運(yùn)營(yíng)期地鐵車站與下穿道路一體化結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)

翟朝嬌，程樺，柳軍修

(1.安徽建筑大學(xué) 建筑結(jié)構(gòu)與地下工程安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230601；2.安徽大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；3.安徽建筑大學(xué) 安徽省城市建設(shè)和地下空間工程技術(shù)研究中心，安徽 合肥 230601)

0 引言

隨著城市人口的增加，人類生活節(jié)奏的加快，地面空間越來(lái)越緊張，城市交通問(wèn)題日益凸顯，地鐵在緩解城市交通壓力、拓展城市空間等方面發(fā)揮著重要的作用，以地鐵為核心的城市軌道交通系統(tǒng)逐漸成為城市交通系統(tǒng)的重要組成部分。地鐵在給人類帶來(lái)快捷、便利、有序的交通和良好的乘車環(huán)境的同時(shí)，也存在著諸多問(wèn)題，地鐵運(yùn)行所引發(fā)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)問(wèn)題，自地鐵開始運(yùn)營(yíng)以來(lái)就一直受到人們的關(guān)注。

劉建達(dá)等[1]運(yùn)用ABAQUS 建立了隧道-地基動(dòng)力相互作用分析模型，分析了地鐵列車運(yùn)行引起的地表振動(dòng)特性，給出了地鐵隧道斷面幾何形式、隧道埋深、兩平行區(qū)間隧道間的凈距和場(chǎng)地條件等因素對(duì)地表振動(dòng)特性的影響規(guī)律；Yang 等[2]運(yùn)用有限元方法探討了地鐵運(yùn)行引起的波的傳播規(guī)律，分析了阻尼比、土層深度、隧道埋深，襯砌厚度、列車速度和頻率等對(duì)地面振動(dòng)的影響；唐益群等[3]以上海地區(qū)隧道為研究對(duì)象，用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法，得到飽和軟黏土地區(qū)地鐵振動(dòng)荷載作用下隧道周圍土體的變形，并進(jìn)一步計(jì)算得到地鐵振動(dòng)荷載作用下引起的地面沉降量；宋文杰[4]利用FLAC3D 建立北京地鐵10 號(hào)線雙井站模型，分析了列車動(dòng)荷載作用下地鐵車站結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能；Patrícia 等[5]運(yùn)用多結(jié)構(gòu)數(shù)值計(jì)算方法研究了土體剛度對(duì)地鐵運(yùn)行引發(fā)的振動(dòng)傳播的影響；夏倩等[6]以地鐵旁砌體結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，對(duì)上海某線地鐵振動(dòng)進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)值分析，研究不同影響因素對(duì)振動(dòng)響應(yīng)分布規(guī)律影響；趙斌等[7]建立了車站結(jié)構(gòu)-土的準(zhǔn)三維有限元模型，分析車站結(jié)構(gòu)型式對(duì)地鐵誘發(fā)環(huán)境振動(dòng)的影響；祁曉雨等[8]采用MIDAS GTS軟件構(gòu)建地鐵車站數(shù)值計(jì)算模型，計(jì)算地鐵列車運(yùn)行振動(dòng)對(duì)地鐵車站及上部建筑造成的沉降，得出地鐵列車運(yùn)行振動(dòng)對(duì)地鐵車站及上部建筑沉降的影響；雷曉燕等[9]以大型綜合交通樞紐車站南昌西站進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，研究地鐵2號(hào)線列車運(yùn)行荷載的振動(dòng)傳播規(guī)律及頻率分布特點(diǎn)，分析綜合交通樞紐車站站房結(jié)構(gòu)的局部振動(dòng)規(guī)律及頻譜響應(yīng)規(guī)律；張厚貴等[10]結(jié)合工程實(shí)際，從理論上分析了在列車運(yùn)行引起的隨機(jī)振動(dòng)作用下，地下隧道鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞破壞的機(jī)理，得到在地鐵正常運(yùn)營(yíng)情況下，北京地鐵2 號(hào)線隧道結(jié)構(gòu)安全及正常使用的振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)。以上學(xué)者對(duì)地鐵動(dòng)荷載下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題的研究大多依托于某個(gè)特定的工程背景，不同的工程差別很大，其在動(dòng)荷載作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)也千差萬(wàn)別。

本文以合肥市地鐵1 號(hào)線長(zhǎng)淮站為依托，針對(duì)車站主體與下穿路面一體化結(jié)構(gòu)體系，運(yùn)用有限元軟件Midas GTS NX 建立三維數(shù)值模型，分別計(jì)算地鐵從車站左側(cè)、右側(cè)、雙側(cè)經(jīng)過(guò)三種情況下路面沉降、車站一體化結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，并將就計(jì)算結(jié)果與地鐵隧道結(jié)構(gòu)的安全標(biāo)準(zhǔn)值相對(duì)比，得到在正常運(yùn)營(yíng)情況下，長(zhǎng)淮站車站一體化結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)處于安全允許范圍內(nèi)，研究結(jié)果對(duì)地鐵的后期運(yùn)營(yíng)和維護(hù)具有重要的意義。

