下穿高速鐵路地鐵列車振動對高速鐵路的影響分析

崔光耀 何子陽 王明勝 許崇慶

（1.北方工業(yè)大學(xué)，北京 100144；2.中鐵城市發(fā)展投資集團(tuán)有限公司，成都 610000）

近年來，隨著交通科技的迅速發(fā)展，交通隧道建設(shè)大幅推進(jìn)，城市地下空間集約化開發(fā)利用十分迫切，地鐵下穿既有構(gòu)筑物不可避免［1-3］。運(yùn)營地鐵列車振動對地面建／構(gòu)筑物的影響越來越突出。

目前，專家學(xué)者對地鐵運(yùn)營振動對周圍環(huán)境及建筑物的影響進(jìn)行了大量研究。袁慶利［4-5］等通過三維有限元模型和水-土耦合有限單元-有限差分?jǐn)?shù)值模型，研究了地鐵列車振動時隧道周圍軟土的力學(xué)響應(yīng)和變形響應(yīng)；朱正國［6-8］等通過傅里葉變換法和數(shù)值模擬研究了地鐵運(yùn)營振動對既有建筑的影響；劉一文［9-11］等通過數(shù)值模擬和地面振動測試等方法對地鐵運(yùn)營振動引起的地面沉降進(jìn)行了研究；蔡袁強(qiáng)［12-15］等借助ANSYS 等軟件研究了振動響應(yīng)機(jī)理以及防振隔振措施。綜上所述，既有文獻(xiàn)中對于地鐵運(yùn)營對周圍建筑物的影響以及防振措施已有了較為深入的研究，但對于地鐵運(yùn)營振動對上方高速鐵路以及信號燈等高速鐵路配套設(shè)施影響的研究較少。因此，本文以北京地鐵19 號線草橋站—右安門外站區(qū)間下穿京滬高速鐵路工程為研究對象，借助FLAC3D 計(jì)算軟件對草右區(qū)間地鐵列車運(yùn)營振動對上方高速鐵路線路及高速鐵路設(shè)備的影響進(jìn)行分析。研究成果可以為類似城市下穿工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

1.1 草橋站—右安門外站區(qū)間工程概況

草橋站—右安門外站區(qū)間下穿京滬高速鐵路段，下穿京滬高速鐵路段的起始右線里程為K 37+600，終點(diǎn)右線里程為K 37+880，該段落總長280.0 m，為雙線雙洞區(qū)間，洞間距約11.0 m。該段區(qū)間斜向下穿京滬高速鐵路，高速鐵路下方建有框構(gòu)橋，隧道與框構(gòu)橋交角為61°。

1.2 地質(zhì)情況

該段區(qū)間隧道下穿高速鐵路區(qū)域沿著6‰下坡，拱頂與框構(gòu)橋底垂直凈距約11.1 m，與軌底垂直凈距約21.29 m。該區(qū)間主要穿越卵石層，卵石粒徑一般為5.0～10.0 cm，最大粒徑21 cm。結(jié)構(gòu)上部局部位于卵石～圓礫，圓礫粒徑一般為0.5～2.0 cm，最大粒徑為4 cm，充填物為細(xì)中砂約占30%，卵石粒徑一般為2.0～5.0 cm，最大粒徑為10 cm，充填物為細(xì)中砂約占30%。下部局部位于粉細(xì)砂層及卵石，粒徑一般為5.0～10.0 cm，最大粒徑大于22 cm，充填物為細(xì)中砂約占30%。詳細(xì)地質(zhì)情況如圖1所示。

圖1 地質(zhì)情況圖

2 計(jì)算情況

2.1 計(jì)算模型

以草橋站—右安門外站區(qū)間隧道下穿京滬高速鐵路為研究背景建立計(jì)算模型。模型隧道洞寬6.4 m，隧道洞口間距4.6 m，框構(gòu)橋設(shè)計(jì)跨度分別為10 m、12.5 m、12.5 m、10 m，橋體總高度9.3 m。隧道洞口至左側(cè)邊界均為40 m，至右側(cè)邊界均為80 m。圍巖采用摩爾-庫倫模型，混凝土采用彈性模型，地表鐵路、接觸網(wǎng)桿、信號燈、電線桿和矩形橫腹板柱采用Beam 單元模擬。靜力計(jì)算時，模型上部不設(shè)約束面，底部和四周設(shè)置約束面；動力計(jì)算時，模型底部設(shè)置約束面，四周為自由場邊界。

2.2 計(jì)算參數(shù)

計(jì)算模型的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 模型計(jì)算參數(shù)表

2.3 動力參數(shù)

選用常規(guī)動力加載方式加載地鐵列車運(yùn)行實(shí)測波，列車波時程曲線如圖2所示。

圖2 地鐵列車運(yùn)營實(shí)測波時程曲線圖

2.4 測點(diǎn)布置

下穿影響線范圍內(nèi)，共8 處硬橫跨接觸網(wǎng)桿，其中4 處位于橋面，均為等徑圓鋼柱；6 處懸挑式接觸網(wǎng)桿，其中3 處位于橋面，均為等徑圓鋼柱；2 處為矩形橫腹板柱，均位于路基；路基段還存在1 處信號燈及1 處電線桿。橋面接觸網(wǎng)與橋梁結(jié)構(gòu)連接為一體，路基處接觸網(wǎng)桿鋼柱采用擴(kuò)大基礎(chǔ)。具體分布如圖3所示。

圖3 網(wǎng)桿、信號燈等分布圖

將監(jiān)測點(diǎn)布置在模型所建網(wǎng)桿的頂部及底部，共34 個測點(diǎn)，如圖4所示。8 處硬橫跨接觸網(wǎng)桿（桿標(biāo)1～8 號）、6 處懸挑式接觸網(wǎng)桿（桿標(biāo)9～14 號）、2 處矩形橫腹板柱（桿標(biāo)15～16 號）、1 處信號燈（桿標(biāo)17 號）及1 處電線桿（桿標(biāo)18 號）。

