許俊超

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，430063，武漢∥高級工程師）

高鐵站場下地下空間結(jié)構(gòu)逆作施工變形分析

許俊超

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，430063，武漢∥高級工程師）

隨著城市軌道交通和高速鐵路的大量建設(shè)，兩者之間的交叉影響越來越多。以上海西站地下南北通道工程為背景，考慮高速鐵路列車荷載特點(diǎn)，并將此荷載施加到地下空間結(jié)構(gòu)逆作施工的三維有限元模型中，通過三維有限元數(shù)值模擬及實(shí)測數(shù)據(jù)的對比分析，從而得到地下空間結(jié)構(gòu)及高速鐵路路基的變形規(guī)律。

高速鐵路；地下空間結(jié)構(gòu)；逆作施工；數(shù)值模擬

Author's addressThe 4th China Railway Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，430063，Wuhan，China

隨著城市軌道交通及地下空間開發(fā)的大規(guī)模建設(shè)，以及國家“三縱三橫”高速鐵路網(wǎng)的實(shí)施，勢必會(huì)造成城市軌道交通與高速鐵路施工或運(yùn)營相互交叉、互相影響等情況［1］，對在高速鐵路下方進(jìn)行地下結(jié)構(gòu)逆作法的設(shè)計(jì)及施工均提出了新的要求。一旦路基結(jié)構(gòu)變形超出限值，將嚴(yán)重威脅高速鐵路的正常運(yùn)營。

上海西站地下南北通道工程A區(qū)為地下三層結(jié)構(gòu)，位于滬寧城際鐵路站場下方。為滿足滬寧城際的通車時(shí)間節(jié)點(diǎn)要求，A區(qū)地下一層采用明挖順作法施工，地下一層施工完畢后移交給相關(guān)部門施工鐵路站場，待滬寧城際通車運(yùn)營后逆作施工A區(qū)地下二、三層結(jié)構(gòu)。由于滬寧城際運(yùn)營對路基結(jié)構(gòu)的沉降及變形控制要求嚴(yán)格，在其下方逆作施工有很大的風(fēng)險(xiǎn)，因此極有必要對其進(jìn)行深入研究，為設(shè)計(jì)及施工提供指導(dǎo)。

1 工程概況

上海西站地下南北通道工程為軌道交通11、15、16號線的換乘節(jié)點(diǎn)。

15號線地下一層為長約120 m，寬80 m的地下南北通道綜合大廳。其中，南北通道工程A區(qū)長約83 m，寬80 m，位于滬寧城際鐵路站場下方，其平面圖和剖面圖分別如圖1、圖2所示。鐵路站場恢復(fù)后A區(qū)頂板埋深約2 m。

圖1 工程平面布置圖

2 有限元模型的建立

2.1 列車荷載

軌道不平順是引起列車附加動(dòng)荷載的重要原因，文獻(xiàn)［2］對軌道動(dòng)態(tài)不平順管理值有明確的要求。本文在模擬列車荷載時(shí)主要考慮軌道的不平順因素，用一個(gè)常量力來模擬車輪靜載，用正弦函數(shù)來表示模擬軌道不平順引起的附加動(dòng)荷載，將兩者疊加即為列車荷載［3］。其表達(dá)式如下：

圖2 A區(qū)橫剖面圖

P1為振動(dòng)荷載幅值，與列車簧下質(zhì)量有關(guān)：

式中：

P0——車輪靜載，根據(jù)高速鐵路的要求一般取單邊靜輪重為80 k N；

ω1——不平順控制條件下的振動(dòng)圓頻率，ω1= 2πv/L1；

t——時(shí)間；

m——列車簧下質(zhì)量，可取750 kg；

r1——不平順條件下所對應(yīng)的矢高；

v——列車速度；

L1——不平順波長［4］。

當(dāng)速度達(dá)到300 km/h時(shí)，影響簧下振動(dòng)的不平順半波長的上限可達(dá)2.5 m以上，現(xiàn)假定L1=5 m，r1=5 mm。

根據(jù)鐵道科學(xué)研究院提出的最高行車速度為350 km/h的設(shè)計(jì)要求，當(dāng)v=350 km/h時(shí)，列車荷載為：

列車荷載是作用在軌枕上的。一個(gè)輪重一般由5個(gè)軌枕所承受，軌枕最大受荷占輪重的30%～40%；同時(shí)考慮到周圍輪重的應(yīng)力疊加影響，并與我國現(xiàn)行22 t軸重下實(shí)測資料進(jìn)行對比，斷面的振動(dòng)荷載取0.7P（t）［4］。

