鄒 亮, 鄧樹密, 朱金衛(wèi)

(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(shè)的不斷推進(jìn),地鐵站點(diǎn)的建設(shè)也變得越來越重要。然而,地鐵站點(diǎn)的建設(shè)往往會(huì)與已有的運(yùn)營地鐵車站相鄰,由此帶來的圍護(hù)結(jié)構(gòu)失效風(fēng)險(xiǎn)使得施工過程更加危險(xiǎn)。特別是在地鐵運(yùn)營期間,列車振動(dòng)荷載會(huì)加劇這種不穩(wěn)定性,使得地鐵車站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的施工風(fēng)險(xiǎn)隱患更大,國內(nèi)外學(xué)者開展了相關(guān)研究[1-6]。針對(duì)錦城廣場(chǎng)換乘中心29號(hào)線車站基坑施工過程中存在的問題,本研究通過三維數(shù)值模型模擬列車振動(dòng)對(duì)鄰近深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)影響,并通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果驗(yàn)證了模型的可靠性。本文從時(shí)域譜和頻域譜2個(gè)方面進(jìn)一步揭示了地鐵車站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)在時(shí)間和空間上的振動(dòng)響應(yīng)分布特征,結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)提出了地鐵車站不同位置的減少振動(dòng)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(xiàng)目工程提供指導(dǎo),幫助解決地鐵車站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工期間的振動(dòng)問題。

1 工程概況

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

圖1 工程地理位置

2 荷載-環(huán)境耦合三維數(shù)值模型

2.1 成都地鐵18號(hào)線列車參數(shù)

成都地鐵18號(hào)線是一條兼顧市域客流和機(jī)場(chǎng)客流的復(fù)合線。列車采用8節(jié)編組A型列車(圖2),它的最高運(yùn)行時(shí)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(shù)為4×8=32個(gè)。此外,成都18號(hào)線大部分區(qū)間為雙線,所設(shè)計(jì)的車站站臺(tái)有效長度為187 m。

圖2 成都地鐵18號(hào)線列車的尺寸

成都地鐵18號(hào)線列車的主要參數(shù)如表1所示。錦城廣場(chǎng)站車站-基坑模型見圖3。

表1 地鐵車輛主要參數(shù)

圖3 基于錦城廣場(chǎng)站的地層-結(jié)構(gòu)三維仿真模型

2.2 不同工況設(shè)計(jì)方案

本研究方案的設(shè)計(jì)主要是大型基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)受不同列車運(yùn)行條件的對(duì)比。基于對(duì)錦城廣場(chǎng)站現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研,列車的雙側(cè)列車的進(jìn)出過程運(yùn)行情況如圖4所示。總計(jì)3種運(yùn)行情況:①左線(遠(yuǎn)側(cè))列車進(jìn)出過程;②右線(近側(cè))列車的進(jìn)出過程;③雙側(cè)列車的進(jìn)出過程。

圖4 雙側(cè)列車的進(jìn)出過程狀態(tài)下的地鐵列車振動(dòng)仿真

3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置及測(cè)試

基于三角換乘中心與既有18號(hào)線車站的位置關(guān)系,選取如圖5所示的3個(gè)響應(yīng)點(diǎn)(三角區(qū)大基坑中心軸和基坑南端、18號(hào)線與29號(hào)線交叉位置)進(jìn)行討論。距離振源越遠(yuǎn)則得到的振動(dòng)響應(yīng)越弱。因此,測(cè)點(diǎn)分布在基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)底部,且與既有18號(hào)線車站側(cè)墻盡量靠近。

圖5 圍護(hù)結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)的位置分布

4 列車振動(dòng)誘發(fā)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)特征分析

4.1 模擬可靠性的驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文模擬結(jié)果的有效性,在錦城廣場(chǎng)站進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。目前,三角換乘中心在南側(cè)位置開挖至-20 m,因此,選取如圖6所示的響應(yīng)點(diǎn)1作為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位。試驗(yàn)采用的設(shè)備是振動(dòng)儀L20-N,它是使用石膏粉固定在基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)底面上。振動(dòng)儀可以測(cè)得3個(gè)方向的振動(dòng)速度。如圖6所示,X,Y,Z這3個(gè)方向與數(shù)值模型是一致的。

