列车动荷载对邻近基坑开挖稳定性的影响

2021-01-09李世忠宋国芳

山东农业大学学报（自然科学版） 2020年6期

李世忠,宋国芳

1.湖南高速铁路职业技术学院,湖南衡阳421002

2.湖南工程职业技术学院,湖南长沙410151

随着城市人口与地下空间开发规模的不断增大，在已建构筑物旁进行基坑开挖的工程实例也越来对多[1-3]。当在铁路路堤附近新建地铁深基坑时，铁路路堤偏压[4,5]以及列车冲击荷载势[6,7]必然会对基坑开挖稳定性造成不利影响，严重威胁基坑安全。因此，为保障铁路路堤与基坑安全，如何准确评估列车动荷载作用就显得尤为重要。

针对列车动荷载作用对邻近基坑开挖稳定性的影响问题，高伟君[8]通过轮轨竖向耦合振动模型分析指出，既有车站内的列车荷载引起的邻近基坑结构变形在允许值的7%范围以内，引起的地面沉降在允许值的3%范围以内；石钰锋[9,10]将列车动载转化为等效土柱压力进行偏压基坑稳定性分析，表明在基坑开挖过程中不能忽视列车动载的影响；张学民[11]通过动力有限元模型，讨论了列车荷载对基坑围护结构的振动响应，他认为列车激振作用对围护结构变形影响较大而对内力影响较小；李立云[12]通过试验测试了列车荷载引起的环境振动，指出由于基坑暴露时间短，列车荷载对临近基坑影响很小；Qiu HZ 等[13]利用ABAQUS 软件分析了车辆荷载作用下基坑支护结构的动力响应特征，指出列车加载频率越大，基坑支护结构的位移就越大；Zhu DP 等[14]以成都地铁2 号线新馆深基坑为例，通过数值模拟研究得出地铁列车振动载荷对地面沉降影响不大，地铁列车动荷载作用下深基坑围护结构始终处于弹性状态；郑明新[15]以孙渡特大桥上跨丰洛铁路桥墩施工为背景，得出不同客车和货车速度下，铁路路堤中心竖向最大动位移均要大于3.3 mm，列车速度越大，铁路路堤的变形也越大；姜开明[16]总结了由列车动载引起的基坑支护振动加速的衰减规律，指出按照列车等效静载设计基坑支护的方法难以完全满足紧邻既有线路的基坑施工安全要求。

上述研究成果表明，列车荷载对邻近基坑稳定性的影响主要体现在加剧铁路路基本身的沉降以及增大基坑围护结构的水平变形两方面，但具体增大多少，各个研究成果间却存在较大的差异。造成这种差异的原因，笔者认为主要有两个，第一个是，一部分研究成果将列车荷载视为类似地震类的偶然荷载，只在基坑开挖过后施加动荷载，而忽视了基坑开挖前列车动荷载也会对铁路路基以及基坑附近土体的变形产生影响，造成计算结果偏大；另一个原因是，一些成果将列车荷载简单换算成静力荷载施加在铁路路基上或者忽视地铁深基坑的分步开挖时间效应问题，导致分析结果偏小。因此为尽可能反应列车动荷载对基坑稳定性的定量影响，本文以深圳地铁5 号线民治站基坑工程为背景，考虑流固耦合作用，对不同开挖分步状态下的基坑均进行列车荷载动力计算，采用FLAC3D软件分析了不同客车和货车运行速度下基坑的地表沉降、围护结构位移、支撑内力等，研究结果可为今后类似工程提供参考，具有较大的工程价值。

1 工程概况

深圳地铁5 号线民治站基坑工程紧邻平南铁路，平行铁路长度310 m，其北侧围护结构切入铁路坡脚约2 m，开挖地面则低于铁路路基顶部7～9 m，如图1 所示。车站基坑标准段宽度19.6 m、深度16.9 m，北侧连续墙宽度为1.2 m、高度22.9 m，南侧连续墙宽度为1.2 m、高度21.4 m。由于存在路基偏压以及列车动荷载作用，为保证铁路路基以及基坑的安全，基坑开挖过程中对铁路路基进行钢管桩和预应力锚索支护，对基坑围护结构外两侧地层则进行注浆+锚索以及旋喷桩支护。基坑场地范围内土层由上至下依次为素填土、砾质粘性土、全风化花岗岩、中风化花岗岩和微风化花岗岩，地下水主要位于全风化花岗岩和中风化花岗岩内，各地层的物理力学参数如表1 所示。