2.2 有限元模型

基坑平面尺寸約80 m×78 m，開挖深度為23.6 m?？紤]到基坑開挖對周圍土體及鐵路股道的擾動(dòng)，三維模型取420 m×450 m×80 m。計(jì)算模型的上邊界為自由邊界，底部全約束，各個(gè)側(cè)面限制水平方向的位移。土體采用實(shí)體單元模擬，各土層的主要計(jì)算參數(shù)見表1；A區(qū)地下連續(xù)墻采用板單元模擬，以更好地反映土體與墻之間的非線性接觸效應(yīng)；四道鋼筋混凝土支撐，以及車站結(jié)構(gòu)梁、柱、樁均采用空間梁單元模擬；15號線A區(qū)樓板采用板單元模擬。

15號線車站地下2、3層的開挖采用蓋挖逆作法。開挖過程中，地表列車正常運(yùn)營。為反映上部列車運(yùn)營和下部基坑逆作法開挖的相互影響，本模型考慮了列車荷載作用的同時(shí)，也考慮了列車荷載作為動(dòng)荷載的動(dòng)力效應(yīng)。

考慮到設(shè)計(jì)最不利工況，計(jì)算時(shí)取列車最高設(shè)計(jì)時(shí)速（350 km/h）過站、股道列車荷載滿布作用的工況。列車荷載分布見圖3；三維計(jì)算模型網(wǎng)格見圖4。

圖3 列車荷載分布圖

圖4 三維計(jì)算模型網(wǎng)格

表1 模型中土體材料分層和相關(guān)參數(shù)

2.3 模擬計(jì)算步驟

南北大通道綜合大廳A區(qū)地下2、3層采用蓋挖逆作法施工，開挖時(shí)分塊分層。整個(gè)模型在數(shù)值計(jì)算分析中按工況抽象為如表2所示的計(jì)算步驟。圖5為A區(qū)基坑開挖完成時(shí)的結(jié)構(gòu)模型圖。

表2 15號線A區(qū)地下2、3層開挖的主要計(jì)算步驟

圖5 15號線A區(qū)基坑開挖完成時(shí)結(jié)構(gòu)模型

3 計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對比

3.1 計(jì)算結(jié)果分析

3.1.1 A區(qū)頂板變形分析

限于篇幅，本文僅對南北大通道A區(qū)逆作施工過程中的頂板變形進(jìn)行分析。本工程A區(qū)采用蓋挖逆作法施工，南北大通道綜合大廳頂板覆土后，列車正常運(yùn)營?？梢婍敯宓淖冃螌ι喜苛熊嚨恼＿\(yùn)營影響巨大。因此，頂板在地下2、3層車站的開挖過程中的受力以及變形情況尤為重要。圖6～8為各個(gè)開挖工況下頂板的豎向變形情況。

由于下部基坑開挖，土體卸載回彈，使得上部結(jié)構(gòu)整體隆起。隨著開挖進(jìn)展，頂板隆起量逐漸增大。整個(gè)施工過程中，頂板除了第一次開挖時(shí)出現(xiàn)局部沉降外，均隆起。開挖區(qū)域頂部的隆起量最大，并向兩邊逐漸減小。至15號線車站開挖結(jié)束時(shí)，頂板的最大隆起量為7.1 mm。

圖6 A區(qū)頂板的豎向位移（步驟4）

圖7 綜合大廳頂板的豎向位移（步驟6）

圖8 A區(qū)頂板的豎向位移（步驟7）

3.1.2 鐵路路基變形分析

頂板上方地表的豎向位移變化特點(diǎn)與頂板類似。圖9為基坑中部沿東西方向的鐵路路基（約南北方向中點(diǎn)）沉降圖。

圖9 15號線基坑中部上方鐵路路基沉降圖

在車站開挖過程中，土體卸載回彈，通過立柱樁等向上傳遞給頂板，引起頂板隆起變形。由于基坑開挖較深，土體卸載回彈應(yīng)力很大，以致即使存在列車荷載上部結(jié)構(gòu)仍整體上移。其次，開挖區(qū)域正上方是土體應(yīng)力釋放作用最強(qiáng)烈的區(qū)域，因此，隆起量相對大于其它區(qū)域。

