新建有軌電車對既有運營地鐵車站結構安全性影響分析與研究

唐志揚 張宇

（廣州地鐵設計研究院股份有限公司）

目前，國內(nèi)許多學者對地鐵周邊工程建設對既有運營地鐵結構的影響進行了研究，包括新建地鐵結構上跨、下穿或側穿既有地鐵結構，地下通道上穿既有地鐵結構、地鐵結構上方開挖基坑等工程建設對地鐵結構安全性影響分析等[1-8]。同時，針對地鐵周邊工程建設對地鐵結構的影響，國家和地方城市也相繼出臺了地鐵結構安全保護規(guī)范或條例[9-10]。然而，針對有軌電車建設和運營對地鐵結構安全影響幾乎無例可循。與其他地鐵結構周邊工程建設不同，有軌電車建設和運營過程對地鐵結構造成影響主要包括路基開挖、路基打樁等地基處理和列車運營及振動荷載。因此，結合有軌電車建設特性，針對有軌電車建設和運營過程對地鐵結構安全影響進行研究，對現(xiàn)階段我國有軌電車建設具有重要意義。

1 工程概況

廣州黃埔區(qū)有軌電車1 號線起于香雪，終于永和新豐，線路全線約14.4km，其中路基段長度約11.5km，高架段長度約1.4km，框架及U 型槽位長度約1.5km，平均站間距約0.76km，全線近期設站19 座，高架站1 座，地面站18 座，其中有軌電車上跨地鐵二十一號線水西站。

有軌電車1 號線上跨地鐵21 號線水西站范圍內(nèi)路基形式主要為底層換填路基，水西站范圍內(nèi)有軌電車車站結構形式為地面對稱側式，車站長度為34m。

有軌電車上跨地鐵二十一號線水西站位于廣州市蘿崗區(qū)水西路下方，為越行站，后接水西停車場線。車站為地下2 層（局部三層）12m 島式站臺車站，雙柱三跨或三柱四跨結構，全長356.95m，標準段寬為30.8m，車站基坑開挖深度為12.94～22.51m。

2 有限元數(shù)值分析模型

根據(jù)黃埔區(qū)有軌電車上跨地鐵水西站結構關系和地質(zhì)情況，選取典型計算斷面采用ABAQUS 建立二維數(shù)值分析模型，研究有軌電車建設及運營過程對地鐵車站結構安全性影響；并對有軌電車上跨水西站全范圍采用MIDAS-GTS 建立三維數(shù)值分析模型，研究有軌電車建設及運營過程中地層變形規(guī)律和有軌電車列車荷載對車站結構影響。

2.1 有限元模型建立

有軌電車上跨水西站結構受力影響二維數(shù)值分析模型簡化為平面應變模型，采用梁單元模擬車站結構，面單元模擬地層。結構與側向邊界的距離取為結構寬度的5 倍以上，模型左右邊界固定水平位移，底面邊界固定水平和豎直位移，且均為不透水邊界，如圖1 所示。

圖1 二維數(shù)值分析計算模型

有軌電車上跨水西站全范圍三維數(shù)值分析模型，采用板單元模擬車站結構，四面體單元模擬地層，計算范圍為500m×250m×60m 的區(qū)域，周邊環(huán)境按無限剛度體模擬，約束有限元模型底部的豎向位移及各側面的法向位移，如圖2 所示。

圖2 三維數(shù)值分析計算模型

本研究數(shù)值分析模型中地層Mohr-Coulomb 本構模擬，土層參數(shù)如表1 所示。車站結構和路基結構采用彈性本構模擬，如表2 和表3 所示。

表1 土層參數(shù)

表2 車站結構參數(shù)

表3 有軌電車路基參數(shù)

2.2 計算工況

本研究主要計算有軌電車建設和運營過程中對地鐵車站結構影響，主要考慮有軌電車路基開挖施工、施工機具超載、有軌電車車站及區(qū)間運營荷載、列車動荷載對車站結構影響，主要計算工況如下：

⑴地鐵車站結構初始受力工況；

⑵有軌電車路基施工工況；

⑶有軌電車車站運營工況；

⑷有軌電車區(qū)間運營工況；

⑸列車動荷載工況。

其中二維數(shù)值分析模型計算1～4 工況，三維數(shù)值分析模型計算1～5 工況。

3 計算結果與分析

3.1 二維數(shù)值計算結果與分析

3.1.1 計算結果

選取典型計算分析斷面，得出二維數(shù)值模型計算結果，即各工況下結構彎矩及軸力計算結果。根據(jù)計算結果，有軌電車1 號線車站及區(qū)間建設及運營過程中，典型計算分析斷面車站結構的內(nèi)力及變形統(tǒng)計的數(shù)據(jù)如表4 所示。