图1 民治站基坑工程标准面设计图/mFig.1 Standard surface design of Minzhi Station foundation pit

整个基坑从上往下共分5 步开挖，其中，第1 步开挖至地下2 m，施作钢筋混凝土支撑；第2步开挖至地下7.6 m，施作第1 道钢支撑；第3 步开挖至地下11.1 m，施作第2 道钢支撑；第4 步开挖至地下13.6 m，施作第3 道钢支撑；第5 步开挖至地下16.9 m，施作基底垫层。

表1 民治站基坑场地范围内土层的物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of soil layers in the Minzhi Station foundation pit

2 数值模拟分析

2.1 数值模拟模型

根据图1 所示情况，取民治站基坑工程标准段6 m 进行数值模拟分析，采用岩土工程通用软件FALC3D建立数值模型如图2 所示。该模型宽度为135.3 m，总高度为68.6 m，共包含37350 个节点和30280 个单元。模型边界条件设置为顶部自由，四周及底部法向约束，同时对模型左右两侧施加定水头压力，静水水头位于地下-10 m。

图2 民治站基坑工程数值模拟模型Fig.2 Numerical simulation model of Minzhi Station foundation pit

基坑开挖过程中，采用实体单元模拟铁路道床、加固区、钢管桩、冠梁、混凝土支撑以及连续墙；采用cable 单元模拟预应力锚索；采用beam 单元模拟钢支撑，各材料主要参数如表2 所示。

表2 加固材料主要参数Table 2 Main parameters of reinforcement materials

2.2 列车动载模拟分析

当列车在轨道上行驶时，列车荷载将以一定的频率作用于铁路道床和路基上，其幅值和频率大小与列车轴重和行驶大小有关。其中，列车动轮载可根据以下经验公式进行计算：

式中：Pd为列车动轮载，kN；pj为列车静轮载，kN；α为动力冲击系数（客车和火车共线取0.005）；v为列车行驶速度，km/h。

查阅25 型系列客车组和C70 重载货车组列车数据[17]，并根据公式(1)可绘制出不同行驶速度下客货两种列车单节车厢作用在钢轨上任一点的单轮动荷载时程曲线如图3 所示。

考虑列车车厢为8 节，将列车8 节车厢的荷载都按如图3 所示的变化规律作用于铁路路基上方两侧钢轨位置，然后打开FLAC3D中的动力分析模式进行列车动荷载影响分析。分析过程中，设置岩土地层的瑞利阻尼参数为40 HZ 的主频以及0.5%的临界阻尼比，混凝土结构瑞利阻尼参数为40 HZ 的主频以及2%的临界阻尼比。

2.3 数值模拟分析步骤

在FLAC3D中，考虑流固耦合以及列车动荷载冲击作用的基坑开挖数值模拟分析步骤如下：

（1）建立基坑开挖数值模拟模型；

（2）关闭动力分析模式，打开渗流分析模式，进行基坑流固耦合初始应力状态计算；

（3）关闭渗流分析模式，对铁路路基施加列车动荷载，打开动力分析模式进行列车动荷载计算；

（4）移除列车动荷载并关闭动力分析模式，模型位移清零，对铁路路基进行加固，对基坑进行第1 步降水和开挖支护，打开渗流模式进行流固耦合计算分析；

（5）关闭渗流分析模式，对铁路路基施加列车动荷载，打开动力分析模式进行列车动荷载计算；

（6）根据基坑分步开挖顺序，依次切换渗流和动力分析模式，进行基坑降水、开挖、支护以及列车动荷载计算，直至基坑开挖完成。

图3 列车单节车厢作用在钢轨上的单轮动荷载时程曲线Fig.3 Time-history curve of single-wheel dynamic load acting on the rail by single carriage of train

图4 数值模拟结果与实际监测数据的对比Fig.4 Comparison of numerical simulation results with actual monitoring data

