摘 要：地鐵基坑支護及既有隧道是地鐵的基本設施，其穩(wěn)定性及受力特性決定著地鐵建設的安全和使用效果?；诖?，將基坑支護及既有隧道結構作為主要研究對象，通過分析其受力情況，探究地鐵荷載對其可能產生的影響。以南京城西干道改造項目為例，運用Midas/GTS軟件建立上跨南京地鐵2號線的基坑模型，進行模擬地鐵振動荷載作用模擬。對基坑圍護結構的動態(tài)響應進行深入分析，預測在地鐵運行期間基坑支護和既有隧道結構所受到的影響，并探究降低列車振動影響的相關措施。

關鍵詞：基坑支護；既有隧道；動荷載；動力分析

中圖分類號：TU473.2 文獻標識碼：A 文章編號：2096-6903（2024）09-0024-03

收稿日期：2024-03-14

作者簡介：曹順（1988—），男，河南商丘人，碩士研究生，研究方向：巖土工程。

0 引言

隨著地鐵設施的建設要求逐步加強，研究地鐵荷載對基坑支護及既有隧道結構的影響，從而保證地鐵運行過程中產生振動不會對地鐵設施產生破壞，形成對地鐵荷載最大程度限制。通過此種研究能夠理清地鐵荷載對周邊相關設施及建筑物的影響，不僅可以形成對地鐵設施的保護，還能夠一定程度上減少地鐵對隧道的影響，進而保證既有隧道的完整性和穩(wěn)定性，保證地鐵周邊相關區(qū)域的整體安全。

部分學者對地鐵振動產生的波強進行研究，發(fā)現此種振動可以隨著基坑支護與隧道形成傳遞，導致地鐵周圍介質亦會受到此種振動影響，對地鐵周圍的土層和地表土體會產生振動響應。地鐵長期往返經過的區(qū)域，周圍的隧道土體會形成一定的塑性變形，且會隨著變形量的累計對地鐵基坑支護結構產生變形影響，或造成其地表的沉降。實驗研究發(fā)現，對同一區(qū)域給予相同條件下不同的荷載，動荷載與靜載對地基土體產生的作用力及變形情況存在著較大的區(qū)別。此實驗研究為地鐵設施施工建設提供了較大的幫助，可荷載作為重要的施工考慮因素，進而增強地基的穩(wěn)定性和強度，并結合地鐵的荷載量進行施工建設。

在地鐵的基坑支護建設施工中，需要充分結合地鐵的實際荷載情況進行設計，施工單位要充分結合地鐵的荷載進行基坑支護穩(wěn)定性設計。段邵偉、曾垂軍[1]使用有限元分析方法，分析了地鐵的動荷載會對基坑造成的影響，并能夠著重研究了動載作用會產生的影響，并利用對比模擬的方式進行比較，最終得出水平簡諧荷載是影響地鐵基坑支護變形的最大成因。

張國亮[2]對于地鐵荷載與基坑支護方面的研究，選用了深圳地鐵5號線民治車站與五和車站基坑進行測定研究，其中分別設定動荷載和靜載作用，并分別觀察兩種作用下基坑支護結構的受力情況及變形規(guī)律，進而得出最小受力情況的動荷載情況，并根據相關公式推算出此時的最大行駛速度為60 km/h。對不對稱荷載性質的基坑項目進行了研究，從中發(fā)現了基坑支護結構所具有的位移與荷載模式。楊棟[3]利用計算理論進行差分方程構建，并結合地鐵基坑地基的半空間模型，最終求得了隧道縱向位移。閆朝霞[4]等運用了實際測量的既有隧道受力影響數據，對地鐵運行速度及荷載情況進行了深入研究，最終得出荷載與基坑及既有隧道的變形情況的規(guī)律，進而能夠為地鐵施工建設創(chuàng)造相應的條件。

1 工程概況

該基坑工程位于清涼門隧道與南京地鐵二號線相交處，挖深8.5 m，采用φ1000@800咬合樁+三道φ609鋼支撐支護形式，南北兩側擋墻需在二期施工完畢后進行鑿除?；诱路綖橐堰\行的地鐵2號線，為保證該地鐵線路的運行安全，在基坑開挖前用三軸攪拌樁，對基坑底部以下4.0 m及地鐵線路周圍土體進行加固（見圖1）。該基坑支護樁長度在與地鐵隧道平行的方向為 21.3 m，在與地鐵隧道垂直的方向為 12.5 m。

