地鐵振動環境對新基坑開挖和圍護結構穩定性影響研究

鄒 亮, 鄧樹密, 朱金衛

(中國水利水電第十工程局有限公司,四川成都 610031)

0 引言

隨著城市地鐵建設的不斷推進,地鐵站點的建設也變得越來越重要。然而,地鐵站點的建設往往會與已有的運營地鐵車站相鄰,由此帶來的圍護結構失效風險使得施工過程更加危險。特別是在地鐵運營期間,列車振動荷載會加劇這種不穩定性,使得地鐵車站基坑圍護結構的施工風險隱患更大,國內外學者開展了相關研究[1-6]。針對錦城廣場換乘中心29號線車站基坑施工過程中存在的問題,本研究通過三維數值模型模擬列車振動對鄰近深基坑圍護結構的動力響應影響,并通過現場測量結果驗證了模型的可靠性。本文從時域譜和頻域譜2個方面進一步揭示了地鐵車站基坑圍護結構在時間和空間上的振動響應分布特征,結合相關標準提出了地鐵車站不同位置的減少振動措施,以便精確有效地提高施工過程安全。其成果可為類似項目工程提供指導,幫助解決地鐵車站基坑圍護結構施工期間的振動問題。

1 工程概況

錦城廣場站位于中國四川省成都市,緊鄰大型商業中心(環球中心)。該站為三線換乘站,包括18號線、29號線和16號線,位置關系見圖1。目前,本項目18號線地鐵站建設已完成,車站已開通列車運營。18號線的列車存在左右兩側,將靠近換乘中心的右線稱為近側線,相反,左線為遠側線。值得注意的是,換乘中心的建設需要在18號線車站一側開挖基坑,將暴露18號線車站一側。18號線車站高30 m,寬21m。 換乘中心開挖深度為20 m,為18號線車站高度的2/3。

圖1 工程地理位置

2 荷載-環境耦合三維數值模型

2.1 成都地鐵18號線列車參數

成都地鐵18號線是一條兼顧市域客流和機場客流的復合線。列車采用8節編組A型列車(圖2),它的最高運行時速為160 km/h。地鐵車輛寬度為3 m,軌距為1.435 m。地鐵列車軸數為4×8=32個。此外,成都18號線大部分區間為雙線,所設計的車站站臺有效長度為187 m。

圖2 成都地鐵18號線列車的尺寸

成都地鐵18號線列車的主要參數如表1所示。錦城廣場站車站-基坑模型見圖3。

表1 地鐵車輛主要參數

圖3 基于錦城廣場站的地層-結構三維仿真模型

2.2 不同工況設計方案

本研究方案的設計主要是大型基坑圍護結構振動響應受不同列車運行條件的對比?；趯﹀\城廣場站現場調研,列車的雙側列車的進出過程運行情況如圖4所示?？傆?種運行情況:①左線(遠側)列車進出過程;②右線(近側)列車的進出過程;③雙側列車的進出過程。

圖4 雙側列車的進出過程狀態下的地鐵列車振動仿真

3 監測點位布置及測試

基于三角換乘中心與既有18號線車站的位置關系,選取如圖5所示的3個響應點(三角區大基坑中心軸和基坑南端、18號線與29號線交叉位置)進行討論。距離振源越遠則得到的振動響應越弱。因此,測點分布在基坑圍護結構底部,且與既有18號線車站側墻盡量靠近。

圖5 圍護結構振動測點的位置分布

4 列車振動誘發基坑圍護結構動力響應特征分析

4.1 模擬可靠性的驗證

為驗證本文模擬結果的有效性,在錦城廣場站進行了現場試驗。目前,三角換乘中心在南側位置開挖至-20 m,因此,選取如圖6所示的響應點1作為現場監測點位。試驗采用的設備是振動儀L20-N,它是使用石膏粉固定在基坑圍護結構底面上。振動儀可以測得3個方向的振動速度。如圖6所示,X,Y,Z這3個方向與數值模型是一致的。

圖6 結構振動速度的現場試驗

考慮振動速度的時域譜和頻域譜,測量的和數值結果的對比如圖7所示。圖7為近側列車到站過程中3個方向的振動速度時域譜。對比揭示了列車運營導致的基坑圍護結構豎向振動速度幅值明顯大于縱向速度,且橫向速度幅值最小。因此,本研究主要以基坑圍護結構的豎向振動展開討論。此外,從3個方向的振動速度幅值來看,模擬值和實測值吻合得很好。

