地铁振动环境对新基坑开挖和围护结构稳定性影响研究

邹 亮, 邓树密, 朱金卫

(中国水利水电第十工程局有限公司,四川成都 610031)

0 引言

随着城市地铁建设的不断推进,地铁站点的建设也变得越来越重要。然而,地铁站点的建设往往会与已有的运营地铁车站相邻,由此带来的围护结构失效风险使得施工过程更加危险。特别是在地铁运营期间,列车振动荷载会加剧这种不稳定性,使得地铁车站基坑围护结构的施工风险隐患更大,国内外学者开展了相关研究[1-6]。针对锦城广场换乘中心29号线车站基坑施工过程中存在的问题,本研究通过三维数值模型模拟列车振动对邻近深基坑围护结构的动力响应影响,并通过现场测量结果验证了模型的可靠性。本文从时域谱和频域谱2个方面进一步揭示了地铁车站基坑围护结构在时间和空间上的振动响应分布特征,结合相关标准提出了地铁车站不同位置的减少振动措施,以便精确有效地提高施工过程安全。其成果可为类似项目工程提供指导,帮助解决地铁车站基坑围护结构施工期间的振动问题。

1 工程概况

锦城广场站位于中国四川省成都市,紧邻大型商业中心(环球中心)。该站为三线换乘站,包括18号线、29号线和16号线,位置关系见图1。目前,本项目18号线地铁站建设已完成,车站已开通列车运营。18号线的列车存在左右两侧,将靠近换乘中心的右线称为近侧线,相反,左线为远侧线。值得注意的是,换乘中心的建设需要在18号线车站一侧开挖基坑,将暴露18号线车站一侧。18号线车站高30 m,宽21m。 换乘中心开挖深度为20 m,为18号线车站高度的2/3。

图1 工程地理位置

2 荷载-环境耦合三维数值模型

2.1 成都地铁18号线列车参数

成都地铁18号线是一条兼顾市域客流和机场客流的复合线。列车采用8节编组A型列车(图2),它的最高运行时速为160 km/h。地铁车辆宽度为3 m,轨距为1.435 m。地铁列车轴数为4×8=32个。此外,成都18号线大部分区间为双线,所设计的车站站台有效长度为187 m。

图2 成都地铁18号线列车的尺寸

成都地铁18号线列车的主要参数如表1所示。锦城广场站车站-基坑模型见图3。

表1 地铁车辆主要参数

图3 基于锦城广场站的地层-结构三维仿真模型

2.2 不同工况设计方案

本研究方案的设计主要是大型基坑围护结构振动响应受不同列车运行条件的对比。基于对锦城广场站现场调研,列车的双侧列车的进出过程运行情况如图4所示。总计3种运行情况:①左线(远侧)列车进出过程;②右线(近侧)列车的进出过程;③双侧列车的进出过程。

图4 双侧列车的进出过程状态下的地铁列车振动仿真

3 监测点位布置及测试

基于三角换乘中心与既有18号线车站的位置关系,选取如图5所示的3个响应点(三角区大基坑中心轴和基坑南端、18号线与29号线交叉位置)进行讨论。距离振源越远则得到的振动响应越弱。因此,测点分布在基坑围护结构底部,且与既有18号线车站侧墙尽量靠近。

图5 围护结构振动测点的位置分布

4 列车振动诱发基坑围护结构动力响应特征分析

4.1 模拟可靠性的验证

为验证本文模拟结果的有效性,在锦城广场站进行了现场试验。目前,三角换乘中心在南侧位置开挖至-20 m,因此,选取如图6所示的响应点1作为现场监测点位。试验采用的设备是振动仪L20-N,它是使用石膏粉固定在基坑围护结构底面上。振动仪可以测得3个方向的振动速度。如图6所示,X,Y,Z这3个方向与数值模型是一致的。

图6 结构振动速度的现场试验

考虑振动速度的时域谱和频域谱,测量的和数值结果的对比如图7所示。图7为近侧列车到站过程中3个方向的振动速度时域谱。对比揭示了列车运营导致的基坑围护结构竖向振动速度幅值明显大于纵向速度,且横向速度幅值最小。因此,本研究主要以基坑围护结构的竖向振动展开讨论。此外,从3个方向的振动速度幅值来看,模拟值和实测值吻合得很好。