1 工程背景

長(zhǎng)淮站位于勝利路與鳳陽(yáng)路交叉口處，沿勝利路南北方向布置。勝利路原狀主路為雙向六車道，輔路為一條機(jī)動(dòng)車道，為保證勝利路方向交通暢通，在勝利路與鳳陽(yáng)路交叉口處設(shè)置下穿道路。長(zhǎng)淮站車站主體與勝利路下穿道路一體化結(jié)構(gòu)設(shè)置，即下穿路面結(jié)構(gòu)直接施作在車站頂板上，車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)作為下穿路的永久擋土結(jié)構(gòu)。勝利路與鳳陽(yáng)路交叉口處下穿路上部設(shè)置梁、板結(jié)構(gòu)形成下穿橋，保證鳳陽(yáng)路方向的交通。位于道路交叉口處沿鳳陽(yáng)路方向已建成暢通北一環(huán)高架橋上跨勝利路，橋樁距離一體化結(jié)構(gòu)最近處約14 m，橋梁底部距離路面約為4.5 m。車站總寬23 m，與上部下穿路同寬。一體化結(jié)構(gòu)為雙層三跨框架結(jié)構(gòu)，13.5 m島式站臺(tái)，采用明挖法施工車站與下穿道路平面布置情況如圖1 所示。

圖1 車站與下穿道路平面圖

勘探揭露的場(chǎng)地主要土層和物理力學(xué)指標(biāo)如表1 所示。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

2 數(shù)值計(jì)算

2.1 參數(shù)選擇

地鐵站結(jié)構(gòu)剖面寬23 m，埋深為16.5 m，縱向長(zhǎng)184.5 m。地連墻底板以下嵌入深度取13 m，抗拔樁長(zhǎng)度為15 m、17 m 間隔布置。距車站始端36.3 m～119.6 m 處設(shè)有下穿橋，橋梁板距路面6.75 m。車站主體結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級(jí)：車站頂板、頂縱梁C35；側(cè)墻、底板、底縱梁及端墻C35。中板、中縱梁及加強(qiáng)梁C35；中柱C50；底板回填素混凝土C30。所有結(jié)構(gòu)均設(shè)置為各向同性模型。

2.2 模型建立

本文采用Midas GTS 數(shù)值分析軟件進(jìn)行地鐵車站運(yùn)營(yíng)期的數(shù)值模擬，具體模型參數(shù)如下：影響深度取開挖深度的3-4 倍，影響寬度取車站寬度的2 倍，最后整個(gè)模型寬116.1 m、高70 m，縱向長(zhǎng)度為275.4 m。整體模型采用先劃分平面網(wǎng)格，再進(jìn)行縱向拓展的方法，考慮到計(jì)算模型的網(wǎng)格劃分對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響較大，故對(duì)一體化結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格密度做了適當(dāng)?shù)募用芤詽M足計(jì)算精度的要求，模型共包括58 889 個(gè)單元和51 744 個(gè)節(jié)點(diǎn)，本構(gòu)模型采用摩爾庫(kù)倫模型，結(jié)構(gòu)單元是Midas GTS 自行連接，結(jié)構(gòu)和土體因剛度相差較大，采用界面單元連接，法向和切向約束均是非線性變形。建立如圖3、圖4 的三維數(shù)值計(jì)算模型。

表2 材料相關(guān)參數(shù)

車站主體結(jié)構(gòu)主要承受人行、車輛、列車三種荷載，人群荷載作用在中板和沿鳳陽(yáng)路梁板上，考慮最不利因素，中板和梁板上布滿人，則人群荷載密度0.7 kN/m2，研究表明車輛動(dòng)荷載沖擊系數(shù)隨車速、路面波長(zhǎng)(不平整度)變化，但其量值始終處于0.1～0.4 之間，考慮最不利因素，下穿路面布滿車輛，沖擊系數(shù)取0.4，車輛面荷載為21 kN/m2。合肥市地鐵1 號(hào)線采用六輛車編組，荷載可根據(jù)圖2(所示為兩節(jié)車廂)計(jì)算，并考慮沖擊力的影響。選用列車通過(guò)時(shí)實(shí)測(cè)的道床振動(dòng)速度時(shí)程，車站長(zhǎng)185.4 m，列車全長(zhǎng)112.4，二者相差不大，為方便計(jì)算，近似假設(shè)列車荷載為作用在道床表面的沿軌道方向無(wú)限長(zhǎng)同相位振動(dòng)，將列車荷載以速度方式直接施加到地鐵車站上，沖擊系數(shù)取0.3，參考合肥地鐵運(yùn)營(yíng)速度，列車平均時(shí)速取60 km/h。