圖6 結(jié)構(gòu)振動(dòng)速度的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

考慮振動(dòng)速度的時(shí)域譜和頻域譜,測(cè)量的和數(shù)值結(jié)果的對(duì)比如圖7所示。圖7為近側(cè)列車到站過程中3個(gè)方向的振動(dòng)速度時(shí)域譜。對(duì)比揭示了列車運(yùn)營導(dǎo)致的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)豎向振動(dòng)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(hù)結(jié)構(gòu)的豎向振動(dòng)展開討論。此外,從3個(gè)方向的振動(dòng)速度幅值來看,模擬值和實(shí)測(cè)值吻合得很好。

圖7 近側(cè)列車到站時(shí)3個(gè)方向振動(dòng)速度的時(shí)域譜比較

圖8為近側(cè)列車到達(dá)和離開過程的豎向速度頻域譜。對(duì)比可知兩者的主導(dǎo)頻率都位于0 Hz和90 Hz之間,又可以分為2個(gè)主要的主導(dǎo)頻率區(qū)間:8～20 Hz和35～45 Hz。然而,測(cè)量結(jié)果和數(shù)值結(jié)果之間存在一些差異:模擬得到的譜峰值相對(duì)更高(這可能與實(shí)際局部開挖深度小于模擬深度有關(guān))。盡管存在上述差異,數(shù)值模型得到的頻域譜結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相比總體上是令人滿意的。

圖8 近側(cè)列車到達(dá)和離開過程中垂直速度的頻域頻譜比較

4.2 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)振速響應(yīng)時(shí)域分析

基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)響應(yīng)點(diǎn)時(shí)域譜揭示了列車運(yùn)行會(huì)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的振動(dòng)響應(yīng)。由圖9可知,遠(yuǎn)側(cè)列車進(jìn)站時(shí),29號(hào)線圍護(hù)結(jié)構(gòu)處響應(yīng)點(diǎn)3(靠近進(jìn)站列車最近的點(diǎn))的振動(dòng)速度幅值最大。值得注意的是,29號(hào)線圍護(hù)結(jié)構(gòu)處響應(yīng)點(diǎn)3處列車運(yùn)營導(dǎo)致的振動(dòng)效應(yīng)最為顯著,且持續(xù)的時(shí)間最多。圖10表明,遠(yuǎn)側(cè)列車離開時(shí),三角區(qū)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)南端處響應(yīng)點(diǎn)1的振動(dòng)速度幅值振動(dòng)效應(yīng)最為顯著,且持續(xù)的時(shí)間最多。綜上,距離列車越近且列車經(jīng)過的時(shí)間越多的響應(yīng)點(diǎn),列車運(yùn)行引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)振動(dòng)效應(yīng)越顯著。

圖9 左線(遠(yuǎn)側(cè))列車到達(dá)時(shí)的豎向速度時(shí)域譜

圖10 左線(遠(yuǎn)側(cè))列車離開時(shí)的豎向速度時(shí)域譜

由圖11可知,近側(cè)列車進(jìn)站時(shí),三角區(qū)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)南端處響應(yīng)點(diǎn)1(靠近進(jìn)站列車最近的點(diǎn))的振動(dòng)速度幅值最大。值得注意的是,三角區(qū)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)南端處響應(yīng)點(diǎn)1處列車運(yùn)行導(dǎo)致的振動(dòng)效應(yīng)最為顯著,且持續(xù)的時(shí)間最多。圖12表明,遠(yuǎn)側(cè)列車離開時(shí),29號(hào)線圍護(hù)結(jié)構(gòu)處響應(yīng)點(diǎn)3(靠近出站列車的點(diǎn))的振動(dòng)速度幅值振動(dòng)效應(yīng)最為顯著,且持續(xù)的時(shí)間最多。此外,列車剛要提速的前4s,響應(yīng)點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)顯著的幅值峰。原因是遠(yuǎn)側(cè)的地層土壓擠壓車站結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形,使得車站和圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)處于一個(gè)不穩(wěn)定的狀態(tài)。列車提速的時(shí)候,產(chǎn)生的動(dòng)載加劇了結(jié)構(gòu)的變形和不穩(wěn)定性,使得結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)大幅增大。

