軟土地層減振式地下車站結(jié)構(gòu)綜合研究

池君宇，馬忠政，黃繼成，馬險峰,3

(1.同濟大學(xué) 地下建筑與工程系，上海 200092；2.上海申通地鐵集團有限公司，上海 200233； 3.同濟大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點實驗室， 上海 200092)

近年來，中國城鎮(zhèn)化建設(shè)發(fā)展迅速，城市人口激增，軌道交通已逐漸成為緩解城市交通壓力的主要交通方式。目前，我國城市軌道交通多位于城市主干道下，形成龐大的地下網(wǎng)絡(luò)，給城市生活帶來很多便利。同時，由于地下空間開發(fā)利用率的提高，新建地鐵線路離周邊建筑越來越近，甚至從建筑物下穿越，使地鐵運行時的環(huán)境振動問題更加突顯[1-5]。

現(xiàn)如今國內(nèi)外進行了關(guān)于地鐵運營產(chǎn)生的振動、噪聲等問題的相關(guān)研究。英國鐵路管理局做了實驗監(jiān)測研究，研究了軌道相關(guān)參數(shù)和地鐵車輛的車速與激振頻率之間的相關(guān)性以及共振等問題。Krylov等[6]將高速軌道簡化成Euler-bernoulli梁，研究了列車振動的影響。英國劍橋大學(xué)的Hunt[7]運用隨機振動的理論方法，研究路面不平對地面振動的規(guī)律。德國Melke[8]提出了一種診斷環(huán)境振動的新方法，并用該方法預(yù)測了城市鐵路附近的建筑物水平振動，根據(jù)得到的數(shù)據(jù)整理分析，總結(jié)了振動波的傳播規(guī)律。Gardien等[9]分析了Netherlands的地鐵振動的傳播規(guī)律，研究了不同模型參數(shù)對計算結(jié)果的影響。國內(nèi)白冰等[10]采用二維數(shù)值模型計算方法對地鐵振動作用下隧道的結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)。研究表明振動導(dǎo)致隧道內(nèi)力值得到大幅提高。張玉娥等[11]、劉建達等[12]、王祥秋等[13]采用二維有限元模型研究了隧道斷面形式、埋深、平行隧道凈距、地質(zhì)條件等對振動的傳播和衰減規(guī)律的影響。黎泳言等[14]用ANSYS，通過建立排水溝-路面-土三維模型，模擬分析排水溝深度、寬度以及溝內(nèi)水位、溝壁填充對隔振效果的影響。Li等[15]對上海高速磁浮進行分析，測試了高速磁浮列車線路周邊環(huán)境；研究了地面振動衰減規(guī)律以及不同列車速度和軌道結(jié)構(gòu)在時域和頻域內(nèi)參數(shù)的振動影響?？偟膩碚f，目前關(guān)于地鐵引起的振動波的傳播規(guī)律和造成的環(huán)境影響研究大都采用現(xiàn)場實測和經(jīng)驗公式。這些方法由于各個工程存在軌道系統(tǒng)和環(huán)境條件的差異，不能普遍應(yīng)用于其它工程。

上海的地鐵網(wǎng)絡(luò)密集，對一些特殊建筑物如精密實驗室等會產(chǎn)生影響，需要對車站結(jié)構(gòu)減振隔振進行研究。

1 工程實例

1.1 工程概況

上海軌道交通十號線二期工程國帆路站是12.5 m站臺地下三層島式車站，主體結(jié)構(gòu)尺寸155.00 m×20.04 m(內(nèi)凈距)，是一座地下車站，車站的位置是楊浦區(qū)淞滬路下，沿淞滬路方向布置，呈南—北走向。由于規(guī)劃選址的限制，該站北邊挨著國帆路，東面是合生江灣國際公寓，西邊則是復(fù)旦大學(xué)江灣校區(qū)。復(fù)旦大學(xué)校區(qū)里有一座先材樓，是國家重點物理實驗室，對環(huán)境振動十分敏感。