圖7 近側列車到站時3個方向振動速度的時域譜比較

圖8為近側列車到達和離開過程的豎向速度頻域譜。對比可知兩者的主導頻率都位于0 Hz和90 Hz之間,又可以分為2個主要的主導頻率區間:8～20 Hz和35～45 Hz。然而,測量結果和數值結果之間存在一些差異:模擬得到的譜峰值相對更高(這可能與實際局部開挖深度小于模擬深度有關)。盡管存在上述差異,數值模型得到的頻域譜結果與實測結果相比總體上是令人滿意的。

圖8 近側列車到達和離開過程中垂直速度的頻域頻譜比較

4.2 基坑圍護結構振速響應時域分析

基坑圍護結構響應點時域譜揭示了列車運行會對圍護結構產生一定的振動響應。由圖9可知,遠側列車進站時,29號線圍護結構處響應點3(靠近進站列車最近的點)的振動速度幅值最大。值得注意的是,29號線圍護結構處響應點3處列車運營導致的振動效應最為顯著,且持續的時間最多。圖10表明,遠側列車離開時,三角區基坑圍護結構南端處響應點1的振動速度幅值振動效應最為顯著,且持續的時間最多。綜上,距離列車越近且列車經過的時間越多的響應點,列車運行引起的結構振動振動效應越顯著。

圖9 左線(遠側)列車到達時的豎向速度時域譜

圖10 左線(遠側)列車離開時的豎向速度時域譜

由圖11可知,近側列車進站時,三角區基坑圍護結構南端處響應點1(靠近進站列車最近的點)的振動速度幅值最大。值得注意的是,三角區基坑圍護結構南端處響應點1處列車運行導致的振動效應最為顯著,且持續的時間最多。圖12表明,遠側列車離開時,29號線圍護結構處響應點3(靠近出站列車的點)的振動速度幅值振動效應最為顯著,且持續的時間最多。此外,列車剛要提速的前4s,響應點會出現一個顯著的幅值峰。原因是遠側的地層土壓擠壓車站結構發生扭轉變形,使得車站和圍護結構結構處于一個不穩定的狀態。列車提速的時候,產生的動載加劇了結構的變形和不穩定性,使得結構振動響應大幅增大。

圖11 右線(近側)列車到達時的豎向速度時域譜

圖12 右線(近側)列車離開時的豎向速度時域譜

圖13和圖14表明,雙側列車運行時,響應點1和3(靠近進站列車最近的點)的振動速度幅值最大。值得注意的是,響應點1和3處列車運營導致的振動效應最為顯著,且持續的時間最多。由此可以看到,雙側列車運行引起的時域譜由遠近側列車時域譜迭加起來的。因此,雙側列車運行引起的圍護結構振動效應最為顯著,持續的時間最多。此外,由于列車經過三角區中間處響應點2時的速度均較小。

圖13 左右線列車到達時的豎向速度時域譜

圖14 左右線列車離開時的豎向速度時域譜

經過統計得到各種列車運行條件下各個圍護結構響應點對應的峰值速度值(圖14)。遠側列車由于遠離測量點,所以其引起的圍護結構振動影響是最小。其次,近側列車運行和雙側列車運行引起的圍護結構振動差異少。此外,結果揭示列車離開時的速度的峰值大于列車到達的時候;其次,在列車出站時,響應點2的速度峰值最顯著;原因就是響應點2處于三角區中間,為最不穩定的位置,而響應點1和3處的圍護結構是與土體接觸或存在結構支撐。因此,換乘中心開挖到一定深度,應該在三角區開挖范圍中間位置增加蓋板結構支撐來降低圍護結構的振動效應。

5 結論

本研究重點研究了不同列車運行條件下大型挖掘支護結構的動態響應。以成都市錦城廣場地鐵站項目為基礎,采用三維數值模型模擬列車振動對結構的影響,并通過現場測量驗證了模型的可靠性。此外,考慮不同的列車運行狀態,分析了不同位置處支護結構的動態響應差異。主要結論有:

(1)現場振動測試結果表明,列車運行誘發的基坑支護結構豎向振動速度幅值明顯大于縱向和橫向速度幅值。豎向振動速度幅值是縱向速度幅值的5倍,是橫向速度幅值的10倍。此外,模擬值和實測值吻合度高,驗證了模擬的可靠性。

(2)基坑支護結構的時域和頻域譜揭示了列車運行對結構具有一定的振動影響效應。重要的是,支護結構響應點距離列車越近且列車經過時間越長,該位置的振動效應越顯著。此外,在雙側列車同時運行的條件下,振動效應最為顯著。

(3)研究表明,三角區土方開挖會導致既有車站和圍護結構協同發生側向變形,列車產生的靜荷載增大了基坑圍護結構的不穩定性。進一步的,列車產生的動荷載會明顯增大結構振動響應。因此,為控制風險應該在三角基坑開挖區增加橫向結構支撐來降低圍護結構的振動放大效應。