圖11 右線(近側(cè))列車到達(dá)時(shí)的豎向速度時(shí)域譜

圖12 右線(近側(cè))列車離開時(shí)的豎向速度時(shí)域譜

圖13和圖14表明,雙側(cè)列車運(yùn)行時(shí),響應(yīng)點(diǎn)1和3(靠近進(jìn)站列車最近的點(diǎn))的振動(dòng)速度幅值最大。值得注意的是,響應(yīng)點(diǎn)1和3處列車運(yùn)營導(dǎo)致的振動(dòng)效應(yīng)最為顯著,且持續(xù)的時(shí)間最多。由此可以看到,雙側(cè)列車運(yùn)行引起的時(shí)域譜由遠(yuǎn)近側(cè)列車時(shí)域譜迭加起來的。因此,雙側(cè)列車運(yùn)行引起的圍護(hù)結(jié)構(gòu)振動(dòng)效應(yīng)最為顯著,持續(xù)的時(shí)間最多。此外,由于列車經(jīng)過三角區(qū)中間處響應(yīng)點(diǎn)2時(shí)的速度均較小。

圖13 左右線列車到達(dá)時(shí)的豎向速度時(shí)域譜

圖14 左右線列車離開時(shí)的豎向速度時(shí)域譜

經(jīng)過統(tǒng)計(jì)得到各種列車運(yùn)行條件下各個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)響應(yīng)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的峰值速度值(圖14)。遠(yuǎn)側(cè)列車由于遠(yuǎn)離測(cè)量點(diǎn),所以其引起的圍護(hù)結(jié)構(gòu)振動(dòng)影響是最小。其次,近側(cè)列車運(yùn)行和雙側(cè)列車運(yùn)行引起的圍護(hù)結(jié)構(gòu)振動(dòng)差異少。此外,結(jié)果揭示列車離開時(shí)的速度的峰值大于列車到達(dá)的時(shí)候;其次,在列車出站時(shí),響應(yīng)點(diǎn)2的速度峰值最顯著;原因就是響應(yīng)點(diǎn)2處于三角區(qū)中間,為最不穩(wěn)定的位置,而響應(yīng)點(diǎn)1和3處的圍護(hù)結(jié)構(gòu)是與土體接觸或存在結(jié)構(gòu)支撐。因此,換乘中心開挖到一定深度,應(yīng)該在三角區(qū)開挖范圍中間位置增加蓋板結(jié)構(gòu)支撐來降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)效應(yīng)。

5 結(jié)論

本研究重點(diǎn)研究了不同列車運(yùn)行條件下大型挖掘支護(hù)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。以成都市錦城廣場(chǎng)地鐵站項(xiàng)目為基礎(chǔ),采用三維數(shù)值模型模擬列車振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響,并通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量驗(yàn)證了模型的可靠性。此外,考慮不同的列車運(yùn)行狀態(tài),分析了不同位置處支護(hù)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)差異。主要結(jié)論有:

(1)現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試結(jié)果表明,列車運(yùn)行誘發(fā)的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)豎向振動(dòng)速度幅值明顯大于縱向和橫向速度幅值。豎向振動(dòng)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(shí)測(cè)值吻合度高,驗(yàn)證了模擬的可靠性。

(2)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的時(shí)域和頻域譜揭示了列車運(yùn)行對(duì)結(jié)構(gòu)具有一定的振動(dòng)影響效應(yīng)。重要的是,支護(hù)結(jié)構(gòu)響應(yīng)點(diǎn)距離列車越近且列車經(jīng)過時(shí)間越長,該位置的振動(dòng)效應(yīng)越顯著。此外,在雙側(cè)列車同時(shí)運(yùn)行的條件下,振動(dòng)效應(yīng)最為顯著。

(3)研究表明,三角區(qū)土方開挖會(huì)導(dǎo)致既有車站和圍護(hù)結(jié)構(gòu)協(xié)同發(fā)生側(cè)向變形,列車產(chǎn)生的靜荷載增大了基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性。進(jìn)一步的,列車產(chǎn)生的動(dòng)荷載會(huì)明顯增大結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)。因此,為控制風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)該在三角基坑開挖區(qū)增加橫向結(jié)構(gòu)支撐來降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)放大效應(yīng)。