地铁荷载对基坑支护及既有隧道结构影响

摘 要：地铁基坑支护及既有隧道是地铁的基本设施，其稳定性及受力特性决定着地铁建设的安全和使用效果。基于此，将基坑支护及既有隧道结构作为主要研究对象，通过分析其受力情况，探究地铁荷载对其可能产生的影响。以南京城西干道改造项目为例，运用Midas/GTS软件建立上跨南京地铁2号线的基坑模型，进行模拟地铁振动荷载作用模拟。对基坑围护结构的动态响应进行深入分析，预测在地铁运行期间基坑支护和既有隧道结构所受到的影响，并探究降低列车振动影响的相关措施。

关键词：基坑支护；既有隧道；动荷载；动力分析

中图分类号：TU473.2 文献标识码：A 文章编号：2096-6903（2024）09-0024-03

收稿日期：2024-03-14

作者简介：曹顺（1988—），男，河南商丘人，硕士研究生，研究方向：岩土工程。

0 引言

随着地铁设施的建设要求逐步加强，研究地铁荷载对基坑支护及既有隧道结构的影响，从而保证地铁运行过程中产生振动不会对地铁设施产生破坏，形成对地铁荷载最大程度限制。通过此种研究能够理清地铁荷载对周边相关设施及建筑物的影响，不仅可以形成对地铁设施的保护，还能够一定程度上减少地铁对隧道的影响，进而保证既有隧道的完整性和稳定性，保证地铁周边相关区域的整体安全。

部分学者对地铁振动产生的波强进行研究，发现此种振动可以随着基坑支护与隧道形成传递，导致地铁周围介质亦会受到此种振动影响，对地铁周围的土层和地表土体会产生振动响应。地铁长期往返经过的区域，周围的隧道土体会形成一定的塑性变形，且会随着变形量的累计对地铁基坑支护结构产生变形影响，或造成其地表的沉降。实验研究发现，对同一区域给予相同条件下不同的荷载，动荷载与静载对地基土体产生的作用力及变形情况存在着较大的区别。此实验研究为地铁设施施工建设提供了较大的帮助，可荷载作为重要的施工考虑因素，进而增强地基的稳定性和强度，并结合地铁的荷载量进行施工建设。

在地铁的基坑支护建设施工中，需要充分结合地铁的实际荷载情况进行设计，施工单位要充分结合地铁的荷载进行基坑支护稳定性设计。段邵伟、曾垂军[1]使用有限元分析方法，分析了地铁的动荷载会对基坑造成的影响，并能够着重研究了动载作用会产生的影响，并利用对比模拟的方式进行比较，最终得出水平简谐荷载是影响地铁基坑支护变形的最大成因。

张国亮[2]对于地铁荷载与基坑支护方面的研究，选用了深圳地铁5号线民治车站与五和车站基坑进行测定研究，其中分别设定动荷载和静载作用，并分别观察两种作用下基坑支护结构的受力情况及变形规律，进而得出最小受力情况的动荷载情况，并根据相关公式推算出此时的最大行驶速度为60 km/h。对不对称荷载性质的基坑项目进行了研究，从中发现了基坑支护结构所具有的位移与荷载模式。杨栋[3]利用计算理论进行差分方程构建，并结合地铁基坑地基的半空间模型，最终求得了隧道纵向位移。闫朝霞[4]等运用了实际测量的既有隧道受力影响数据，对地铁运行速度及荷载情况进行了深入研究，最终得出荷载与基坑及既有隧道的变形情况的规律，进而能够为地铁施工建设创造相应的条件。

1 工程概况

该基坑工程位于清凉门隧道与南京地铁二号线相交处，挖深8.5 m，采用φ1000@800咬合桩+三道φ609钢支撑支护形式，南北两侧挡墙需在二期施工完毕后进行凿除。基坑正下方为已运行的地铁2号线，为保证该地铁线路的运行安全，在基坑开挖前用三轴搅拌桩，对基坑底部以下4.0 m及地铁线路周围土体进行加固（见图1）。该基坑支护桩长度在与地铁隧道平行的方向为 21.3 m，在与地铁隧道垂直的方向为 12.5 m。

