為200 m、120 m與50 m。

用GTS軟件模擬列車動(dòng)荷載對(duì)既有隧道的影響，應(yīng)分兩步進(jìn)行[5]：①特征值分析。求出模型的特征周期。②時(shí)程分析。通過輸入模型的特征周期及列車運(yùn)行荷載，來模擬出在動(dòng)荷載作用下既有隧道的動(dòng)力特征。列車動(dòng)載的布置有兩種形式單側(cè)隧道布置與兩側(cè)隧道同時(shí)布置運(yùn)行荷載。

李軍世、李克訓(xùn)等[6]在研究中進(jìn)行了假設(shè)，排除其他相關(guān)因素影響，進(jìn)行理想化的動(dòng)荷載設(shè)定，其中不考慮地鐵長(zhǎng)度及輪載周期性質(zhì)變化，可用Fourie級(jí)數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)該動(dòng)載的表達(dá)。

基于此，車輛承受豎向振動(dòng)的動(dòng)荷載，可運(yùn)用指數(shù)函數(shù)進(jìn)行表示，其中包含對(duì)振動(dòng)幅值與頻率的考量，并結(jié)合振動(dòng)波的可加性特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)列車所有輪載的動(dòng)荷載模型構(gòu)建。

2.2 特征值分析的邊界條件

需先對(duì)該模型的邊界條件及特征值進(jìn)行分析，在模型構(gòu)建中可利用曲面彈簧進(jìn)行彈性邊界模擬，其中可利用相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行彈簧常量的公式求解。

2.3 時(shí)程分析的邊界約束

在模型中，用吸收邊界來代替彈簧，以減少地鐵運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的反力波對(duì)邊界條件的影響。根據(jù)相關(guān)規(guī)范公式，求出在時(shí)程分析時(shí)所需的吸收邊界值P波Cp和S波Cs。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 動(dòng)荷載對(duì)上部基坑支護(hù)樁的影響分析

影響因素分析過程中，動(dòng)荷載作用區(qū)域分別選用單側(cè)地鐵隧道與兩側(cè)地鐵隧道進(jìn)行研究分析，其中不同荷載作用區(qū)域的基坑護(hù)樁在X、Y、Z方向的產(chǎn)生的最大速度值與最小速度值詳細(xì)數(shù)據(jù)見表1，可實(shí)現(xiàn)對(duì)其加速度和安全速度的計(jì)算。

根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，地鐵運(yùn)行中產(chǎn)生的動(dòng)荷載對(duì)不同區(qū)域隧道產(chǎn)生的振動(dòng)有影響，并且由表1可知，地鐵在單側(cè)隧道和兩側(cè)隧道分別運(yùn)行中，由動(dòng)荷載引起的基坑圍護(hù)樁豎向（Z方向）最小速度不同，分別為-1.76 mm/s和-2.3 mm/s，由此可得出，在地鐵日常正常運(yùn)行中，荷載作用下基坑圍護(hù)樁處于3 mm/s的可控安全振動(dòng)速度范圍內(nèi)。

3.2 動(dòng)荷載對(duì)隧道的影響分析

根據(jù)表1研究的結(jié)果，選取地鐵在兩側(cè)隧道同時(shí)運(yùn)行與地鐵在單側(cè)隧道運(yùn)行的同樣條件，對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)在Z方向的速度進(jìn)行研究和分析，進(jìn)而分析動(dòng)荷載作用對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)影響的理論。

從模型計(jì)算結(jié)果可以看出，單側(cè)隧道與兩側(cè)隧道運(yùn)行狀態(tài)下，地鐵動(dòng)荷載作用中既有隧道豎向（Z方向）產(chǎn)生的最大速度存在差異不明顯，分別為5.41 mm/s與5.43 mm/s，由此判斷出既有隧道結(jié)構(gòu)的安全振速允許值為 2.5～5 mm/s。若超出該允許值，則一定程度上會(huì)對(duì)地鐵既有隧道結(jié)構(gòu)的耐久性產(chǎn)生振動(dòng)損壞影響，需采用相應(yīng)的減震和控制措施進(jìn)行最大振動(dòng)速度限定，確保維護(hù)既有隧道的穩(wěn)定性。

4 列車減少振動(dòng)影響的常用措施

4.1 既有隧道減振程度的分析

現(xiàn)階段多使用振動(dòng)級(jí)對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行評(píng)估，其中速度級(jí)標(biāo)準(zhǔn)與加速度級(jí)標(biāo)準(zhǔn)是其主要的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

在進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)中，可對(duì)振動(dòng)速度進(jìn)行直接檢測(cè)，而對(duì)加速度需進(jìn)行公式計(jì)算。對(duì)于速度振動(dòng)級(jí)則需要運(yùn)用公式來進(jìn)行計(jì)算，確定隧道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)程度。

