第３７卷第６期 ２０１７年６月 隧道建设 Ｔｕｎｎｅｌ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｖ０１．３７ Ｎｏ．６ Ｊｕｎ．２０１７ 列车振动荷载作用下明挖隧道施工过程中 支护结构的动力响应分析 白建方，董士欣 （石家庄铁道大学土木工程学院，河北石家庄０５００４３） 摘要：为了研究既有铁路沿线附近明挖隧道施工过程中支护结构的动力稳定性，结合ＦＬＡＣ３Ｄ软件分别采用列车静载和动载模型 研究车致振动对周围自由场以及隧道基坑开挖施工的影响。主要结论如下：１）采用列车静载模型所得结果小于动载模型的结果； ２）车致振动以竖向分量为主，振动幅度沿水平向衰减很快，在距既有线６ ＩＴＩ范围内衰减剧烈，之后趋于稳定；３）沿竖向衰减较慢， 在２０ ｉｎ深度范围内，沉降量基本与深度呈二次曲线关系，之后趋于稳定；４）在既有线列车荷载作用下，不同施工阶段基坑底部总体 有反拱趋势，为５～８ ｍｍ；５）采用锚索支护体系可以明显减小基坑侧壁的内倾变形。研究表明，既有线的列车荷载作用在水平方 向上对于拟开挖隧道无明显振动影响，在竖向上当采用围护桩和锚索支护体系后可确保明挖隧道施工过程的整体稳定性。 关键词：列车荷载；明挖隧道；支护结构；动力响应；变形规律 ＤＯＩ：１０．３９７３／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—７４１Ｘ．２０１７．０６．００４ 中图分类号：Ｕ ４５ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７２—７４１Ｘ（２０１７）０６—０６６９—０７ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｕｒｉｎｇ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｕｔ．ａｎｄ．Ｃｏｖｅｒ Ｔｕｎｎｅｌ ｕｎｄｅｒ Ｅｆｌｆｅｃｔ ０ｆ Ｔｒａｉｎ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ Ｌｏａｄ ＢＡＩ Ｊｉａｎｆａｎｇ，ＤＯＮＧ Ｓｈｉｘｉｎ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＣｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ Ｔｉｅｄａｏ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ ０５００４３，胁 ，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｒａｉｎ ｃａｕｓｅｄ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｎ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｆｒｅｅ ｆｉｅｌｄ ａｎｄ ｔｕｎｎｅｌ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｐｉｔ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ｓｔａｔｉｃ ｌｏａｄ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｄｙｎａｍｉｃ ｌｏａｄ ｍｏｄｅｌ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＦＬＡＣ３Ｄ．Ｓｏｍｅ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ ａｒｅ ｄｒａｗｎ ａｓ ｆｏｌｌｏｗｓ：１）Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｆｒｏｍ ｓｔａｔｉｃ ｌｏａｄ ｍｏｄｅｌ ａｒｅ ｓｍａｌｌｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｏｓｅ ｆｒｏｍ ｄｙｎａｍｉｃ ｌｏａｄ ｍｏｄｅ１．２）Ｔｈｅ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｐｌａｙ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｋｅｙ ｒｏｌｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｔｒａｉｎ ｃａｕｓｅｄ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｌｏａｄ ａｎｄ ｉｔｓ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ａｔｔｅｎｕａｔｅｓ ｑｕｉｃｋｌｙ ａｌｏｎｇ ｔｈｅ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ；ａｎｄ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｓｃｏｐｅ ｏｆ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａｌｏｎｇ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｉｓ ａｂｏｕｔ ６ ｍ．