兰州轨道交通1号线对白衣寺影响数值分析

杨华中 陈锦华

（1 兰州交通大学 甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室，甘肃 兰州 730070；2兰州交大工程咨询有限责任公司，甘肃 兰州730070)

1 引 言

兰州轨道交通1号线因考虑到客流和线网的因素不得不侧穿省级保护文物白衣寺，其采用的建筑材料及建筑形式使其对地表变形十分敏感，盾构施工过程中会引起地面沉降[1-3]，在运营过程中产生振动[4]都会危及白衣寺的安全。考虑城市建设和文物保护的协调发展，须对白衣寺塔采取相应的保护措施，以确保在盾构施工和运营期间白衣寺塔的安全。

2 盾构施工沉降的数值模拟及计算结果

2.1 数值模拟计算及结果

白衣寺内典型文物保护单位有铁柱宫、菩萨殿、多子塔，与兰州轨道交通1号线的关系如图1和图2。对白衣寺进行有隔离桩保护和无隔离桩保护两种工况模拟盾构开挖引起的地表及铁柱宫、菩萨殿和多子塔台基的沉降。采用有限元分析软件MIDAS/GTS对白衣寺建立三维模型进行计算分析。模型尺寸为120m×110m×41m，如图3为模型网格轴测图。

图1 白衣寺大门（铁柱宫）加固平面示意图

图2 白衣寺大门（铁柱宫）加固剖面示意图

图3 沉降模型网格轴测图

经计算可知，未采用隔离桩保护措施时，地表最大沉降为25.755mm，距隧道中轴线35.5m范围内（靠近铁柱宫侧）地表沉降最小为6.197mm。采用隔离桩保护措施后，地表最大沉降量为22.238mm，距隧道中轴线35.5m范围内（靠近铁柱宫侧）地表沉降最小为0.001mm。而采取隔离桩保护措施前后，铁柱宫、市博物馆大殿和白衣寺塔台基的沉降量如表1所示。

图4 DZ方向沉降示意图

图5 沉降监测点布置图

从表1及图6可以看出采取隔离桩保护措施后，铁柱宫监测点1最大沉降量由16.876mm减少至0.033mm，局部倾斜由0.008减少至0.000007，盾构施工对白衣寺影响大大减少，保护效果明显。采取隔离桩保护措施后，白衣寺内各文物保护单位均满足“最大沉降量不超过+5～-15 mm，局部倾斜不超过0.001”安全评估的沉降变形控制要求。

图6 加固前后监测点沉降量对比

3 列车运营振动对白衣寺影响分析及减振措施

表1 监测点沉降量加固前后对比

3.1 列车荷载及边界条件

列车在不平顺的轨道上行驶，竖向激振荷载可用一个激振力函数来模拟[6]，其表达式为

式中：p0为车轮静载；p1，p2，p3均为振动荷载，令列车簧下质量为M0，则相应的振动荷载幅值为

式中：ai为典型矢高，ωi 为对应车速下不平顺振动波长的圆频率，其计算式为

式中：v 为列车的运行速度；Li 为典型波长，兰州城市轨道交通1号线一般情况下最高运行速度按80km/h考虑。

为避免有限元法模拟空间振动问题时, 截断边界上产生反射使得计算失真, 采用弹簧阻尼吸收边界。

3.2 结果及分析

通过模拟地铁列车荷载源( 含减振轨道和不减振轨道) 和地层及结构动力模型的分析研究, 分别取上部结构顶点作为评估点来预测其振动响应, 如图10所示。

图10 振动监测点布置图

图11 减振前后速度对比图

根据图11可知在列车车速为80km/h,设置刚弹簧浮置板减振措施后各监测点的振动速度均满足《古建筑防工业振动技术规范》（GB/T 50452-2008）的要求。

4 结语

本文利用数值模拟分析了盾构开挖及轨道交通运行产生振动对文物的影响，评估其安全性，从而为轨道交通设计与文物保护提供依据。通过对白衣寺建立三维有限元模型进行计算分析，主要得出以下结论:

1）采用隔离桩保护措施进行加固对控制施工沉降有显著效果，铁柱宫最大基础沉降量由16.876mm减少到0.033mm。满足沉降控制标准。

2）列车轨道采用普通短枕式整体道床，列车单独运营振动对铁柱宫的影响较大，最大水平速度为0.267mm/s，须采用减振措施。采用浮置板减振轨道对列车振动引起的白衣寺区域上部结构顶点水平速度有效值有明显减少, 其中木结构最大减少量达到50.0%，砖结构最大减少量达到65.0%，满足控制标准的要求。

3）针对盾构开挖对白衣寺区域影响问题, 建议采取隔离桩保护措施进行加固, 以确保文物安全。针对列车单独运营振动对白衣寺区域影响问题, 建议采用刚弹簧浮置板减振轨道, 以确保文物安全。

[1]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB50157－2003 地铁设计规范[S].北京: 中国计划出版社,2003，59-73.

[2]李凭雨.地铁隧道区间开挖诱发的地表沉降对北京古建筑影响研究[D].北京:北京工业大学,2007，69-93.

[3]魏纲.盾构施工中土体损失引起的地面沉降预测[J].岩土力学,2007,28(11):2375-2379.WEI Gang.Prediction of surface settlement induced byground loss during shield tunneling construction[J].Rockand Soil Mechani cs,2007,28(11):2375-2379.

[4]闫维明, 张祎, 等.地铁运营诱发振动实测及传播规律[J].北京工业大学学报, 2006,32(2):149－154.YAN Wei-ming,ZHANG Yi,et al.In situ experiment and analysis of environmental vibration Induced by urban subway transit[J].Journal of Bejing University of Technology,2006,32(2):149-154.

[5]梁 波，蔡 英.不平顺条件下高速铁路路基的动力分析 [J].铁道学报，1999，21(2)：84–88.(Liang Bo，Cai Ying.Dynamic analysis of subgrade of high speed railways in geometric irregular condition[J].Journal of the China Railway Society，1999，21(2)：84–88.(in Chinese))

[6]中华人民共和国建设部.GB/T 50452-2008古建筑防工业振动技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2008，5-7.