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，北京 100144；2.中鐵城市發(fā)展投資集團有限公司，成都 610000）

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

目前，專家學者對地鐵運營振動對周圍環(huán)境及建筑物的影響進行了大量研究。袁慶利［4-5］等通過三維有限元模型和水-土耦合有限單元-有限差分數(shù)值模型，研究了地鐵列車振動時隧道周圍軟土的力學響應和變形響應；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營振動引起的地面沉降進行了研究；蔡袁強［12-15］等借助ANSYS 等軟件研究了振動響應機理以及防振隔振措施。綜上所述，既有文獻中對于地鐵運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，但對于地鐵運營振動對上方高速鐵路以及信號燈等高速鐵路配套設施影響的研究較少。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 計算軟件對草右區(qū)間地鐵列車運營振動對上方高速鐵路線路及高速鐵路設備的影響進行分析。研究成果可以為類似城市下穿工程設計提供參考。

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橋，隧道與框構橋交角為61°。

1.2 地質情況

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。結構上部局部位于卵石～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，充填物為細中砂約占30%。下部局部位于粉細砂層及卵石，粒徑一般為5.0～10.0 cm，最大粒徑大于22 cm，充填物為細中砂約占30%。詳細地質情況如圖1所示。

圖1 地質情況圖

2 計算情況

2.1 計算模型

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算模型。模型隧道洞寬6.4 m，隧道洞口間距4.6 m，框構橋設計跨度分別為10 m、12.5 m、12.5 m、10 m，橋體總高度9.3 m。隧道洞口至左側邊界均為40 m，至右側邊界均為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。靜力計算時，模型上部不設約束面，底部和四周設置約束面；動力計算時，模型底部設置約束面，四周為自由場邊界。

2.2 計算參數(shù)

計算模型的物理力學參數(shù)如表1所示。

表1 模型計算參數(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行實測波，列車波時程曲線如圖2所示。

圖2 地鐵列車運營實測波時程曲線圖

2.4 測點布置

下穿影響線范圍內，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)與橋梁結構連接為一體，路基處接觸網(wǎng)桿鋼柱采用擴大基礎。具體分布如圖3所示。

圖3 網(wǎng)桿、信號燈等分布圖

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

圖4 網(wǎng)桿編號圖

根據(jù)鐵總運〔2015〕362 號《高速鐵路接觸網(wǎng)運行維修規(guī)則》規(guī)范要求，結合工程實際情況及既有設計施工經(jīng)驗，接觸網(wǎng)支柱位移控制標準如表2所示。

表2 接觸網(wǎng)支柱控制標準表

3 計算結果分析

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，各項指標均小于控制指標。

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‰，遠小于控制值；最大立柱沉降為2.1 mm，小于控制標準值（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，并計算兩柱的偏差和傾斜率，結果如表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，均小于控制標準值。

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，兩條高速鐵路線路的最大沉降為1.61 mm，小于控制標準4 mm。

4 結論

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備的影響，得到主要結論如下：

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

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

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

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