图7 近侧列车到站时3个方向振动速度的时域谱比较

图8为近侧列车到达和离开过程的竖向速度频域谱。对比可知两者的主导频率都位于0 Hz和90 Hz之间,又可以分为2个主要的主导频率区间:8～20 Hz和35～45 Hz。然而,测量结果和数值结果之间存在一些差异:模拟得到的谱峰值相对更高(这可能与实际局部开挖深度小于模拟深度有关)。尽管存在上述差异,数值模型得到的频域谱结果与实测结果相比总体上是令人满意的。

图8 近侧列车到达和离开过程中垂直速度的频域频谱比较

4.2 基坑围护结构振速响应时域分析

基坑围护结构响应点时域谱揭示了列车运行会对围护结构产生一定的振动响应。由图9可知,远侧列车进站时,29号线围护结构处响应点3(靠近进站列车最近的点)的振动速度幅值最大。值得注意的是,29号线围护结构处响应点3处列车运营导致的振动效应最为显著,且持续的时间最多。图10表明,远侧列车离开时,三角区基坑围护结构南端处响应点1的振动速度幅值振动效应最为显著,且持续的时间最多。综上,距离列车越近且列车经过的时间越多的响应点,列车运行引起的结构振动振动效应越显著。

图9 左线(远侧)列车到达时的竖向速度时域谱

图10 左线(远侧)列车离开时的竖向速度时域谱

由图11可知,近侧列车进站时,三角区基坑围护结构南端处响应点1(靠近进站列车最近的点)的振动速度幅值最大。值得注意的是,三角区基坑围护结构南端处响应点1处列车运行导致的振动效应最为显著,且持续的时间最多。图12表明,远侧列车离开时,29号线围护结构处响应点3(靠近出站列车的点)的振动速度幅值振动效应最为显著,且持续的时间最多。此外,列车刚要提速的前4s,响应点会出现一个显著的幅值峰。原因是远侧的地层土压挤压车站结构发生扭转变形,使得车站和围护结构结构处于一个不稳定的状态。列车提速的时候,产生的动载加剧了结构的变形和不稳定性,使得结构振动响应大幅增大。

图11 右线(近侧)列车到达时的竖向速度时域谱

图12 右线(近侧)列车离开时的竖向速度时域谱

图13和图14表明,双侧列车运行时,响应点1和3(靠近进站列车最近的点)的振动速度幅值最大。值得注意的是,响应点1和3处列车运营导致的振动效应最为显著,且持续的时间最多。由此可以看到,双侧列车运行引起的时域谱由远近侧列车时域谱迭加起来的。因此,双侧列车运行引起的围护结构振动效应最为显著,持续的时间最多。此外,由于列车经过三角区中间处响应点2时的速度均较小。

图13 左右线列车到达时的竖向速度时域谱

图14 左右线列车离开时的竖向速度时域谱

经过统计得到各种列车运行条件下各个围护结构响应点对应的峰值速度值(图14)。远侧列车由于远离测量点,所以其引起的围护结构振动影响是最小。其次,近侧列车运行和双侧列车运行引起的围护结构振动差异少。此外,结果揭示列车离开时的速度的峰值大于列车到达的时候;其次,在列车出站时,响应点2的速度峰值最显著;原因就是响应点2处于三角区中间,为最不稳定的位置,而响应点1和3处的围护结构是与土体接触或存在结构支撑。因此,换乘中心开挖到一定深度,应该在三角区开挖范围中间位置增加盖板结构支撑来降低围护结构的振动效应。

5 结论

本研究重点研究了不同列车运行条件下大型挖掘支护结构的动态响应。以成都市锦城广场地铁站项目为基础,采用三维数值模型模拟列车振动对结构的影响,并通过现场测量验证了模型的可靠性。此外,考虑不同的列车运行状态,分析了不同位置处支护结构的动态响应差异。主要结论有:

(1)现场振动测试结果表明,列车运行诱发的基坑支护结构竖向振动速度幅值明显大于纵向和横向速度幅值。竖向振动速度幅值是纵向速度幅值的5倍,是横向速度幅值的10倍。此外,模拟值和实测值吻合度高,验证了模拟的可靠性。

(2)基坑支护结构的时域和频域谱揭示了列车运行对结构具有一定的振动影响效应。重要的是,支护结构响应点距离列车越近且列车经过时间越长,该位置的振动效应越显著。此外,在双侧列车同时运行的条件下,振动效应最为显著。

(3)研究表明,三角区土方开挖会导致既有车站和围护结构协同发生侧向变形,列车产生的静荷载增大了基坑围护结构的不稳定性。进一步的,列车产生的动荷载会明显增大结构振动响应。因此,为控制风险应该在三角基坑开挖区增加横向结构支撑来降低围护结构的振动放大效应。