考虑地面动荷载的地铁运行隧道结构安全分析

刘新军

【摘 要】为研究地铁开通运行后对地面建构筑物的影响及上部铁路动荷载情况下对地铁隧道结构的影响,采用理论计算和数值模拟相结合的方法,对南京地铁4#线下穿京沪高铁联络线和宁芜铁路路基段进行了探讨和分析,研究了地铁运行震动和铁路机车动荷载情况下地层的动应力分布及变化规律,进一步分析运行状态下两者的相互影响情况.结果表明:高铁震动引起的土体动应力较大,并对隧道结构产生不利影响,高铁列车通过隧道上方时隧道顶部加速度的变化幅值明显变大,说明隧道管片对高铁列车运行产生的动荷载较为敏感,相比之下对普通列车产生的动荷载的敏感性不强.为确保地铁运行后结构的安全,隧道在设计时采取了安设高强度螺栓,浮置板道床以及在管片上增设注浆孔等工程措施.%In order to study the impact of subway operation on ground construction,as well as the influence of upper railway on the structure of metro tunnels in the case of dynamic load,this paper discusses and analyses the subgrade of Beijing-Shanghai high-speed rail and Ning-Wu railway under-passed by the Nanjing metro line four through combining theoretical calculation with numerical

simulation,and study dynamic stress distribution and change law of the stratum under the circumstances of subway operation vibration and dynamic load of railway locomotive,and further probe into the interaction under the operation state.Extensive experimental results show the soil dynamic stress is larger caused by high-speed rail vibration which bring adverse effects on the tunnel structure.The change amplitude of the top tunnel acceleration obviously becomes larger when the train passes

through the tunnel,which indicates that the tunnel segment is more sensitive to the dynamic load caused by the operation of high-speed railway in contrast to the weak sensitivity to the ordinary train.Therefore,in order to ensure the safety of the structure during operation,the tunnel was designed with high strength bolts,floating track bed,and engineering measures that adding grouting hole on segment. 【期刊名称】《西安科技大学学报》 【年(卷),期】2017(037)002 【总页数】7页(P171-177)

【关键词】机车动荷载;地铁运行震动;地层动应力;加速度响应;浮置板道床 【作 者】刘新军

【作者单位】中铁第一勘察设计集团有限公司,陕西西安710043 【正文语种】中 文 【中图分类】TD32;U25

随着中国大量城市开始建设地铁，各类难题也不断出现。在地铁建设规划中，区间隧道下穿地面建构筑物是比较普遍的现象。近几年，随着中国施工技术的发展和施工经验的积累，施工过程中的风险逐步得到了有效控制。大量地铁线路的开通运行，越来越多的人关注开通后运行机车产生的震动问题、运行后地面建构筑物的安全问题、运行隧道因震动产生的下沉问题等。如何分析运行机车的震动影响和机车震动对地面建构筑物的影响是在建设过程中应该考虑的问题，以确保地铁建成后的运行安全。

关于列车行驶产生的震动荷载问题国内外大量学者进行了探讨，潘昌实[1]、李军世[2]、梁波[3-4]等基于列车的载客能力、产生波动的叠加性和机车轨道的不平顺等进行了理论研究，得到了列车震动荷载的不同数学计算方法；刘维宁[5]、王逢朝[6]、Jones[7]、Krylov[8]等利用数学推导和计算机仿真分析求得机车的震动荷载及荷载的影响范围；Rücker[9]、潘昌实[10]、李德武[11]、张玉娥[12]采用仪器对伦敦地铁、北京地铁、广州地铁的运行震动进行了测试，测出了某一点的震动荷载，从而推测机车震动荷载规律。类似的研究还很多[13-18]，均从不同方面对列车运行产生的震动问题进行了探讨和监测。

机车震动荷载的研究为中国城市轨道交通线路的走向选择及隧道的埋深提供了很好的参考，同时对因震动产生的结构影响也提出了保护距离，而当隧道上部存在铁路机车动荷载，隧道内有地铁运行动荷载情况下相互影响的结构安全研究则较少。 笔者结合南京地铁4#线一期工程徐庄软件园站-金马路站区间下穿京沪高铁联络线和宁芜铁路路基段为分析主体，采用理论分析及数值模拟相结合的方法，对地铁隧道下穿高铁和普通铁路路基段的相互影响进行研究和探讨，对因运行产生的地层动应力进行分析，总结了铁路运行对地铁隧道结构产生的影响，并提出了相应的控制措施，为后续类似工程提供参考和借鉴。 1.1 地铁区间及下穿段概况

南京地铁4#线一期工程徐庄软件园站-金马路站区间设计里程为右CK9+703.25～右CK10+819.526，左CK9+703.25～左CK10+819.526全长约1 116.3 m，采用盾构法施工，区间内设一个风井，2个联络通道。