結(jié)合研究，此項(xiàng)計(jì)算的結(jié)果需要與振動(dòng)速度允許值進(jìn)行比對(duì)，在5 mm/s范圍內(nèi)的速度值，可判定地鐵對(duì)既有隧道的結(jié)構(gòu)尚未產(chǎn)生破壞性影響，而若超出最大限值速度運(yùn)行時(shí)，則會(huì)對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不良影響，需進(jìn)行減震處理，方能保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、安全性、耐久性，要確保隧道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)維持在安全限值標(biāo)準(zhǔn)以下。

其中加速度級(jí)衰減量公式[7]如式（1）所示。

（1）

其中速度級(jí)衰減量公式如式（2）所示。

（2）

可得出兩側(cè)地鐵動(dòng)荷載作用下既有隧道需減震的程度如式（3）所示。

（3）

因此，在有列車動(dòng)荷載作用下既有隧道需要進(jìn)行減震0.8 dB的程度，而一般的減振措施如DTVI2 型扣件（減震量大約在3 dB左右）即能滿足減震的要求。

4.2 軌道類型對(duì)減振效果的影響

可使用重置軌道類型的方式，實(shí)現(xiàn)減震的目的。其中鋼軌腹板厚度決定著列的車輪運(yùn)行中會(huì)對(duì)鋼軌腰造成的振動(dòng)強(qiáng)度。因此，在減振過程中，可適當(dāng)?shù)脑黾愉撥壐拱搴穸龋靡杂行У慕档蛯?duì)軌腰的振動(dòng)影響。對(duì)于震動(dòng)中產(chǎn)生的噪音問題，可通過在鋼軌腹板粘貼高阻尼橡膠的方式，形成對(duì)噪聲及振動(dòng)的衰減。還可對(duì)鋼軌使用減震型扣件，通過增大鋼軌彈性作用，使其與道床間的振動(dòng)降低。常見的用于地鐵鋼軌上的減震型扣件可有效降低強(qiáng)度為4～5 dB。

4.3 軌道線路形式對(duì)減振效果的影響

對(duì)于地鐵減震的研究中，現(xiàn)階段國(guó)際上多推薦采用無縫線路鋪設(shè)的方式，減少軌道振動(dòng)作用。此種無縫線路形式能夠最大限度上降低車輪對(duì)軌道的沖擊，并實(shí)現(xiàn)運(yùn)行中承受阻尼值的降低，可降低10%～20%。與有縫線路的比較，無縫線路能夠極大程度上消除車輪對(duì)鋼軌接頭的影響，進(jìn)而有效地減少5 dB左右的振動(dòng)效應(yīng)強(qiáng)度。

根據(jù)地鐵建設(shè)資料分析，可發(fā)現(xiàn)在對(duì)地鐵進(jìn)行運(yùn)營(yíng)管理中，可通過強(qiáng)化鋼軌結(jié)構(gòu)狀態(tài)管理，提升鋼軌的平順性，實(shí)現(xiàn)車輪對(duì)軌道撞擊的弱化。實(shí)際建設(shè)中，可定期對(duì)地鐵軌道上油，并對(duì)凹凸不平處進(jìn)行打磨，實(shí)現(xiàn)減少震動(dòng)的目的。

5 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合該改造項(xiàng)目的實(shí)際情況，并運(yùn)用Midas/GTS建立三維模型，對(duì)動(dòng)荷載作用下基坑支護(hù)及既有隧道結(jié)構(gòu)影響進(jìn)行研究分析，發(fā)現(xiàn)地鐵運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)效應(yīng)，引起的動(dòng)荷載會(huì)對(duì)基坑支護(hù)及既有隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同程度的影響，需進(jìn)行相應(yīng)的減振操作處理。

研究分析得到結(jié)論如下：列車動(dòng)荷載對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生影響，相比靜載狀態(tài)下會(huì)形成一定程度的受力與變形，但此種影響尚不具備嚴(yán)重的后果，在可接受范圍之內(nèi)。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)X、Y、Z方向上基坑圍護(hù)墻體的振動(dòng)速度與加速度進(jìn)行分析，基坑支護(hù)最大振速小于安全速度允許值，由此可判斷列車動(dòng)荷載對(duì)基坑圍護(hù)墻的影響尚處于安全可控范圍內(nèi)。地鐵振動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)荷載對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)的耐久性通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果判斷，發(fā)現(xiàn)可對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不良影響，需進(jìn)行減震處理。對(duì)于現(xiàn)階段我國(guó)采用軌道減振措施，能夠一定程度減少動(dòng)荷載對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)的影響，如改變鋼軌腹板厚度、使用軌道減震扣件、建立無縫線路等，均有一定的成效。

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