3.1.3 軌道不平順分析

圖10給出沿基坑中部上方軌道線每10 m范圍內(nèi)地表變形的最大差值。圖10中數(shù)據(jù)點(diǎn)值表示以該點(diǎn)為基點(diǎn)時(shí)，基點(diǎn)前10 m范圍內(nèi)的豎向位移最大差值。也就是這10 m范圍內(nèi)的軌道最大高低不平順差值。由圖10可見，隨著施工的進(jìn)行，軌道高低不平順最大差值在逐漸變大，在施工結(jié)束時(shí)沿線最大高低不平順值為1.6 mm，滿足高速鐵路不平順限值的要求。

3.2 實(shí)測數(shù)據(jù)分析

3.2.1 A區(qū)頂板變形實(shí)測數(shù)據(jù)分析

圖11為2011年A區(qū)頂板變形實(shí)測數(shù)據(jù)。由圖可見，基坑開挖前期階段，頂板變形呈下沉趨勢，但隨著基坑的開挖，由于土體回彈應(yīng)力釋放，基坑隆起，頂板結(jié)構(gòu)亦隨之抬升，這與有限元數(shù)值模擬的趨勢基本一致。隨著結(jié)構(gòu)的回筑，先前抬升的頂板逐漸下沉，最終趨于穩(wěn)定。從實(shí)測數(shù)據(jù)看，頂板抬升的最大變形量約為6 mm。

圖10 基坑中部沿軌道每10 m最大豎向不平順變形

3.2.2 鐵路路基變形實(shí)測數(shù)據(jù)分析

從圖12的2011年實(shí)測數(shù)據(jù)可以看出，由于路基結(jié)構(gòu)位于A區(qū)頂板之上，其變形趨勢與頂板基本一致。

圖11 A區(qū)頂板變形圖

圖12 A區(qū)路基變形圖

4 結(jié)語

（1）本文從軌道的幾何不平順角度出發(fā)，提出了模擬列車荷載的簡化計(jì)算方法，通過定量的列車荷載對上海西站地下南北通道A區(qū)的地下2、3層逆作施工時(shí)的頂板位移進(jìn)行了有限元數(shù)值分析，經(jīng)比較數(shù)值模擬與實(shí)測的結(jié)果較為吻合。

（2）通過有限元數(shù)值模擬與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)的分析，滬寧城際鐵路運(yùn)營后A區(qū)地下2、3層結(jié)構(gòu)逆作施工時(shí)，路基及頂板結(jié)構(gòu)先沉降，隨著基坑的開挖，應(yīng)力釋放土體隆起，路基及頂板結(jié)構(gòu)呈抬升的趨勢。另根據(jù)計(jì)算分析，逆作開挖區(qū)域正上方是土體應(yīng)力釋放作用最強(qiáng)烈的區(qū)域，因此，該區(qū)域隆起量相對大于其它區(qū)域。

（3）經(jīng)研究，上海西站地下南北通道A區(qū)采用地下一層明挖順作實(shí)施完畢后，恢復(fù)鐵路站場運(yùn)營滬寧城際，而后采用蓋挖逆作法施工地下2、3層的方案合理、可行，且能滿足滬寧城際通車運(yùn)營對路基結(jié)構(gòu)的沉降要求。

（4）從軌道不平順的角度分析，軌道不平順最大幅值在施工過程中逐漸變大，在施工結(jié)束時(shí)，沿線最大不平順幅值為1.6 mm，滿足高速鐵路不平順限值對乘坐舒適度的要求。

［1］ 繆海祥，周彪，謝雄耀.高速鐵路與城市軌道交通線路交叉運(yùn)營作用的數(shù)值模擬［J］.城市軌道交通研究，2010（增刊1）：361.

［2］ 中華人民共和國鐵道部.高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則（試行）［S］.

［3］ 羅雁云，耿傳智.不同軌道狀態(tài)對輪軌附加動(dòng)荷載影響［J］.鐵道學(xué)報(bào)，1999（2）：42.

［4］ 梁波，蔡英.不平順條件下高速鐵路路基的動(dòng)力分析［J］.鐵道學(xué)報(bào)，1999（2）：84.

Analysis of Space Structure Deformation under High-speed Railway Station Caused by Inversed Construction

Xu Junchao

Along with the significant development of urban rail transit and high-speed railway construction，cross efects between them become increasingly frequent.Taking the N-S underground corridor project at Shanghai West Railway Station as the background，considering the features of highspeed train load，the load is applied to the finite element model of the inversed construction of underground structure.Through comparison and analysis of the 3-dimensional finite element numerical simulation and measured data，the underground space structure and high-speed railway subgrade deformation law are obtained.

high-speed railway；underground space structure；inversed construction；numerical simulation

TU 441+6

10.16037/j.1007-869x.2015.01.012

2013-04-25）