圖4 網(wǎng)桿編號圖

根據(jù)鐵總運(yùn)〔2015〕362 號《高速鐵路接觸網(wǎng)運(yùn)行維修規(guī)則》規(guī)范要求，結(jié)合工程實(shí)際情況及既有設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)，接觸網(wǎng)支柱位移控制標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 接觸網(wǎng)支柱控制標(biāo)準(zhǔn)表

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 硬橫跨接觸網(wǎng)桿位移分析

提取8 處硬橫跨接觸網(wǎng)桿的橫向和豎向位移云圖，如圖5、圖6所示。

圖5 硬橫跨接觸網(wǎng)桿橫向位移云圖（m）

圖6 硬橫跨接觸網(wǎng)桿豎向位移云圖（m）

提取8 處硬橫跨接觸網(wǎng)桿桿頂桿底以及最大沉降位移，并計(jì)算各桿的偏差、傾斜率和差異沉降，如表3所示。

表3 硬橫跨接觸網(wǎng)桿位移匯總表

由圖7、圖8 和表3 可知，施加振動波后，8 處硬橫跨接觸網(wǎng)桿最大偏差為0.016°，最大傾斜率為0.028‰，立柱最大沉降為1.9 mm，最大差異沉降為0.3 mm，各項(xiàng)指標(biāo)均小于控制指標(biāo)。

圖7 懸挑式接觸網(wǎng)桿豎向位移云圖（m）

圖8 矩形橫腹板柱豎向位移云圖（m）

3.2 懸挑式接觸網(wǎng)桿位移分析

提取6 處硬橫跨接觸網(wǎng)桿的橫向、豎向位移云圖，如圖7所示（以豎向位移云圖為例）。

提取6 處懸挑式接觸網(wǎng)桿桿頂桿底以及最大沉降位移，并計(jì)算各桿的偏差和傾斜率，如表4所示。

表4 懸挑式接觸網(wǎng)桿位移匯總表

由圖7 和表4 可知，6 處懸挑式接觸網(wǎng)桿最大偏差為0.010°，最大傾斜率為0.018‰，遠(yuǎn)小于控制值；最大立柱沉降為2.1 mm，小于控制標(biāo)準(zhǔn)值（4 mm）。

3.3 矩形橫腹板柱、信號燈和電線桿位移分析

提取矩形橫腹板柱、信號燈和電線桿的橫向和豎向位移云圖，如圖8、圖9所示（以豎向位移云圖為例）。

圖9 信號燈和電線桿豎向位移云圖（m）

提取各桿柱頂柱底以及最大沉降位移，并計(jì)算兩柱的偏差和傾斜率，結(jié)果如表5所示。

表5 矩形橫腹板柱、電線桿、信號燈位移匯總表

由圖8、圖9 和表5 可知，草右區(qū)間下穿京滬高速鐵路影響范圍內(nèi)的矩形橫腹板柱、電線桿和信號燈，在施加振動波后，最大偏差為0.002°，最大傾斜率為0.004‰，最大立柱沉降為1.2 mm，均小于控制標(biāo)準(zhǔn)值。

3.4 高速鐵路線路位移分析

提取高速鐵路線路的沉降云圖，如圖10所示。

圖10 高速鐵路線路沉降云圖（m）

由圖10 可知，高速鐵路線路較大沉降發(fā)生在地鐵隧道上方部分，在振動影響范圍內(nèi)，兩條高速鐵路線路的最大沉降為1.61 mm，小于控制標(biāo)準(zhǔn)4 mm。

4 結(jié)論

本文分析了草右區(qū)間下穿京滬高速鐵路對高速鐵路線路及設(shè)備的影響，得到主要結(jié)論如下：

（1）影響范圍內(nèi)的8 處硬橫跨接觸網(wǎng)桿（桿標(biāo)1～8 號），支柱橫線路面偏差最大值為0.016°，遠(yuǎn)小于控制標(biāo)準(zhǔn)（2°）；支柱傾斜率最大值為0.028‰，遠(yuǎn)小于控制標(biāo)準(zhǔn)（3‰）；接觸網(wǎng)立柱沉降最大值為1.9 mm，小于控制標(biāo)準(zhǔn)（4 mm）；差異沉降最大值為0.3 mm，小于控制標(biāo)準(zhǔn)（2 mm）。

（2）影響范圍內(nèi)的6 處懸挑式接觸網(wǎng)桿（桿標(biāo)9～14 號）、2 處矩形橫腹板柱（桿標(biāo)15～16 號）、1 處信號燈（桿標(biāo)17 號）及1 處電線桿（桿標(biāo)18 號），支柱橫線路面偏差最大值為0.010°，遠(yuǎn)小于控制標(biāo)準(zhǔn)（2°）；支柱傾斜率最大值為0.018‰，遠(yuǎn)小于控制標(biāo)準(zhǔn)（3‰）；接觸網(wǎng)立柱沉降最大值為2.1 mm，小于控制標(biāo)準(zhǔn)（4 mm）。

（3）影響范圍內(nèi)的高速鐵路線路最大沉降為1.61 mm，小于控制標(biāo)準(zhǔn)4 mm。

（4）綜上所述，北京地鐵19 號線草右區(qū)間列車運(yùn)營振動對上跨京滬高速鐵路線路以及相關(guān)設(shè)備設(shè)施造成的位移變化均小于規(guī)范控制標(biāo)準(zhǔn)，因此不會對既有上跨京滬高速鐵路的正常安全運(yùn)營造成不利影響。