1.2 周邊環(huán)境條件

圖1為國帆路站周邊環(huán)境條件，圖中復(fù)旦大學(xué)先材樓為7層框架結(jié)構(gòu)，樁基礎(chǔ)，距離車站主體基坑約43.58 m，距3號出入口約33.64 m；合生江灣國際公寓為16層房屋，一層地下室，采用樁基礎(chǔ)，圍護為雙頭攪拌樁，樁長10.80 m，距車站主體基坑約25.08 m，距1號風(fēng)亭及出入口約17.85 m，距2號風(fēng)亭及出入口約29.00 m。

車站共設(shè)3個出入口和2組風(fēng)井，其中西側(cè)靠近復(fù)旦大學(xué)處僅設(shè)1座出入口，其余2座出入口及風(fēng)井均設(shè)于遠離學(xué)校的車站東側(cè)。

圖1 國帆路周邊環(huán)境示意圖

1.3 工程地質(zhì)條件

擬建場地處于古河道分布區(qū)，為第四紀(jì)上更新世Q3至全新世Q4沉積物，大部分組成為飽和黏性土、粉性土及砂土，具有成層分布的特點。

1.4 水文地質(zhì)條件

擬建場地淺部土層中的地下水類型為潛水。潛水穩(wěn)定水位埋深為0.50 m～2.60 m(絕對標(biāo)高為1.80 m～3.84 m)，平均埋深為1.27 m(平均標(biāo)高為2.95 m)。

2 車站不同結(jié)構(gòu)型式減振效果數(shù)值模擬

2.1 結(jié)構(gòu)選型的思路和方法

研究方法采用數(shù)值仿真計算，通過現(xiàn)場實測上海地鐵運營產(chǎn)生的軌道豎向加速度，把它當(dāng)作激勵施加在車站模型上，然后監(jiān)測距離車站一定水平距離地表點的加速度時程圖，通過加速度時程圖的比較可以得出疊合墻式、復(fù)合墻式、離壁墻式三種結(jié)構(gòu)方案在結(jié)構(gòu)減振方面利弊。

地鐵引起的振動傳播是波動的傳播問題。當(dāng)施加較單一頻譜的激勵體系在彈性范圍內(nèi)，采用頻域的波動分析求解是可行的。對于地鐵振動的情況，復(fù)雜的土壤分層，加上寬頻譜的振動激勵，不宜采用頻域計算。結(jié)構(gòu)體系進行動力分析時，時域分析與頻域分析本質(zhì)上是一致的，可以采用時域有限元模擬地鐵振動。

2.2 地鐵車站三種結(jié)構(gòu)方案

(1)疊合墻式方案。內(nèi)墻和外墻完全連接，內(nèi)外墻間可傳遞法向力、剪力和彎矩。方案剖面圖如圖2所示。

(2)復(fù)合墻式方案。內(nèi)墻和外墻之間有一定分離，可傳遞法向力。方案剖面圖如圖3所示。

圖2 疊合墻剖面圖

圖3 復(fù)合墻剖面圖

(3)離壁墻式方案。內(nèi)墻和外墻分離，中間有1 000 mm間隙，留下的混凝土支撐傳遞法向軸力。方案剖面圖如圖4所示。

圖4 離壁墻剖面圖

三種結(jié)構(gòu)方案在有限元軟件ABAQUS中的實現(xiàn)方法如表1所示。

表1 三種結(jié)構(gòu)方案實現(xiàn)方法

2.3 建立數(shù)值計算模型

截取地鐵車站典型的一段(8 m)對地鐵車站建立有限元模型進行計算分析，建立準(zhǔn)三維有限元模型，并且約束模型軸向自由度來模擬仿真。

由于結(jié)構(gòu)和土體的相互作用，建模時水平方向土體尺寸按關(guān)注的區(qū)域范圍取，即離車站結(jié)構(gòu)外墻100 m，豎直方向按車站結(jié)構(gòu)豎向尺寸的3倍來選取，即離地面75 m。設(shè)置人工邊界，減少波在邊界上反射影響。由于結(jié)構(gòu)對稱，取半結(jié)構(gòu)計算 。建立有限元模型如圖5、圖6所示。