圖2 車輛編組簡(jiǎn)圖

3 計(jì)算結(jié)果與分析

圖3 三維模型圖

圖4 剖面圖

地鐵運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)荷載的形式具有多樣性，即可以是單一列車動(dòng)荷載作用的情況，也可以是多個(gè)動(dòng)荷載同時(shí)作用的情況?；谶@一點(diǎn)的考慮，本文分三種情況建立模型，分別為僅在車站左側(cè)有地鐵經(jīng)過(guò)的情況，左右兩側(cè)都有地鐵經(jīng)過(guò)的情況以及僅在車站右側(cè)有地鐵經(jīng)過(guò)的情況，左右兩側(cè)列車行駛方向相反。

3.1 靜荷載作用下梁板的響應(yīng)

不考慮列車荷載，將人群荷載和車輛荷載以靜力的形式施加在下穿道路之上，得到車站模型的豎向位移和豎向應(yīng)力，如圖5、圖6。

由圖5 可知，人群、車輛靜荷載作用下車站梁板結(jié)構(gòu)的豎向最大位移為8.136 mm，位于頂板中部，梁板結(jié)構(gòu)整體位移呈中間大，兩端小的趨勢(shì)。由圖6 可知，梁板的最大豎向應(yīng)力為10.8 MPa，位于縱向距車站中板中部。位移與應(yīng)力符合梁板靜力作用下的基本特性，證明了本數(shù)值模型的準(zhǔn)確性。

3.2 列車動(dòng)荷載作用下路面沉降

列車從車站左側(cè)通過(guò)、右側(cè)通過(guò)、雙側(cè)通過(guò)時(shí)，下穿路面的累積沉降圖為圖7、圖8、圖9。由圖7-圖9 可知，當(dāng)列車動(dòng)荷載分別作用在車站左側(cè)和右側(cè)時(shí)，其引起的下穿路面最大沉降均位于荷載作用側(cè)路面的前后兩端，其值分別0.315 mm、0.318 mm，兩種情況相差不大。而由圖9 可知，列車動(dòng)荷載同時(shí)作用于車站兩側(cè)時(shí)，下穿路面最大沉降位于路面的正中心，其值為0.389 mm，成中間大兩頭小，說(shuō)明雙側(cè)通車對(duì)路面沉降的影響比單側(cè)通車稍大。

圖5 人群、車輛靜荷載下的梁板豎向位移

圖6 人群、車輛靜荷載下的梁板豎向應(yīng)力

圖7 列車荷載作用在車站左側(cè)時(shí)下穿路面沉降包絡(luò)云圖

圖8 列車荷載作用在車站右側(cè)時(shí)下穿路面沉降包絡(luò)云圖

圖9 列車荷載作用在車站兩側(cè)時(shí)下穿路面沉降包絡(luò)云圖

列車從車站雙側(cè)同時(shí)通過(guò)時(shí)整體模型位移如圖10 所示，由圖10 可知，列車從車站雙側(cè)同時(shí)通過(guò)時(shí)引起的地(路)面沉降沿車站縱向中心線基本呈左右對(duì)稱，且中間大兩端小，距離列車荷載越遠(yuǎn)沉降越小，車站兩端大約23 m 以外的土體基本不會(huì)產(chǎn)出地面沉降，說(shuō)明列車荷載對(duì)地面沉降的影響是有范圍的，超出這一區(qū)域，列車荷載對(duì)地面沉降的影響可以忽略不計(jì)。

圖10 列車荷載作用在車站兩側(cè)時(shí)整體模型沉降包絡(luò)云圖

3.3 列車動(dòng)荷載作用下車站主體結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)

車站長(zhǎng)185.4 m，列車全長(zhǎng)112.4。若將車頭到站時(shí)刻設(shè)為0 秒，則車尾出站的時(shí)刻為17.87 秒。本文將動(dòng)力響應(yīng)的研究時(shí)間定為0～30 秒。由于地鐵運(yùn)行時(shí)所引起的振動(dòng)主要表現(xiàn)為豎直方向上的振動(dòng)，故本文只分析結(jié)構(gòu)沿豎直方向的動(dòng)力響應(yīng)。

列車從車站左側(cè)通過(guò)、右側(cè)通過(guò)、雙側(cè)通過(guò)時(shí)，一體化結(jié)構(gòu)速度響應(yīng)包絡(luò)云圖為圖11、圖12、圖13。由圖11-圖13 可知，左側(cè)通車和右側(cè)通車時(shí)，一體化結(jié)構(gòu)的速度基本相同，豎直方向最大速度分別為0.3149 mm/s、0.3505 mm/s，雙側(cè)通車時(shí)豎直方向最大速度為0.3566 mm/s，略大于單側(cè)通車時(shí)的速度響應(yīng)。說(shuō)明雙側(cè)通車時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)并不是簡(jiǎn)單地把兩個(gè)單側(cè)通車工況下的動(dòng)力響應(yīng)數(shù)值相疊加，這是因?yàn)殡p側(cè)通車時(shí)的荷載雖然增加了，但是兩側(cè)荷載中心對(duì)稱的加載方式會(huì)減小一體化結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)。