3 数值模拟结果分析

3.1 与实际工程监测数据的对比分析

列车动荷载作用下基坑第3 步和第5 步开挖过后，数值模拟与实际监测得到的基坑靠近铁路一侧（北侧）墙体的水平位移分布曲线如图4 所示。可以看出，本文模拟得到的墙体水平位移大小、分布规律以及最大值出现位置均与实际相一致；此外，实际监测得到基坑南侧的地表沉降值约为11.9 mm，而本文计算结果则为9.3 mm，两者也比较接近，说明本文建立的计算分析模型较为准确。

3.2 不同列车荷载施加方式对基坑稳定性的影响

基坑开挖过程中不考虑列车荷载，或将120 km/h 的客车荷载等效为静土压力，以及将列车荷载视为动荷载3 种不同情况下基坑两侧围护结构的水平位移分布曲线如图5 所示。不考虑列车荷载情况下，基坑近铁路侧以及远离铁路侧的围护结构最大位移分别为23.9 mm 和16.9 mm；而将客车荷载等效为静土压力时，基坑两侧的围护结构最大位移则分别为26.6 mm 和19.6 mm，比不考虑列车荷载情况下分别大了11.3%和16.0%。当视列车荷载为动荷载时，基坑两侧围护结构最大位移与“将列车荷载等效为静荷载”这种情况相当，但其在连续墙上部（墙深-12 m 以上）出现的位移要偏大。由此可见，在分析围护结构最大变形时，将列车荷载等效为静土压力是可行的。

图5 不同列车荷载施加方式下基坑围护结构位移Fig.5 Displacement of foundation pit enclosure under different train loads

图6 给出了列车荷载不同施加方式下基坑两侧地表的沉降曲线。当不考虑列车荷载时，基坑近铁路侧地表最大沉降出现在铁路路基中心附近约10 m 的范围内，其值约为13.1 mm；远离铁路侧地表最大沉降则出现在距基坑围护结构边缘约8 m 的位置，为8.6 mm。将列车荷载等效为静土压力或视为动荷载时，基坑远离铁路侧的地表沉降基本不发生变化，而近铁路侧最大沉降则会分别增长约2.3 mm 和3.2 mm。其中，列车荷载等效为静土压力情况下，近铁路侧地表沉降增长主要发生在铁路路基顶部位置，而将列车荷载视为动荷载情况下，近铁路侧的地表沉降增长主要发生在距围护结构边缘约5 m 的坡中位置。这说明，将列车荷载视为动荷载时，列车荷载对基坑周边土体变形的影响要相对更剧烈。

不同列车荷载施加方式下基坑各道支撑轴力值分布如表3 所示。由表可知，不同列车荷载施加方式下，顶部钢筋混凝土支撑的轴力变化幅度约为102 kN，第1～3 道钢支撑的轴力变化幅度则分别为41 kN、52 kN 和35 kN，说明不同列车荷载施加方式对基坑内部支撑轴力影响程度是由上往下逐渐减弱的。将列车荷载等效为静土压力或视为动荷载作用时，基坑顶部钢筋混凝土支撑轴力要比不考虑列车荷载时大，而钢支撑轴力则要比不考虑列车荷载时小。

图6 不同列车荷载施加方式下基坑两侧地表沉降Fig.6 Surface settlement on both sides of the foundation pit under different train loads

表3 不同列车荷载施加方式下基坑支撑轴力(kN)Table 3 Axial force of foundation pit support under different train loads

3.3 不同开挖分步下邻近基坑稳定性分析

当客车运行速度为120 km/h 时，不同开挖分步下基坑两侧围护结构的水平位移如图7 所示。基坑第1 步开挖过后，基坑两侧墙体均向坑内发生“弓形”变形，其变形最大出现在墙深-10 m 位置。随着基坑向下开挖，受铁路路堤偏压及列车动载共同作用影响，基坑近铁路侧墙体的位移要明显大于远离铁路侧；并且当基坑开挖至一定深度后，远离铁路侧墙体上部将向基坑外侧发生移动。基坑开挖深度越深，两侧墙体位移就越大且最大位移出现位置越靠下；同一开挖分步下，远离铁路侧的墙体最大位移出现位置要比近铁路侧靠下约3 m。当基坑开挖结束后，基坑近铁路侧墙体最大位移为26.6 mm，出现在墙深-12.8 m 的位置，由该位置往上，墙体各处水平位移均保持较大；基坑远离铁路侧墙体最大位移则为18.2 mm，出现在墙深-15.8 m 的位置，由墙深-7 m 越往上，墙体往基坑外的水平位移就越大，至墙顶时，该位移达到了14.6 mm。可见，铁路路堤偏压及列车动载作用严重影响了基坑上部围护结构的变形。