該基坑上跨地鐵二號線，其中基坑底與既有地鐵襯砌頂部間距為5.0 m，該場地地質條件較差（新建基坑依次穿過雜填土、素填土及軟塑狀粉質黏土），具有較高的施工風險。

2 地鐵動荷載作用下的數值模擬分析

2.1 動力模型的建立

動力模型的建立使用了巖土隧道專用GTS軟件，該段基坑開挖范圍為42 m、28 m與8.5 m（長寬深），相應的建立有限元模型尺寸為200 m、120 m與50 m。

用GTS軟件模擬列車動荷載對既有隧道的影響，應分兩步進行[5]：①特征值分析。求出模型的特征周期。②時程分析。通過輸入模型的特征周期及列車運行荷載，來模擬出在動荷載作用下既有隧道的動力特征。列車動載的布置有兩種形式單側隧道布置與兩側隧道同時布置運行荷載。

李軍世、李克訓等[6]在研究中進行了假設，排除其他相關因素影響，進行理想化的動荷載設定，其中不考慮地鐵長度及輪載周期性質變化，可用Fourie級數實現對該動載的表達。

基于此，車輛承受豎向振動的動荷載，可運用指數函數進行表示，其中包含對振動幅值與頻率的考量，并結合振動波的可加性特點，能夠實現對列車所有輪載的動荷載模型構建。

2.2 特征值分析的邊界條件

需先對該模型的邊界條件及特征值進行分析，在模型構建中可利用曲面彈簧進行彈性邊界模擬，其中可利用相關設計規(guī)范進行彈簧常量的公式求解。

2.3 時程分析的邊界約束

在模型中，用吸收邊界來代替彈簧，以減少地鐵運行時產生的反力波對邊界條件的影響。根據相關規(guī)范公式，求出在時程分析時所需的吸收邊界值P波Cp和S波Cs。

3 計算結果分析

3.1 動荷載對上部基坑支護樁的影響分析

影響因素分析過程中，動荷載作用區(qū)域分別選用單側地鐵隧道與兩側地鐵隧道進行研究分析，其中不同荷載作用區(qū)域的基坑護樁在X、Y、Z方向的產生的最大速度值與最小速度值詳細數據見表1，可實現對其加速度和安全速度的計算。

根據研究發(fā)現，地鐵運行中產生的動荷載對不同區(qū)域隧道產生的振動有影響，并且由表1可知，地鐵在單側隧道和兩側隧道分別運行中，由動荷載引起的基坑圍護樁豎向（Z方向）最小速度不同，分別為-1.76 mm/s和-2.3 mm/s，由此可得出，在地鐵日常正常運行中，荷載作用下基坑圍護樁處于3 mm/s的可控安全振動速度范圍內。

3.2 動荷載對隧道的影響分析

根據表1研究的結果，選取地鐵在兩側隧道同時運行與地鐵在單側隧道運行的同樣條件，對既有隧道結構在Z方向的速度進行研究和分析，進而分析動荷載作用對既有隧道結構影響的理論。

從模型計算結果可以看出，單側隧道與兩側隧道運行狀態(tài)下，地鐵動荷載作用中既有隧道豎向（Z方向）產生的最大速度存在差異不明顯，分別為5.41 mm/s與5.43 mm/s，由此判斷出既有隧道結構的安全振速允許值為 2.5～5 mm/s。若超出該允許值，則一定程度上會對地鐵既有隧道結構的耐久性產生振動損壞影響，需采用相應的減震和控制措施進行最大振動速度限定，確保維護既有隧道的穩(wěn)定性。

4 列車減少振動影響的常用措施

4.1 既有隧道減振程度的分析

現階段多使用振動級對既有隧道結構的振動效應進行評估，其中速度級標準與加速度級標準是其主要的評價標準。

在進行模擬實驗中，可對振動速度進行直接檢測，而對加速度需進行公式計算。對于速度振動級則需要運用公式來進行計算，確定隧道結構的振動響應程度。

結合研究，此項計算的結果需要與振動速度允許值進行比對，在5 mm/s范圍內的速度值，可判定地鐵對既有隧道的結構尚未產生破壞性影響，而若超出最大限值速度運行時，則會對既有隧道結構產生不良影響，需進行減震處理，方能保證結構的穩(wěn)定性、安全性、耐久性，要確保隧道結構的振動響應維持在安全限值標準以下。

