列车动荷载对基坑支护结构的影响

曹 顺 （马鞍山十七冶工程科技有限责任公司，安徽 马鞍山 243000）

列车动荷载对基坑支护结构的影响

曹 顺 （马鞍山十七冶工程科技有限责任公司，安徽 马鞍山 243000）

以上跨南京地铁2号线的基坑为工程背景，针对列车动荷载对基坑围护结构的影响进行研究。采用GTS软件建立模型，通过有限元计算，预测既有隧道结构在长期地铁移动荷载作用下，列车动荷载对既有隧道结构的正常使用与耐久性会产生一定的危害。为确保地铁的安全运营，需要采用相应的减震措施来降低动荷载对既有隧道的影响。

基坑；变形控制；既有隧道；影响因素

1 概述

本文以南京某城市道路改造项目作为工程背景，建立模型。主要是研究在地铁运营期间产生的列车动荷载对上部基坑支护结构的影响、对既有隧道结构的振动分析以及采取何种措施可以降低动荷载的影响。

刘建达[1]通过建立数值分析模型，研究了当地铁运动时所引起周围土层的振动，得到了影响隧道周围土层振动规律的因素；毕湘利[2]通过对轮轨激振荷载的模拟，研究分析了位于既有车站旁的基坑在开挖时原有车站结构的动力响应。

2 工程概况

本基坑采用灌注桩+支撑的支护形式。基坑分三步开挖到坑底，由于坑底距既有隧道顶部的净距离较近，为保证既有隧道的正常使用，在坑底下4m和既有隧道周围土体进行水泥土加固如图1。基坑支撑为3道φ=609mm，t=12mm的钢支撑。

3 动力模型的建立

3.1 计算模型

采用GTS软件进行模拟，根据实际开挖尺寸（长、宽、深）为42.0m、28.0m、8.5m，建立模型的尺寸为210m、150m、50m。采用的地质参数见下表1所示。利用GTS模拟动载对既有结构的影响，分两步完成[3]。分别为：第一特征值分析；第二时程分析。列车动荷载具有两种布置形式(见图3)。

图1 基坑与地铁2号线剖面关系图

李军世[4]把列车每组的轮载,利用傅里叶级数表示。将列车竖向振动产生的附加动载简化为指数函数，通过利用波具有可加性的特点，把列车所有的轮载都考虑到模型中去。地铁动载的作用位置见下图2。

计算采用的土层参数 表1

3.2 特征值分析的边界约束

在确定模型的边界条件后，才可以开始特征值分析。边界条件为用曲面弹簧来模拟计算模型的弹性边界，根据规范公式计算出模型的边界值见下表2。

模型的边界值（kN/m3） 表2

3.3 时程分析的边界约束

为模拟动荷载对既有隧道以及支护结构的影响，需要把模型边界弹簧用吸收边界来替换。根据规范公式求出在时程分析的过程中所需要的计算参数（表3）。

模型吸收边界计算参数 表3

4 计算结果的分析

4.1 列车动荷载对上部基坑围护结构振动的分析

在列车动载作用下，以支护桩在X、Y、Z方向的速度和加速度为研究对象，提取围护桩相应的最大与最小速度见表4。

围护桩在X、Y、Z方向上的速度（mm/s） 表4

通过表4可知在相同情况下，在Z方向产生的速度最大。这说明在振动向外传播的过程中，振动会产生衰减的现象。因此，地铁运行所引起的振动影响主要表现为竖直方向上的振动。

由表4可知，在不管在何种情况下，高速地铁运行荷载使基坑围护桩结构产生的振动速度均小于安全振速允许值3mm/s，基坑围护桩结构的振动影响处于可控的安全范围内。

4.2 列车动荷载对既有隧道结构振动分析

根据表4研究的结果，以既有隧道结构在Z方向的速度作为分析对象，研究在动荷载作用下对既有地铁隧道结构产生的影响见下图3与4。

图3 单侧列车运行荷载作用下既有隧道在Z方向速度

图4 两侧列车运行荷载作用下既有隧道在Z方向速度

从上图可以看出，当隧道有地铁运行时，既有隧道结构在Z方向产生的最大速度5.4mm/s超过了隧道结构振动影响控制标准值5mm/s[5]。列车动载会对既有地铁隧道的耐久性产生一定的不利影响，需要采用相应的减震措施来保证地铁的安全运行。

5 降低列车震动影响的措施

5.1 轨道类型的影响

重型钢轨具有抗震性能好、寿命长以及稳定性好等一系列优点。与轻型钢轨相比，可以减少2～4dB的振动强度[6]。

5.2 轨道线路形式的影响

目前认为城市轨道交通最佳的轨道形式是无缝线路，采用无缝线路可以减少5dB左右的振动强度。

5.3 轨道结构类型的影响

铁道部科学研究院曾经在实验室内铺设LVT进行试验。试验结果表明可以减小10dB左右的振动强度，减震效果良好。

6 结论

本文运用GTS软件建立三维模型。在动荷载的作用下对基坑模型进行分析。预测当地铁运行时，列车动荷载对基坑围护结构以及对既有地铁隧道的影响，结论如下。

①在X、Y、Z方向上基坑围护墙体的振动速度，在竖向的速度最大。

②基坑围护墙在Z方向上的最大振速为2.3mm/s小于允许值3mm/s，列车动荷载对基坑围护墙的影响处于安全可控范围之内。

③当隧道中有地铁运行时，既有隧道在竖向上的振速为5.4mm/s，超过允许值5mm/s，需要对隧道采取减震措施。

④针对既有隧道需要减震的情况，给出了目前常用减震的措施。

[1]刘建达.地铁运行引起的地面振动分析[J].自然灾害学报，2007，16 (5).

[2]毕湘利.列车振动荷载对邻近深基坑的既有站变形影响[J].同济大学学报，2004,32(12).

[3]卿伟.车-隧藕合条件下地铁陡道的动力晌应分析及对周边环境影晌的评估研究[D].重庆：重庆交通大学,2011.

[4]李军世.高速铁路路基动力反应的有限元分析[J].铁道报,1995,17(1).

[5]张厚贵，等.北京地下直径线运营对地铁2号线隧道结构振动影响控制标准的研究[J].隧道建设，2007，27(S1).

[6]张厚贵.北京铁路地下直径线列车振动对邻近地铁结构影响的研究[D].北京：北京交通大学，2008.

TU47

A

1007-7359（2016）06-0095-02

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.06.036

曹顺（1988-），男，河南商丘人，毕业于合肥工业大学，硕士，助理工程师。