本区间隧道计划采用2台盾构机施工，2台盾构机从金马路站端头井始发，推进至区间风井处进行检修，最终到达徐庄软件园站。盾构隧道在本区间下穿京沪高铁联络线和宁芜铁路，整个下穿工点长度约60 m.盾构隧道与京沪高铁和宁芜铁路斜交，两线路角度约50°.京沪高铁轨道中心线与宁芜铁路轨道中心线距离约17 m，铁路

轨面标高约22 m，下穿位置盾构隧道线间距约32 m，隧道埋深约20 m.下穿位置周边环境如图1所示。 1.2 工程地质及评价

本工程位于徐庄软件园站-金马路站之间，根据南京地铁4#线地质灾害评估该段地质和水文地质资料以及《南京南至仙宁联络线横断面设计图》，该处地貌单元属于侵蚀堆积岗地，地形有一定起伏变化，北段略高，勘探孔孔口高程在6.96～11.86 m，最大高差4.90 m.勘察揭示场地覆盖层厚度41.0 m左右，上覆土层厚度变化较小，土层性质变化不大，局部有坳沟分布。区间隧道纵剖面图如图2所示。 由图2可知，区间盾构段涉及土层主要为：④-1b1，④-2b2，④-3b1，④-3b2及④-4b1层粉质黏土，以可～硬塑为主，局部为坚硬，其工程性质较好～好。土层物理力学性质见表1. 1.3 工程特点

区间地质条件较好。下穿节点处盾构隧道主要位于④-3b1粉质黏土层，压缩模量10.5 MPa，承载力特征值260 kPa，盾构隧道上部土层为④-1b1粉质黏土层和④-2b2粉质黏土层，承载力特征值分别为240，180 kPa，土层性质较好。 隧道埋深较深。盾构隧道顶板埋深约24 m，隧道顶板距离高铁路基距离较大从而减小了地铁与铁路之间的相互影响，对工程有利。

穿越工点易产生不均匀沉降。盾构隧道下穿京沪高铁工点位于仙林大道框架桥路桥过渡段。过渡段地基在盾构下穿工点处加固不均匀使地基刚度存在差异，在盾构推进的过程易产生不均匀沉降，影响行车安全。

铁路运行期间路面列车和盾构隧道内运行的地铁等产生的动荷载将对既有铁路路基及盾构结构产生不利影响。列车产生的震动荷载的长期作用会使地基土软化、孔隙水压力增大，导致土体承载力降低，而土体被弱化的后果又危及地铁运行安全和上方运行铁路路基的稳定性。

针对运行期仙宁铁路及宁芜铁路列车及南京地铁4#线地铁等动荷载的相互作用进行计算分析。 2.1 计算荷载及模型

动荷载的特点是瞬时性和反复性，荷载作用时间一般在10 s以下，在动荷载条件下考虑土体的强度和变形问题时需要考虑速度效应和循环效应。考虑速度效应时需要将加荷时间的长短换算成加荷速度或者是应变速度，加荷速度不同，土的应变不同。

高铁联络线(仙宁铁路高)铁设计时速为260 km/h，车型为CRH3列车，宁芜铁路线为普通铁路列车，运行时速为100 km/h，南京地铁四号线运行时速为80 km/h,采用B型车。根据现场实测及计算数据整理出不同列车的荷载时程曲线如图3，4，5所示。由图可知：高铁机车产生的震动峰值为60 kN，频率为10次/s；普通铁路机车产生的震动峰值为85 kN，频率为5次/s；地铁车辆产生的震动峰值为75 kN，频率为3次/s.

机车震动幅值对下部结构的影响可根据如下公式[19]进行估算。

式中Ar为离震源中心r处铅垂幅值; fo为波源震 动频率; Ao为波源震动幅度; ξo为关联于震源区域 的几何衰减系数; ao为土体衰减系数; ro为震源半 径，当震源形状为矩形或者正方形时，应取当量 半径

式中 F为震源域值；μ1为动态响应率；F≤10 m2时，μ1=1.0；F=15 m2时，μ1=0.9；F>20 m2时，μ1=0.8.