该基坑上跨地铁二号线，其中基坑底与既有地铁衬砌顶部间距为5.0 m，该场地地质条件较差（新建基坑依次穿过杂填土、素填土及软塑状粉质黏土），具有较高的施工风险。

2 地铁动荷载作用下的数值模拟分析

2.1 动力模型的建立

动力模型的建立使用了岩土隧道专用GTS软件，该段基坑开挖范围为42 m、28 m与8.5 m（长宽深），相应的建立有限元模型尺寸为200 m、120 m与50 m。

用GTS软件模拟列车动荷载对既有隧道的影响，应分两步进行[5]：①特征值分析。求出模型的特征周期。②时程分析。通过输入模型的特征周期及列车运行荷载，来模拟出在动荷载作用下既有隧道的动力特征。列车动载的布置有两种形式单侧隧道布置与两侧隧道同时布置运行荷载。

李军世、李克训等[6]在研究中进行了假设，排除其他相关因素影响，进行理想化的动荷载设定，其中不考虑地铁长度及轮载周期性质变化，可用Fourie级数实现对该动载的表达。

基于此，车辆承受竖向振动的动荷载，可运用指数函数进行表示，其中包含对振动幅值与频率的考量，并结合振动波的可加性特点，能够实现对列车所有轮载的动荷载模型构建。

2.2 特征值分析的边界条件

需先对该模型的边界条件及特征值进行分析，在模型构建中可利用曲面弹簧进行弹性边界模拟，其中可利用相关设计规范进行弹簧常量的公式求解。

2.3 时程分析的边界约束

在模型中，用吸收边界来代替弹簧，以减少地铁运行时产生的反力波对边界条件的影响。根据相关规范公式，求出在时程分析时所需的吸收边界值P波Cp和S波Cs。

3 计算结果分析

3.1 动荷载对上部基坑支护桩的影响分析

影响因素分析过程中，动荷载作用区域分别选用单侧地铁隧道与两侧地铁隧道进行研究分析，其中不同荷载作用区域的基坑护桩在X、Y、Z方向的产生的最大速度值与最小速度值详细数据见表1，可实现对其加速度和安全速度的计算。

根据研究发现，地铁运行中产生的动荷载对不同区域隧道产生的振动有影响，并且由表1可知，地铁在单侧隧道和两侧隧道分别运行中，由动荷载引起的基坑围护桩竖向（Z方向）最小速度不同，分别为-1.76 mm/s和-2.3 mm/s，由此可得出，在地铁日常正常运行中，荷载作用下基坑围护桩处于3 mm/s的可控安全振动速度范围内。

3.2 动荷载对隧道的影响分析

根据表1研究的结果，选取地铁在两侧隧道同时运行与地铁在单侧隧道运行的同样条件，对既有隧道结构在Z方向的速度进行研究和分析，进而分析动荷载作用对既有隧道结构影响的理论。

从模型计算结果可以看出，单侧隧道与两侧隧道运行状态下，地铁动荷载作用中既有隧道竖向（Z方向）产生的最大速度存在差异不明显，分别为5.41 mm/s与5.43 mm/s，由此判断出既有隧道结构的安全振速允许值为 2.5～5 mm/s。若超出该允许值，则一定程度上会对地铁既有隧道结构的耐久性产生振动损坏影响，需采用相应的减震和控制措施进行最大振动速度限定，确保维护既有隧道的稳定性。

4 列车减少振动影响的常用措施

4.1 既有隧道减振程度的分析

现阶段多使用振动级对既有隧道结构的振动效应进行评估，其中速度级标准与加速度级标准是其主要的评价标准。

在进行模拟实验中，可对振动速度进行直接检测，而对加速度需进行公式计算。对于速度振动级则需要运用公式来进行计算，确定隧道结构的振动响应程度。

结合研究，此项计算的结果需要与振动速度允许值进行比对，在5 mm/s范围内的速度值，可判定地铁对既有隧道的结构尚未产生破坏性影响，而若超出最大限值速度运行时，则会对既有隧道结构产生不良影响，需进行减震处理，方能保证结构的稳定性、安全性、耐久性，要确保隧道结构的振动响应维持在安全限值标准以下。