圖5 車站-土體三維有限元模型

圖6 車站局部放大的有限元模型

2.4 數(shù)值計算

輸入荷載為上海某一相同車型地鐵車站列車通過時實測的床加速度時程記錄，記錄分別距離外墻0 m、50 m、100 m的控制點1、2、3三個點的數(shù)值計算結(jié)果。將復(fù)合墻式結(jié)構(gòu)、疊合墻式結(jié)構(gòu)和離壁式結(jié)構(gòu)這三種結(jié)構(gòu)在控制點1、2、3處的頻譜圖記錄如圖7—圖9所示。圖中DHQ代表疊合墻、FHQ代表復(fù)合墻、LBQ代表離壁墻。

圖7 控制點1處三種結(jié)構(gòu)的頻譜圖

圖8 控制點2處三種結(jié)構(gòu)的頻譜圖

圖9 控制點3處三種結(jié)構(gòu)的頻譜圖

將復(fù)合式結(jié)構(gòu)、疊合式結(jié)構(gòu)和離壁墻式結(jié)構(gòu)三種結(jié)構(gòu)地表加速度峰值衰減曲線和Z振級衰減曲線如圖10—圖11所示。

考慮到上海市常見的車站型式為疊合墻式，為了清楚的顯示三種結(jié)構(gòu)型式抗振的不同，以疊合墻式車站對應(yīng)振動作為參考標(biāo)準(zhǔn)，按下式定義減振效果系數(shù)d：

圖10 地表加速度峰值衰減曲線

圖11 地表Z振級衰減曲線

式中：aw0為疊合墻式方案振動計權(quán)加速度有效值，aw為振動計權(quán)加速度有效值。

將計算結(jié)果列于表2。

表2 減振系數(shù)d

根據(jù)以上的結(jié)果分析表明，車站采用離壁墻式、疊合墻式、復(fù)合墻式結(jié)構(gòu)，地鐵產(chǎn)生的環(huán)境振動的加速度反應(yīng)峰值和Z振級由小到大。在傳播一定距離以后，地鐵產(chǎn)生的環(huán)境振動中的高頻部分衰減很快，振動優(yōu)勢頻率為2 Hz～8 Hz，且環(huán)境振動的各頻率分量最小的是采用離壁墻式車站方案，復(fù)合墻式車站次之，疊合墻式車站各頻率分量最大。

2.5 地鐵車站不同結(jié)構(gòu)型式經(jīng)濟效益的對比

以國帆路站工程為例，從經(jīng)濟效益角度來考察疊合式結(jié)構(gòu)、復(fù)合式結(jié)構(gòu)和離壁墻式結(jié)構(gòu)，主要考慮三種結(jié)構(gòu)的混凝土，砂和鋼筋等的用量及造價，將三種方案的綜合比較列于表3—表5。

通過數(shù)據(jù)分析可知，復(fù)合式結(jié)構(gòu)比疊合式結(jié)構(gòu)費用增加約6.2%，離壁墻式結(jié)構(gòu)比疊合式結(jié)構(gòu)費用增加約13.8%。

表3 三種結(jié)構(gòu)外包寬度

表4 三種結(jié)構(gòu)主要工程量

表5 費用統(tǒng)計

注：原疊合方案車站主體土建費用11 713萬元。

3 結(jié) 論

本文以上海軌道交通十號線二期工程國帆路站為工程背景，通過數(shù)值仿真計算了疊合墻式、復(fù)合墻式、離壁墻式三種結(jié)構(gòu)方案在地鐵產(chǎn)生環(huán)境振動中各方案的減振效果，并計算三種方案的材料用量和造價，分析得到以下結(jié)論。

(1)在傳播一定距離以后，地鐵產(chǎn)生的環(huán)境振動中的高頻部分衰減很快，振動優(yōu)勢頻率為2 Hz～8 Hz。

(2)采用離壁墻式方案環(huán)境振動的各頻率分量最小，復(fù)合墻式車站次之，疊合墻式車站各頻率分量最大。

(3)由于結(jié)構(gòu)內(nèi)襯墻和外圍地下連續(xù)墻之間存在著間隙，離壁墻式結(jié)構(gòu)較其他兩種方案有效地減少了地鐵產(chǎn)生的環(huán)境振動。

(4)離壁墻式結(jié)構(gòu)造價是三種結(jié)構(gòu)方案中最高的，但結(jié)合它的減振效果，在城市中心對振動要求嚴(yán)格的區(qū)域，具有較大應(yīng)用價值。