列車(chē)動(dòng)荷載對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響

曹 順 （馬鞍山十七冶工程科技有限責(zé)任公司，安徽 馬鞍山 243000）

列車(chē)動(dòng)荷載對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響

曹 順 （馬鞍山十七冶工程科技有限責(zé)任公司，安徽 馬鞍山 243000）

以上跨南京地鐵2號(hào)線的基坑為工程背景，針對(duì)列車(chē)動(dòng)荷載對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行研究。采用GTS軟件建立模型，通過(guò)有限元計(jì)算，預(yù)測(cè)既有隧道結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期地鐵移動(dòng)荷載作用下，列車(chē)動(dòng)荷載對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)的正常使用與耐久性會(huì)產(chǎn)生一定的危害。為確保地鐵的安全運(yùn)營(yíng)，需要采用相應(yīng)的減震措施來(lái)降低動(dòng)荷載對(duì)既有隧道的影響。

基坑；變形控制；既有隧道；影響因素

1 概述

本文以南京某城市道路改造項(xiàng)目作為工程背景，建立模型。主要是研究在地鐵運(yùn)營(yíng)期間產(chǎn)生的列車(chē)動(dòng)荷載對(duì)上部基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響、對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)分析以及采取何種措施可以降低動(dòng)荷載的影響。

劉建達(dá)[1]通過(guò)建立數(shù)值分析模型，研究了當(dāng)?shù)罔F運(yùn)動(dòng)時(shí)所引起周?chē)翆拥恼駝?dòng)，得到了影響隧道周?chē)翆诱駝?dòng)規(guī)律的因素；畢湘利[2]通過(guò)對(duì)輪軌激振荷載的模擬，研究分析了位于既有車(chē)站旁的基坑在開(kāi)挖時(shí)原有車(chē)站結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。

2 工程概況

本基坑采用灌注樁+支撐的支護(hù)形式?；臃秩介_(kāi)挖到坑底，由于坑底距既有隧道頂部的凈距離較近，為保證既有隧道的正常使用，在坑底下4m和既有隧道周?chē)馏w進(jìn)行水泥土加固如圖1?；又螢?道φ=609mm，t=12mm的鋼支撐。

3 動(dòng)力模型的建立

3.1 計(jì)算模型

采用GTS軟件進(jìn)行模擬，根據(jù)實(shí)際開(kāi)挖尺寸（長(zhǎng)、寬、深）為42.0m、28.0m、8.5m，建立模型的尺寸為210m、150m、50m。采用的地質(zhì)參數(shù)見(jiàn)下表1所示。利用GTS模擬動(dòng)載對(duì)既有結(jié)構(gòu)的影響，分兩步完成[3]。分別為：第一特征值分析；第二時(shí)程分析。列車(chē)動(dòng)荷載具有兩種布置形式(見(jiàn)圖3)。

圖1 基坑與地鐵2號(hào)線剖面關(guān)系圖

李軍世[4]把列車(chē)每組的輪載,利用傅里葉級(jí)數(shù)表示。將列車(chē)豎向振動(dòng)產(chǎn)生的附加動(dòng)載簡(jiǎn)化為指數(shù)函數(shù)，通過(guò)利用波具有可加性的特點(diǎn)，把列車(chē)所有的輪載都考慮到模型中去。地鐵動(dòng)載的作用位置見(jiàn)下圖2。

計(jì)算采用的土層參數(shù) 表1

3.2 特征值分析的邊界約束

在確定模型的邊界條件后，才可以開(kāi)始特征值分析。邊界條件為用曲面彈簧來(lái)模擬計(jì)算模型的彈性邊界，根據(jù)規(guī)范公式計(jì)算出模型的邊界值見(jiàn)下表2。

模型的邊界值（kN/m3） 表2

3.3 時(shí)程分析的邊界約束

為模擬動(dòng)荷載對(duì)既有隧道以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，需要把模型邊界彈簧用吸收邊界來(lái)替換。根據(jù)規(guī)范公式求出在時(shí)程分析的過(guò)程中所需要的計(jì)算參數(shù)（表3）。

模型吸收邊界計(jì)算參數(shù) 表3

4 計(jì)算結(jié)果的分析

4.1 列車(chē)動(dòng)荷載對(duì)上部基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的分析

在列車(chē)動(dòng)載作用下，以支護(hù)樁在X、Y、Z方向的速度和加速度為研究對(duì)象，提取圍護(hù)樁相應(yīng)的最大與最小速度見(jiàn)表4。

