運營地鐵周邊地層加固區的動力擴散傳遞特性

摘要：為保證軟土地層中地鐵線路建造及運營的穩定性，可通過注漿加固提高結構周邊土體強度，而根據加固程度不同，土體介質的非連續性將逐漸轉變，對應動力傳遞特性隨之變化，因此行車狀態下加固區及周邊地層的動力響應分布模式有待進一步探索. 基于解析理論建立含加固區的地鐵線路-地層動力耦合模型，將加固土及天然土考慮為具有不同物理力學屬性的飽和多孔介質，利用Biot理論分別推導運動方程，地鐵結構視為均勻厚度的無限長圓柱殼體，采用無扭矩條件下薄壁圓柱殼理論進行描述. 根據動力系統各交界面間的位移及應力連續條件，將以上各部位振動方程構建形成耦合動力方程組，計算了地鐵周邊含加固區地層的振動情況，并進一步對比了加固區剛度及黏滯阻尼對地層動力響應分布及傳遞的影響. 結果表明：穩態作用下，地鐵周邊地層切向加速度最大值在結構斜下方兩側30°處呈蟬翼狀分布，徑向加速度最大值出現在荷載作用方向土體內部；由于輸入波形的簡諧特性，加速度在地層中呈波動式衰減，但在加固區范圍內切向加速度出現明顯的放大現象，振動進入天然土后，受地層阻尼影響，動力響應顯著衰減；提高加固區剛度有利于降低對切向加速度的傳導，而徑向加速度變化不大，黏滯阻尼減小時，所傳遞動力響應有所提升.

關鍵詞：地鐵；加固區；飽和地層；動力傳遞；解析法

中圖分類號：U231 文獻標志碼：A

隨著居民對市內出行需求的逐步提高，地鐵建設正在快速發展. 為便于隧道開挖，城市地鐵線路大多建設在較松散地層，對于土質較差地區，尤其是臨近重要結構物或易產生較大擾動變形的富水軟土地層，可在開挖前通過注漿方式在線路周圍形成一定范圍的加固區，以保證施工穩定性. 進入運營階段后，列車荷載引起的環境振動問題逐漸受到關注，加固區的存在必將影響地鐵線路周邊近場地層的振動效應，有必要進一步開展含加固區地層動力響應傳遞特性的研究.

已有針對地鐵線路周邊地層動力響應的研究中，馬蒙等［1］通過總結包含列車運行引起地層振動的各類預測方法及不確定性問題，提出未來實現概率預測的觀點. Hou等［2］和Zhong等［3］均將地鐵列車的長期作用模擬為循環荷載，利用動三軸試驗分別研究了粉質黏土和土石填充地層的累積變形規律.Qu等［4］通過對現場測試結果的分析，總結了地鐵線路周邊考慮地質差異及不同距離處的地層振動情況. Bashir等［5］同樣開展了現場測試，分析了傳播路徑距離和阻尼特性引起的振動能量衰減. Wu等［6］采用比例尺試驗模型和離散元法探討了列車運行環境下雙隧道埋深對線路周邊環境動力響應的影響，為相關設計參數的選取提出了理論建議. 趙江濤等［7］則從實際工程問題出發，證實并分析了凸形地貌環境中運營地鐵周邊地層的振動放大現象. 為了進一步優化模型，馬龍祥等［8］根據隧道-地層系統特性，將其模擬為薄片單元構成的周期模型，利用傅里葉變換及疊加原理進行求解，證明此方法具有計算速度快及高精度特性. 雷華陽等［9］建立了移動列車荷載作用下隧道-土體三維有限元模型，分析了荷載運行速度對軟土地基沉降量的影響，表明常速運行導致工后沉降更大. 王力東等［10］將車輛-軌道-隧道-地層有限元模型計算結果與2.5維有限元-最佳匹配層模型相結合，提出并驗證了預測地鐵隧道及周邊土體振動的高效時頻混合方法. Gu等［11］將人工確定性激勵函數應用于隧道模型，利用有限差分法研究了列車振動對周圍土層的動力響應.

由以上研究成果可知，數值方法在地鐵線路環境振動研究中發揮了重要作用，隨著模型的逐步完善，可以從多方面反映埋置列車荷載引起的地層動力響應. 但各模型尚未考慮加固作用對線路近場動力特性的影響，為了探索影響機理，需借助解析方法加以深入分析. 胡安峰等［12］基于Biot波動理論，利用Helmholtz矢量分解原理、貝塞爾函數以及傅里葉變換方法，獲得了有下臥基巖的飽和土體在移動線荷載作用下的響應解析解，進一步分析了土體參數、運行速度及地層厚度等因素對位移、應力及孔隙水壓力的影響. Zhou等［13］建立了考慮相鄰隧道動力相互作用的多孔彈性半空間車輛-軌道-隧道-土體系統振動三維解析模型，分析了鄰近隧道和含水飽和度對土體振動的影響. 袁宗浩等［14］在Biot控制方程中引入黏彈性邊界模型，研究了不同瞬態作用下飽和土體的動力響應. 此外，Yuan等［15］還基于波函數法將包含兩個空腔的半空間內總波場展開為來自自由面向下的平面波和每個空腔向外的柱面波組合，從而提出了一種計算半空間雙隧道振動的解析解. 黃強等［16］為研究浮置板軌道的減振效果，在軌道-隧道-地基耦合模型的基礎上引入位移勢函數和雙重傅里葉變換，分析了軌道結構參數對地層振動的影響效果. 何超等［17］提出了一種考慮振動在水環境中傳播的隧道-地基-流體耦合系統動力響應解析方法，為水下振動傳播特性的預測分析提供了理論支撐.