表4 典型斷面內(nèi)力計算結果

3.1.2 結果分析

以典型計算斷面頂板控制截面內(nèi)力為例，有軌電車建設及運營過程中各工況下結構彎矩及軸力變化如圖3 所示，其余截面內(nèi)力變化規(guī)律相似。由圖可知，有軌電車建設及運營過程中，施工超載及運營荷載將使得地鐵車站結構頂板內(nèi)力增大，而在路基換填施工過程中會引起車站頂板上方卸載，結構內(nèi)力減小，但有地層回彈問題。在施工超載作用下，車站結構頂板彎矩增大8.8%，軸力幾乎不變；在運營荷載作用下，車站結構頂板彎矩增大17.8%，軸力減小7.5%。綜上所述，有軌電車施工及運營期間對地鐵車站結構內(nèi)力造成了一定影響，建議在施工期間加強對車站結構的內(nèi)力和變形監(jiān)測，一旦地車站結構內(nèi)力和變形變化過大，應該停止施工，采取應急預案。在設計上應采取一定措施減小有軌電車運營期間對車站結構的影響。

圖3 典型斷面各工況荷載作用下內(nèi)力變化

考慮到有軌電車打樁施工中可能出現(xiàn)重型機具，因此進行了不同施工超載對車站結構受力影響分析，不同施工超載作用下車站結構內(nèi)力變化如圖4 所示，隨著施工超載增大，車站結構頂板彎矩隨著超載增大而線性增大，軸力隨超載增大而線性減小。

圖4 不同施工超載作用下車站結構內(nèi)力變化

3.2 三維數(shù)值計算結果與分析

根據(jù)三維數(shù)值模型計算結果，有軌電車建設及運營過程中車站結構豎向及水平變化情況如圖5 所示。由圖可知，車站最大沉降值為-4.4mm、最大上浮值2.4mm，最大正向水平位移為0.44mm、最大負向水平位移為-0.59mm，均發(fā)生在有軌電車路基正下方的車站結構處，且在距離車站外輪廓30m 范圍變化速率最大，其中豎向變形值為-1.6mm，水平變形值為-0.13mm，說明在車站結構1 倍深度范圍內(nèi)施工對結構影響較大。施工超載卸載后，車站結構的沉降變化值約-2.05mm，約總沉降值46%，水平位移變化值約-0.28mm，約占最大水平位移值48%，說明施工超載對變形影響較大。建議有軌電車建設過程中，地鐵車站結構的沉降值控制在5mm 以內(nèi)，水平位移值控制在2mm 以內(nèi)，且施工超載不得大于20kPa。若在有軌電車路基開挖換填過程中，因開挖土體回填不及時等原因，監(jiān)測到車站上浮變形超過4mm，應及時在車站范圍內(nèi)進行地面堆載反壓，限制車站結構上浮。

圖5 車站結構豎向及水平位移變化圖

考慮到有軌電車位于地鐵車站正上方，有軌電車列車運營過程中會產(chǎn)生振動荷載，因此針對列車動荷載對車站結構影響進行研究。根據(jù)有軌電車的軸重、列車發(fā)車頻率以及車長等，得出有軌電車列車動荷載作用，如圖6 所示，將列車動荷載輸入上述三維模型中進行計算。

圖6 列車動力荷載曲線圖

根據(jù)計算結果，有軌電車列車動荷載作用下，車站結構最大的豎向位移為0.691mm，水平最大位移為0.102mm，表明有軌電車列車動荷載對車站結構影響較小。

4 結論

本研究基于廣州黃埔區(qū)有軌電車一號線上跨地鐵二十一號線水西站實際工程問題，建立了二維和三維數(shù)值分析模型，分析有軌電車建設及運營過程中對地鐵車站結構受力和變形影響，得到了以下結論：

⑴在黃埔區(qū)有軌電車1 號線建設及運營過程中，施工及運營荷載對車站結構內(nèi)力造成了一定影響，建議在施工期間加強對車站結構的內(nèi)力和變形監(jiān)測，在設計上應采取一定措施減小有軌電車運營期間對車站結構的影響。

⑵施工超載不超過20kPa 時，有軌電車建設及運營過程中，地鐵車站結構能滿足承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)要求，結構的安全性能夠得到保障。

⑶建議有軌電車建設過程中，地鐵車站結構的沉降值控制在5mm 以內(nèi)，水平位移值控制在2mm 以內(nèi)，且施工超載不得大于20kPa。若路基開挖換填過程中，車站上浮變形超過4mm，應及時在車站范圍內(nèi)進行地面堆載反壓，限制車站結構上浮。

⑷有軌電車列車動荷載作用對地鐵車站結構影響較小，無需采取措施減小列車動荷載對結構受力影響。

本文僅針對有軌電車換填路基形式下對地鐵車站結構安全性影響分析，有軌電車實際工程建設中，往往采用CFG 樁等復合地基加固方式進行地基加固，且有軌電車上跨地鐵區(qū)間隧道情況更為常見。后續(xù)將開展復合地基加固形式下有軌電車建設及運營對地鐵車站及區(qū)間結構安全性影響。