圍護(hù)樁在X、Y、Z方向上的速度（mm/s） 表4

通過(guò)表4可知在相同情況下，在Z方向產(chǎn)生的速度最大。這說(shuō)明在振動(dòng)向外傳播的過(guò)程中，振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生衰減的現(xiàn)象。因此，地鐵運(yùn)行所引起的振動(dòng)影響主要表現(xiàn)為豎直方向上的振動(dòng)。

由表4可知，在不管在何種情況下，高速地鐵運(yùn)行荷載使基坑圍護(hù)樁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的振動(dòng)速度均小于安全振速允許值3mm/s，基坑圍護(hù)樁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)影響處于可控的安全范圍內(nèi)。

4.2 列車(chē)動(dòng)荷載對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析

根據(jù)表4研究的結(jié)果，以既有隧道結(jié)構(gòu)在Z方向的速度作為分析對(duì)象，研究在動(dòng)荷載作用下對(duì)既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響見(jiàn)下圖3與4。

圖3 單側(cè)列車(chē)運(yùn)行荷載作用下既有隧道在Z方向速度

圖4 兩側(cè)列車(chē)運(yùn)行荷載作用下既有隧道在Z方向速度

從上圖可以看出，當(dāng)隧道有地鐵運(yùn)行時(shí)，既有隧道結(jié)構(gòu)在Z方向產(chǎn)生的最大速度5.4mm/s超過(guò)了隧道結(jié)構(gòu)振動(dòng)影響控制標(biāo)準(zhǔn)值5mm/s[5]。列車(chē)動(dòng)載會(huì)對(duì)既有地鐵隧道的耐久性產(chǎn)生一定的不利影響，需要采用相應(yīng)的減震措施來(lái)保證地鐵的安全運(yùn)行。

5 降低列車(chē)震動(dòng)影響的措施

5.1 軌道類(lèi)型的影響

重型鋼軌具有抗震性能好、壽命長(zhǎng)以及穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)點(diǎn)。與輕型鋼軌相比，可以減少2～4dB的振動(dòng)強(qiáng)度[6]。

5.2 軌道線路形式的影響

目前認(rèn)為城市軌道交通最佳的軌道形式是無(wú)縫線路，采用無(wú)縫線路可以減少5dB左右的振動(dòng)強(qiáng)度。

5.3 軌道結(jié)構(gòu)類(lèi)型的影響

鐵道部科學(xué)研究院曾經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)鋪設(shè)LVT進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明可以減小10dB左右的振動(dòng)強(qiáng)度，減震效果良好。

6 結(jié)論

本文運(yùn)用GTS軟件建立三維模型。在動(dòng)荷載的作用下對(duì)基坑模型進(jìn)行分析。預(yù)測(cè)當(dāng)?shù)罔F運(yùn)行時(shí)，列車(chē)動(dòng)荷載對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及對(duì)既有地鐵隧道的影響，結(jié)論如下。

①在X、Y、Z方向上基坑圍護(hù)墻體的振動(dòng)速度，在豎向的速度最大。

②基坑圍護(hù)墻在Z方向上的最大振速為2.3mm/s小于允許值3mm/s，列車(chē)動(dòng)荷載對(duì)基坑圍護(hù)墻的影響處于安全可控范圍之內(nèi)。

③當(dāng)隧道中有地鐵運(yùn)行時(shí)，既有隧道在豎向上的振速為5.4mm/s，超過(guò)允許值5mm/s，需要對(duì)隧道采取減震措施。

④針對(duì)既有隧道需要減震的情況，給出了目前常用減震的措施。

[1]劉建達(dá).地鐵運(yùn)行引起的地面振動(dòng)分析[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2007，16 (5).

[2]畢湘利.列車(chē)振動(dòng)荷載對(duì)鄰近深基坑的既有站變形影響[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004,32(12).

[3]卿偉.車(chē)-隧藕合條件下地鐵陡道的動(dòng)力晌應(yīng)分析及對(duì)周邊環(huán)境影晌的評(píng)估研究[D].重慶：重慶交通大學(xué),2011.

[4]李軍世.高速鐵路路基動(dòng)力反應(yīng)的有限元分析[J].鐵道報(bào),1995,17(1).

[5]張厚貴，等.北京地下直徑線運(yùn)營(yíng)對(duì)地鐵2號(hào)線隧道結(jié)構(gòu)振動(dòng)影響控制標(biāo)準(zhǔn)的研究[J].隧道建設(shè)，2007，27(S1).

[6]張厚貴.北京鐵路地下直徑線列車(chē)振動(dòng)對(duì)鄰近地鐵結(jié)構(gòu)影響的研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2008.

TU47

A

1007-7359（2016）06-0095-02

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.06.036

曹順（1988-），男，河南商丘人，畢業(yè)于合肥工業(yè)大學(xué)，碩士，助理工程師。