图7 不同开挖分步下基坑两侧围护结构位移Fig.7 Displacement of retaining structure on both sides of the foundation pit under different excavation steps

由图8 可知，不同开挖分步下，基坑近铁路侧的地表沉降都要大于远离铁路侧，并且因施工初次扰动时间较长，第1 步开挖对地表沉降影响最大。随着基坑向下开挖，基坑两侧地表沉降大小和影响范围逐渐增大，尤其以近铁路侧变化最为明显。当基坑开挖完成后，近铁路侧地表会在距围护结构边缘约5～20 m 的范围内出现15 mm 以上的沉降，而在距围护结构边缘约30 m 以上则沉降基本为0；远离铁路侧则在距围护结构边缘约8 m 的位置出现最大沉降值9.2 mm，由该位置往两侧，地表沉降值逐渐减小，但其往基坑外的减小速率要相对更慢。

图8 不同开挖分步下基坑两侧地表沉降Fig.8 Surface settlement on both sides of the foundation pit under different excavation steps

不同开挖分步下基坑各道支撑轴力值如表4 所示。不同开挖分步下，各道支撑的轴力差异很大，其中顶部钢筋混凝土支撑轴力在第2 步开挖后表现最大，为2020 kN，而后随着基坑向下开挖，其值逐渐减小，至基底时，为1696 kN。第1～3 道钢支撑轴力则随着基坑向下开挖，其值都将逐渐增大，但相同开挖深度下，均是第1 道钢支撑轴力最大，第2 道次之，第3 道最小。基坑开挖结束后，第1～3 道的钢支撑轴力分别为1547 kN、1293 kN 和1010 kN。

表4 不同开挖分步下基坑各道支撑轴力值/kNTable 4 Support axial force values of foundation pit under different excavation steps

3.4 不同列车运行速度对基坑稳定性的影响

为进一步研究不同列车运行速度对基坑稳定性的影响，本文模拟了4 种列车运行速度条件，分别是货车40 km/h、货车80 km/h、客车60 km/h 和客车120 km/h。

图9 为基坑开挖结束后，基坑两侧围护结构在不同列车运行速度下的水平位移分布曲线。由图可知，不同列车运行速度主要是对两侧墙体上半部分位移产生较大影响，而且越接近地表，影响越大。列车不同运行速度下，两侧墙体最大变化幅度约为2.6 mm，是墙体最大位移的10%；列车轴重越大或运行速度越快，近铁路侧墙体上半部往基坑内的位移就越大，同时远离铁路侧墙体上半部往基坑外的位移也越大。即，列车运行速度对墙体变形影响的严重程度，由高往低依次是货车80 km/m、客车120 km/h、货车40 km/和客车60 km/h。

图9 不同列车运行速度下基坑围护结构位移Fig.9 Displacement of foundation pit enclosure under different train running speeds

不同列车运行速度下基坑两侧地表沉降如图10 所示。可以看出，不同列车运行速度对远离铁路侧的地表沉降影响很小，而对近铁路侧的地表沉降影响则相对较大。车轴重越大或运行速度越快，近铁路侧地表沉降就越大，不同列车运行速度下，近铁路侧地表最大沉降差异值约为1.3 mm，是最大沉降值的7.6%。因此，研究既有铁路对邻近基坑变形的影响时，对于客货共线的铁路，建议铁路列车荷载按货车最大运行速度进行取值计算分析。

表5 所示为不同列车运行速度下基坑各道支撑轴力值。不同列车运行速度下，基坑顶部钢筋混凝土支撑、第1～3 道钢支撑的轴力波动范围大小约分别为45 kN、46 kN、34 kN 和30 kN，是支撑轴力的2.5%～3.0%。说明不同列车运行速度对邻近基坑的支撑轴力影响不大。