其中加速度級衰減量公式[7]如式（1）所示。

（1）

其中速度級衰減量公式如式（2）所示。

（2）

可得出兩側地鐵動荷載作用下既有隧道需減震的程度如式（3）所示。

（3）

因此，在有列車動荷載作用下既有隧道需要進行減震0.8 dB的程度，而一般的減振措施如DTVI2 型扣件（減震量大約在3 dB左右）即能滿足減震的要求。

4.2 軌道類型對減振效果的影響

可使用重置軌道類型的方式，實現減震的目的。其中鋼軌腹板厚度決定著列的車輪運行中會對鋼軌腰造成的振動強度。因此，在減振過程中，可適當的增加鋼軌腹板厚度，用以有效的降低對軌腰的振動影響。對于震動中產生的噪音問題，可通過在鋼軌腹板粘貼高阻尼橡膠的方式，形成對噪聲及振動的衰減。還可對鋼軌使用減震型扣件，通過增大鋼軌彈性作用，使其與道床間的振動降低。常見的用于地鐵鋼軌上的減震型扣件可有效降低強度為4～5 dB。

4.3 軌道線路形式對減振效果的影響

對于地鐵減震的研究中，現階段國際上多推薦采用無縫線路鋪設的方式，減少軌道振動作用。此種無縫線路形式能夠最大限度上降低車輪對軌道的沖擊，并實現運行中承受阻尼值的降低，可降低10%～20%。與有縫線路的比較，無縫線路能夠極大程度上消除車輪對鋼軌接頭的影響，進而有效地減少5 dB左右的振動效應強度。

根據地鐵建設資料分析，可發(fā)現在對地鐵進行運營管理中，可通過強化鋼軌結構狀態(tài)管理，提升鋼軌的平順性，實現車輪對軌道撞擊的弱化。實際建設中，可定期對地鐵軌道上油，并對凹凸不平處進行打磨，實現減少震動的目的。

5 結束語

結合該改造項目的實際情況，并運用Midas/GTS建立三維模型，對動荷載作用下基坑支護及既有隧道結構影響進行研究分析，發(fā)現地鐵運行時產生的振動效應，引起的動荷載會對基坑支護及既有隧道結構產生不同程度的影響，需進行相應的減振操作處理。

研究分析得到結論如下：列車動荷載對基坑圍護結構會產生影響，相比靜載狀態(tài)下會形成一定程度的受力與變形，但此種影響尚不具備嚴重的后果，在可接受范圍之內。通過實驗對X、Y、Z方向上基坑圍護墻體的振動速度與加速度進行分析，基坑支護最大振速小于安全速度允許值，由此可判斷列車動荷載對基坑圍護墻的影響尚處于安全可控范圍內。地鐵振動產生的動荷載對既有隧道結構的耐久性通過實驗結果判斷，發(fā)現可對結構產生不良影響，需進行減震處理。對于現階段我國采用軌道減振措施，能夠一定程度減少動荷載對既有隧道結構的影響，如改變鋼軌腹板厚度、使用軌道減震扣件、建立無縫線路等，均有一定的成效。

參考文獻

[1] 段紹偉，曾垂軍.水平簡諧荷載對深基坑開挖變形的影響[J]. 地下空間與工程學報，2007，3（2）：316-318+324.

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[3] 楊棟. 地下工程開挖對臨近隧道變形的影響分析[D].上海：同濟大學，2008.

[4] 閆朝霞，李東海，鄭知斌.基坑開挖時對既有隧道監(jiān)測的時空分析[J].市政技術，2008（3）：152-153.

[5] 卿偉.車一隧藕合條件下地鐵陡道的動力晌應分析及對周邊環(huán)境影晌的評估研究[D].重慶：重慶交通大學，2011.

[6] 李軍世，李克訓.高速鐵路路基動力反應的有限元分析[J].鐵道報，1995，17（1）：66-75.

[7] 張厚貴，劉維寧，劉衛(wèi)豐，等.北京地下直徑線運營對地鐵2號線隧道結構振動影響控制標準的研究[J].隧道建設，2007，27 （增刊）：93-97.