楊華中 陳錦華

（1 蘭州交通大學(xué) 甘肅省道路橋梁與地下工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070；2蘭州交大工程咨詢有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州730070)

1 引 言

蘭州軌道交通1號線因考慮到客流和線網(wǎng)的因素不得不側(cè)穿省級保護(hù)文物白衣寺，其采用的建筑材料及建筑形式使其對地表變形十分敏感，盾構(gòu)施工過程中會引起地面沉降[1-3]，在運(yùn)營過程中產(chǎn)生振動[4]都會危及白衣寺的安全?？紤]城市建設(shè)和文物保護(hù)的協(xié)調(diào)發(fā)展，須對白衣寺塔采取相應(yīng)的保護(hù)措施，以確保在盾構(gòu)施工和運(yùn)營期間白衣寺塔的安全。

2 盾構(gòu)施工沉降的數(shù)值模擬及計(jì)算結(jié)果

2.1 數(shù)值模擬計(jì)算及結(jié)果

白衣寺內(nèi)典型文物保護(hù)單位有鐵柱宮、菩薩殿、多子塔，與蘭州軌道交通1號線的關(guān)系如圖1和圖2。對白衣寺進(jìn)行有隔離樁保護(hù)和無隔離樁保護(hù)兩種工況模擬盾構(gòu)開挖引起的地表及鐵柱宮、菩薩殿和多子塔臺基的沉降。采用有限元分析軟件MIDAS/GTS對白衣寺建立三維模型進(jìn)行計(jì)算分析。模型尺寸為120m×110m×41m，如圖3為模型網(wǎng)格軸測圖。

圖1 白衣寺大門（鐵柱宮）加固平面示意圖

圖2 白衣寺大門（鐵柱宮）加固剖面示意圖

圖3 沉降模型網(wǎng)格軸測圖

經(jīng)計(jì)算可知，未采用隔離樁保護(hù)措施時(shí)，地表最大沉降為25.755mm，距隧道中軸線35.5m范圍內(nèi)（靠近鐵柱宮側(cè)）地表沉降最小為6.197mm。采用隔離樁保護(hù)措施后，地表最大沉降量為22.238mm，距隧道中軸線35.5m范圍內(nèi)（靠近鐵柱宮側(cè)）地表沉降最小為0.001mm。而采取隔離樁保護(hù)措施前后，鐵柱宮、市博物館大殿和白衣寺塔臺基的沉降量如表1所示。

圖4 DZ方向沉降示意圖

圖5 沉降監(jiān)測點(diǎn)布置圖

從表1及圖6可以看出采取隔離樁保護(hù)措施后，鐵柱宮監(jiān)測點(diǎn)1最大沉降量由16.876mm減少至0.033mm，局部傾斜由0.008減少至0.000007，盾構(gòu)施工對白衣寺影響大大減少，保護(hù)效果明顯。采取隔離樁保護(hù)措施后，白衣寺內(nèi)各文物保護(hù)單位均滿足“最大沉降量不超過+5～-15 mm，局部傾斜不超過0.001”安全評估的沉降變形控制要求。

圖6 加固前后監(jiān)測點(diǎn)沉降量對比

3 列車運(yùn)營振動對白衣寺影響分析及減振措施

表1 監(jiān)測點(diǎn)沉降量加固前后對比

3.1 列車荷載及邊界條件

列車在不平順的軌道上行駛，豎向激振荷載可用一個(gè)激振力函數(shù)來模擬[6]，其表達(dá)式為

式中：p0為車輪靜載；p1，p2，p3均為振動荷載，令列車簧下質(zhì)量為M0，則相應(yīng)的振動荷載幅值為

式中：ai為典型矢高，ωi 為對應(yīng)車速下不平順振動波長的圓頻率，其計(jì)算式為

式中：v 為列車的運(yùn)行速度；Li 為典型波長，蘭州城市軌道交通1號線一般情況下最高運(yùn)行速度按80km/h考慮。

為避免有限元法模擬空間振動問題時(shí), 截?cái)噙吔缟袭a(chǎn)生反射使得計(jì)算失真, 采用彈簧阻尼吸收邊界。

3.2 結(jié)果及分析

通過模擬地鐵列車荷載源( 含減振軌道和不減振軌道) 和地層及結(jié)構(gòu)動力模型的分析研究, 分別取上部結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)作為評估點(diǎn)來預(yù)測其振動響應(yīng), 如圖10所示。

圖10 振動監(jiān)測點(diǎn)布置圖

圖11 減振前后速度對比圖

根據(jù)圖11可知在列車車速為80km/h,設(shè)置剛彈簧浮置板減振措施后各監(jiān)測點(diǎn)的振動速度均滿足《古建筑防工業(yè)振動技術(shù)規(guī)范》（GB/T 50452-2008）的要求。

4 結(jié)語

本文利用數(shù)值模擬分析了盾構(gòu)開挖及軌道交通運(yùn)行產(chǎn)生振動對文物的影響，評估其安全性，從而為軌道交通設(shè)計(jì)與文物保護(hù)提供依據(jù)。通過對白衣寺建立三維有限元模型進(jìn)行計(jì)算分析，主要得出以下結(jié)論:

1）采用隔離樁保護(hù)措施進(jìn)行加固對控制施工沉降有顯著效果，鐵柱宮最大基礎(chǔ)沉降量由16.876mm減少到0.033mm。滿足沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。

2）列車軌道采用普通短枕式整體道床，列車單獨(dú)運(yùn)營振動對鐵柱宮的影響較大，最大水平速度為0.267mm/s，須采用減振措施。采用浮置板減振軌道對列車振動引起的白衣寺區(qū)域上部結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)水平速度有效值有明顯減少, 其中木結(jié)構(gòu)最大減少量達(dá)到50.0%，磚結(jié)構(gòu)最大減少量達(dá)到65.0%，滿足控制標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3）針對盾構(gòu)開挖對白衣寺區(qū)域影響問題, 建議采取隔離樁保護(hù)措施進(jìn)行加固, 以確保文物安全。針對列車單獨(dú)運(yùn)營振動對白衣寺區(qū)域影響問題, 建議采用剛彈簧浮置板減振軌道, 以確保文物安全。

[1]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB50157－2003 地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京: 中國計(jì)劃出版社,2003，59-73.

[2]李憑雨.地鐵隧道區(qū)間開挖誘發(fā)的地表沉降對北京古建筑影響研究[D].北京:北京工業(yè)大學(xué),2007，69-93.

[3]魏綱.盾構(gòu)施工中土體損失引起的地面沉降預(yù)測[J].巖土力學(xué),2007,28(11):2375-2379.WEI Gang.Prediction of surface settlement induced byground loss during shield tunneling construction[J].Rockand Soil Mechani cs,2007,28(11):2375-2379.

[4]閆維明, 張祎, 等.地鐵運(yùn)營誘發(fā)振動實(shí)測及傳播規(guī)律[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2006,32(2):149－154.YAN Wei-ming,ZHANG Yi,et al.In situ experiment and analysis of environmental vibration Induced by urban subway transit[J].Journal of Bejing University of Technology,2006,32(2):149-154.

[5]梁 波，蔡 英.不平順條件下高速鐵路路基的動力分析 [J].鐵道學(xué)報(bào)，1999，21(2)：84–88.(Liang Bo，Cai Ying.Dynamic analysis of subgrade of high speed railways in geometric irregular condition[J].Journal of the China Railway Society，1999，21(2)：84–88.(in Chinese))

[6]中華人民共和國建設(shè)部.GB/T 50452-2008古建筑防工業(yè)振動技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008，5-7.