為更好地說(shuō)明以上計(jì)算結(jié)果，將列車從車站左側(cè)通過(guò)、右側(cè)通過(guò)、雙側(cè)通過(guò)時(shí)梁板的動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果匯總，結(jié)果如表3。

圖11 左側(cè)通車時(shí)車站梁板速度包絡(luò)云圖

圖12 右側(cè)通車時(shí)車站梁板速度包絡(luò)云圖

圖13 兩側(cè)通車時(shí)車站梁板速度包絡(luò)云圖

三種情況下，車站與下穿一體化結(jié)構(gòu)速度響應(yīng)最強(qiáng)的位置均為：縱向距車站末端30 m 左右，底板的動(dòng)力響應(yīng)最大，其后依次是中板、頂板、中間柱、側(cè)墻。造成速度響應(yīng)縱向不對(duì)稱的情況主要是因?yàn)橄麓蛭挥谲囌镜那岸?，并不是縱向?qū)ΨQ的，橋梁增加了前段結(jié)構(gòu)的剛度，使后段的速度響應(yīng)強(qiáng)于前段。

表3 梁板響應(yīng)匯總表

地鐵隧道結(jié)構(gòu)的安全振速標(biāo)準(zhǔn)值為2.5 mm/s[10]，同時(shí)從上圖11、圖12 以及圖13 可以看出，當(dāng)車站有地鐵運(yùn)行時(shí)，一體化結(jié)構(gòu)在豎直方向產(chǎn)生的最大速度沒(méi)有超過(guò)一體化結(jié)構(gòu)振動(dòng)影響控制標(biāo)準(zhǔn)值2.5 mm/s，一體化結(jié)構(gòu)處于安全允許范圍內(nèi)。

3.4 列車動(dòng)荷載作用下車站梁板加速度時(shí)程曲線

列車雙側(cè)通車比單側(cè)通車時(shí)車站的動(dòng)力響應(yīng)更強(qiáng)，因此選取列車雙側(cè)通車時(shí)車站頂板、中板、頂板、中間柱和側(cè)墻加速度最大的點(diǎn)，繪制加速度時(shí)程曲線，如圖14。從圖中可以看出，最大加速度為14.020 mm/s2，出現(xiàn)在車站底板位置，車站中板的最大加速度時(shí)程曲線與頂板的相似且略小于底板，車站頂板、中間柱和側(cè)墻的加速度響應(yīng)要小得多，前者約為底板的0.5，中間柱和側(cè)墻的加速度響應(yīng)約為底板的0.2～0.25，因此從車站后期安全運(yùn)營(yíng)的角度來(lái)講，應(yīng)該適當(dāng)加強(qiáng)底板和中板的抗振性能。

4 結(jié)論與討論

圖14 兩側(cè)通車時(shí)一體化結(jié)構(gòu)豎直方向加速度時(shí)程曲線

本文通過(guò)對(duì)合肥地鐵一號(hào)線長(zhǎng)淮站車站與下穿一體化結(jié)構(gòu)在地鐵運(yùn)營(yíng)期的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算，可以得出以下結(jié)論：

(1)當(dāng)列車動(dòng)荷載分別作用在車站左側(cè)和右側(cè)時(shí)，其引起的下穿路面最大沉降均位于荷載作用路面的前后兩端且相差不大，當(dāng)列車動(dòng)荷載同時(shí)作用于車站兩側(cè)時(shí)，下穿路面最大沉降位于路面的正中心，成中間大兩頭小，說(shuō)明雙側(cè)通車對(duì)路面沉降的影響比單側(cè)通車稍大。

(2)左側(cè)通車、右側(cè)通車和雙側(cè)通車時(shí)一體化結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)差別不大，三種情況下，一體化結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)最大點(diǎn)位于縱向距車站末端30 米左右，底板的動(dòng)力響應(yīng)最大，其后依次是中板、頂板、中間柱、側(cè)墻。

(3)計(jì)算結(jié)果表明車站運(yùn)營(yíng)期一體化結(jié)構(gòu)在豎直方向產(chǎn)生的最大速度沒(méi)有超過(guò)振動(dòng)影響控制標(biāo)準(zhǔn)值，處于安全允許范圍內(nèi)。

(4)本文的研究基于有限元法進(jìn)行，不能實(shí)現(xiàn)與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)做對(duì)比，后期的研究中計(jì)劃開展現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)以完善這方面的工作。