在研究区段内，地铁隧道依次穿越高铁及普通铁路，因铁路行车产生震动力不同，文中采用Adins有限元软件建立模型进行计算。Adins分析软件具有把时间、力、结构进行耦合的功能，可根据不同的时间频率增加瞬时力，有效模拟结构震动荷载的施加，计算高铁下震动和普通铁路下震动2种情况，建模如图6，7所示。 如图8所示，地铁隧道为减轻上部动载对结构的安全影响，线路在设计时进行了

大埋深设计，隧道结构埋深为20 m，两隧道间间距进行了拉大处理，减少因隧道施工引起的地层应力及变形叠加，区间线路间距为32 m，并对高铁涵洞进行了合理距离避让，高铁联络线在设计时考虑到了地铁的穿越，对地层进行了预加固，采用了直径0.5 m，间距1.0 m，长度5.5 m的粉喷桩进行加固。 2.2 结果分析

通过模型计算，地铁隧道下穿高铁断面处隧道顶点上部土层产生的最大动应力随土层深度的变化曲线如图9所示，高铁通过时盾构管片顶部加速度响应曲线如图10所示。

结果表明：在埋深2.5 m范围以内，列车荷载产生的动应力迅速消散减小，在埋深区间2.5 m至8 m位置处，动应力的消散变得缓慢，出现了增大的现象，仙宁大道路桥与粉喷桩加固区正位于该埋深范围内，说明车辆荷载产生的动荷载与高铁列车产生的动荷载在此区间内产生了叠加效应，同时地下结构物(框架桥及粉喷桩加固区)的存在影响了阻尼系数，使得动应力的消散放缓，埋深8 m以下，土层中的动应力又开始衰减，但是与浅土层相比衰减速度显著降低，这与该埋深范围内的土质相符合，至隧道顶部上方时减至20 kPa左右，隧道顶部最大加速度值为右线7 m/s2.

地铁隧道下穿普通铁路断面处隧道顶点上部土层产生的最大动应力随土层深度的变化曲线如图11所示，普通铁路通过时盾构管片顶部加速度响应曲线如图12所示。 结果表明：动应力在土层中的消散曲线较有规律，在路基面(埋深-0.8 m)动应力为75 kPa，至隧道顶部上方时缩减为2.2 kPa，隧道顶部最大加速度值为右线3.2 m/s2.

地铁盾构隧道在长期运行的过程中会因各种原因发生不均匀沉降。据统计，已运行地铁隧道均出现不同程度的沉降，主要原因是运行震动与地基土的承载力弱化，如图13所示。

针对该区间隧道，由于盾构隧道结构刚度较小，当隧道地基发生较大变形后，轨面不平顺也相应增大，降低机车车辆运行的平稳性和轨道结构的安全性；同时增大的震动会引起地基土中的孔隙水压力增大进而弱化地基土的承载能力并加大隧道周围土体的变形。随着时间的推移，变形的影响范围加大到一定程度必然会加剧上方铁路线路的轨面不平顺，进而将加大轮轨间的冲击力，然后通过路基及土体的传递，最终使隧道结构内的附加动应力增大，这样就形成了动力相互影响的恶性循环。如不采取合理的预防措施，必将会严重影响隧道结构及上部铁路的行驶安全性。 根据以上的分析，该区间在运行期间应进行长期科学监测，盾构隧道在设计时采取了加强措施：①盾构连接螺栓采用了高强度螺栓，增加区间隧道结构刚度；②隧道在该地段采用了浮置板抗震道床，以减少轨道机车行驶震动；③管片上增设注浆孔，根据需要可适时通过洞内对地层进行补偿注浆。并对隧道结构加强后运行状态进行了动态模拟，结果如图14，15所示。计算横向取250 m，埋深20 m，模拟隧道真实周边环境及地层参数进行计算。

可以看出，在地铁长期运行及上部铁路动荷载情况下，铁路路基的最终沉降量为9.6 mm，满足高铁联络线对沉降的要求，运行安全可控。

1)高速铁路和普通铁路行车震动产生的土体动应力以一定的规律衰减后作用到地铁隧道结构上，并对隧道结构产生不利影响，隧道结构在设计阶段应充分考虑这种动荷载的作用，并进行结构的加强；

2)在地铁和上部铁路长期的运行下，震动的频繁叠加会弱化地基土的承载能力并加剧隧道周围土体的变形，尽而影响地铁隧道和上部铁路的行车安全，需要采取措施进行保护；

3)经过理论计算和数值模拟，在采取合理措施情况下，本工程顺利实施，并确保了安全运行，为同类工程的实施提供了借鉴。

【相关文献】

[1] 潘昌实，GN Pande.黄土隧道列车动荷载响应有限元初步数定分析研究[J].土木工程学，1984，17(4)：19-28.

PAN Chang-shi，GN Pande.Preliminary deterministic finite element study on a tunnel in loess subjected to train loading[J].China Civil Engineering Journal，1984，17(4)：19-28. [2] 李军世，李克釧.高速铁路路基动力反应的有限元分析[J].铁道学报，1995(1)：65-75. LI Jun-shi，LI Ke-chuan.Finite element analysis for dynamic response of high speed railway[J].Journal of the China Railway Society，1995(1)：65-75.