其中加速度级衰减量公式[7]如式（1）所示。

（1）

其中速度级衰减量公式如式（2）所示。

（2）

可得出两侧地铁动荷载作用下既有隧道需减震的程度如式（3）所示。

（3）

因此，在有列车动荷载作用下既有隧道需要进行减震0.8 dB的程度，而一般的减振措施如DTVI2 型扣件（减震量大约在3 dB左右）即能满足减震的要求。

4.2 轨道类型对减振效果的影响

可使用重置轨道类型的方式，实现减震的目的。其中钢轨腹板厚度决定着列的车轮运行中会对钢轨腰造成的振动强度。因此，在减振过程中，可适当的增加钢轨腹板厚度，用以有效的降低对轨腰的振动影响。对于震动中产生的噪音问题，可通过在钢轨腹板粘贴高阻尼橡胶的方式，形成对噪声及振动的衰减。还可对钢轨使用减震型扣件，通过增大钢轨弹性作用，使其与道床间的振动降低。常见的用于地铁钢轨上的减震型扣件可有效降低强度为4～5 dB。

4.3 轨道线路形式对减振效果的影响

对于地铁减震的研究中，现阶段国际上多推荐采用无缝线路铺设的方式，减少轨道振动作用。此种无缝线路形式能够最大限度上降低车轮对轨道的冲击，并实现运行中承受阻尼值的降低，可降低10%～20%。与有缝线路的比较，无缝线路能够极大程度上消除车轮对钢轨接头的影响，进而有效地减少5 dB左右的振动效应强度。

根据地铁建设资料分析，可发现在对地铁进行运营管理中，可通过强化钢轨结构状态管理，提升钢轨的平顺性，实现车轮对轨道撞击的弱化。实际建设中，可定期对地铁轨道上油，并对凹凸不平处进行打磨，实现减少震动的目的。

5 结束语

结合该改造项目的实际情况，并运用Midas/GTS建立三维模型，对动荷载作用下基坑支护及既有隧道结构影响进行研究分析，发现地铁运行时产生的振动效应，引起的动荷载会对基坑支护及既有隧道结构产生不同程度的影响，需进行相应的减振操作处理。

研究分析得到结论如下：列车动荷载对基坑围护结构会产生影响，相比静载状态下会形成一定程度的受力与变形，但此种影响尚不具备严重的后果，在可接受范围之内。通过实验对X、Y、Z方向上基坑围护墙体的振动速度与加速度进行分析，基坑支护最大振速小于安全速度允许值，由此可判断列车动荷载对基坑围护墙的影响尚处于安全可控范围内。地铁振动产生的动荷载对既有隧道结构的耐久性通过实验结果判断，发现可对结构产生不良影响，需进行减震处理。对于现阶段我国采用轨道减振措施，能够一定程度减少动荷载对既有隧道结构的影响，如改变钢轨腹板厚度、使用轨道减震扣件、建立无缝线路等，均有一定的成效。

参考文献

[1] 段绍伟，曾垂军.水平简谐荷载对深基坑开挖变形的影响[J]. 地下空间与工程学报，2007，3（2）：316-318+324.

[2] 张国亮.紧邻既有线地铁车站深基坑工程稳定与变形特性研究[D].长沙：中南大学，2012.

[3] 杨栋. 地下工程开挖对临近隧道变形的影响分析[D].上海：同济大学，2008.

[4] 闫朝霞，李东海，郑知斌.基坑开挖时对既有隧道监测的时空分析[J].市政技术，2008（3）：152-153.

[5] 卿伟.车一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.

[6] 李军世，李克训.高速铁路路基动力反应的有限元分析[J].铁道报，1995，17（1）：66-75.

[7] 张厚贵，刘维宁，刘卫丰，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 （增刊）：93-97.