[3] 梁 波，蔡 英.不平顺条件下高速铁路路基的动力分析[J].铁道学报，1999，21(2)：84-88. LIANG Po，CAI Ying.Dynamic analysis on subgrade of high speed railways in geometric irregular condition[J].Journal of the China Railway Society，1999，21(2)：84-88. [4] 梁 波，罗 红，孙常新.高速铁路振动荷载的模拟研究[J].铁道学报，2006，28(4)：89-94. LIANG Po，LUO Hong，SUN Chang-xin.Simulated study on vibration load of high speed railway[J].Journal of the China Railway Society，2006，28(4)：89-94.

[5] 刘维宁，夏 禾，郭文军.地铁列车振动的环境响应[J].岩石力学与工程学报，1996，15(S1)：586-593.

LIU Wei-ning，XIA He，GUO Wen-jun.Study of vibration effects of underground trains on surrounding environments[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，1996，15(S1)：586-593.

[6] 王逢朝，夏 禾，吴 首.列车振动对环境及建筑物的影响分析[J].北方交通大学学报，1999，23(4)：13-17.

WANG Feng-chao，XIA He，WU Shou.Vibration effects of trains on surrounding

environments and buildings[J].Journal of Northern Jiaotong University，1999，23(4)：13-17.

[7] Jones C J C，Block J R.Prediction of ground vibration from freight trains[J].Journal of Sound and Vibration，1996，193(1)：205-213.

[8] Krylov V V.Vibrational impact of high-speed trains.I.Effect of Track Dynamics[J].The Journal of the Acoustics Society of America，1996，100(5)：3 121-3 124.

[9] Rücker W. Measurement and evaluation of random vibrations[C]∥Proceeding of International Symposium on Dynamic Methods in Soil and Rock Mechanics(DMSR77),Karlsruhe:Karlsruhe Press, 1977：407-421.

[10] 潘昌实，谢正光.地铁区间隧道列车振动测试与分析[J].土木工程学报，1990，23(2)：21-28. PAN Chang-shi，XIE Zheng-guang.Measurement and analysis of vibrations caused by passing trains in subway running tunnel[J].China Civil Engineering Journal，1990，23(2)：21-28.

[11] 李德武，高 峰.金家岩隧道列车振动现场测试与分析[J].兰州铁道学院学报，1997，16(3)：

7-11.

LI De-wu，GAO Feng.In-situ measurement and frequency-spectrum analysis of traffic vibrations in Jinjiayan tunnel[J].Journal of Lanzhou Railway Institute，1997，16(3)：7-11. [12] 张玉娥，白宝鸿.地铁列车振动对隧道结构激振荷载的模拟[J].振动与冲击，2000，19(3)：68-70.

ZHANG Yu-e，BAI Bao-hong.The method of identifying train vibration load acting on subway tunnel structure[J].Journal of Vibration and Shock，2000，19(3)：68-70. [13] 张子月，王云广，张志杰，等.高速公路动荷载对塌陷区的扰动分析[J].中国安全生产科学技术，2015，11(1)：104-109.

ZHANG Zi-yue，WANG Yun-guang，ZHANG Zhi-jie,et al.Analysis on disturbance to subsidence area by dynamic load of highway[J].Journal of Safety Science and Technology，2015，11(1)：104-109.

[14] 杨志勇，江玉生，颜治国，等.盾构下穿运营隧道沉降规律分析[J].西安科技大学学报，2014，34(3)：268-273.

YANG Zhi-yong，JIANG Yu-sheng，YAN Zhi-guo，et al.Analysis on settlement regularity when shields under-neath pass subway tunnels[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology，2014，34(3)：268-273.

[15] 朱 彬，王明明.偏压情况下地铁隧道变形特征及预测研究[J].西安科技大学学报，2015，35(4)：458-465.

ZHU-Bin，WANG Ming-ming.Characteristics and forecast of deformation for shallow buried tunnel[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology，2015，35(4)：458-465.

[16] 刁良勋.既有盾构隧道条件下明挖地铁车站施工的三维模拟[J].西安科技大学学报，2007，27(3)：372-376.

DIAO Liang-xun.Three dimensional numerical simulation of construction of metro-station existing field tunnel using open surface method[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology，2007，27(3)：372-376.

[17] 高丙丽，蔡智云，王金华，等.黄土地区地铁隧道地层变形规律[J].西安科技大学学报，2015，35(3)：331-335.

GAO Bing-li，CAI Zhi-yun，WANG Jin-hua，et al.Strata deformation laws of the pipeline caused by the subway tunnel in loess area[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology，2015，35(3)：331-335.

[18] 王 淼，杨 喆.盾构施工对建(构)筑物沉降监测及分析[J].西安科技大学学报，2014，34(2)：169-173.

WANG Miao，YANG Zhe.Monitoring and analyzing of subsidence by shield

construction[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology，2014，34(2)：169-173.

[19] 王志贤.动力地基与基础[M].北京：科学出版社，2001.

WANG Zhi-xian.Dynamic foundation and basis[M].Beijing：Science Press，2001.