３）Ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｓｃｏｐｅ ｏｆ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａｌｏｎｇ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｉｓ ａｂｏｕｔ ２０ ｍ，ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ｏｆ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｐｉｔ ａｎｄ ｄｅｐｔｈ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｑｕａｄｒａｔｉｃ ｃｕｒｖｅ．４）Ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ￣ｕｎｄａｔｉｏｎ ｐｉｔ ｂｏｔｔｏｍ ｄｕｒｉｎｇ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｉｎｖｅｒｔｅｄ ａｒｃｈ ｔｒｅｎｄ ａｎｄ ｉｔｓ ｍａｘｉｍｕｍ ｖａｌｕｅ ｉｓ ａｂｏｕｔ ５—８ ｍｍ．５ １ Ｔｈｅ ａｎｃｈｏｒ ｃａｂｌｅ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃａｎ ｅｖｉｄｅｎｔｌｙ ｒｅ－ｄｕｅｅ ｌａｔｅｒａｌ ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ￣ｕｎｄａｔｉｏｎ ｐｉｔ ｗａｌ１．Ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ａｆｔｅｒ ａｄｏｐｔｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｔａｉｎｉｎｇ ｐｉｌｅｓ ａｎｄ ａｎｃｈｏｒ ｃａｂｌｅ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｃｕｔ—ａｎｄ—ｃｏｖｅｒ ｔｕｎｎｅｌ ｉｓ ｎｏｔ ｓｉｇｎｉｉｃａｆｎｔｌｙ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｂｙ ｔｒａｉｎ ｃａｕｓｅｄ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｌｏａｄ ｏｎ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｒａｉｌｗａｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｒａｉｎ ｌｏａｄ；ｃｕｔ—ａｎｄ—ｃｏｖｅｒ ｔｕｎｎｅｌ；ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｄｙｎａｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ；ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｌａｗ Ｏ 引言 随着铁路建设的快速发展，运行列车引起的振动 问题日益受到人们的关注。车致振动通过地基向周围 传播，会进一步引起附近既有建筑物的二次振动或噪 收稿日期：２０１６—１２—２６；修回日期：２０１７—０３—２６ 声，从而对人们的生活或工作环境产生不同程度的影 响。为了解车致振动的特点和衰减规律，国内外研究 者进行了大量卓有成效的工作。Ｒ．Ｐａｏｌｕｃｃｉ等…对 比了列车不同行驶速度引起的振动特点以及在地基中 基金项目：河北省大型基础设施防灾减灾协同创新中心项目和河北省重点学科建设项目（桥梁与隧道工程） 第一作者简介：白建方（１９７６一），男，河北邢台人，２００７年毕业于同济大学，防灾减灾工程及防护工程专业，博士，讲师，主要从事工程系统抗震和土 动力学数值模拟方面的研究工作及土木工程教学工作。Ｅ—ｍａｉｌ：ｂｊｉ２００４＠１２６．ｃｏｒｎ。 隧道建设 第３７卷 的 憾 ｉＩ ：Ｈｉｔ・（￣ｋａｚｔｌ Ｔａｋｅｌｎｉｙａ 介 ｒ一种高速列 １ ｆｊＩ 的地 振动的汁荫：力 法，并给…ｒ乍致振动 ＂ｉ－．Ｉ＇Ｈ ＪＩＩｔ的分 特点；｝ｆ｝ 和Ｉ等 埘常川的列车荷载模 Ｉ 进ｆ ｒ刈 比分析； №悔等 根 １ 辆动力学、轨 道功 ｊ 、 ：及地 上振动（ ｔ ・・Ｉ 数，业 Ｊ 列车一轨 道一地Ｊ． ｔ：ｆｌｌ１ｉ［ｉｈ ｆ仑分析模 ，ｊ¨Ｉｊ此模型分析 图２隧道典型横断面（ 、Ｚ＿ｌ ）ｌ Ｊ 列１ 倚戡引起的地『ｆ１『振动特件和粳减姚律；张厚贯 等、采ＪＩ Ｊ川 沦分析的力‘法研究了既 列‘ 运行，ｊｆ起 的随卡儿振动埘地下隧道 中勾的疲劳做坏机制；赵菁 等 、Ｉ长剑涛等 『Ｊｊ０ｆ！Ｊ！Ｉｊ咀研究ｒ隧道的丌挖施工对既 Ｆｉｇ．２ ＣｒＯＳＳ—ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｔｍｎｅｌ ｆ［５５１１１） 隧道所处地层地质条什较筹，结构坫小化于粉质 仃结构物的影响ｔ｛Ｉ此ｌ Ｊ． ，当前的研究人多集Ｌ｝１ 乍敛 动刈’ 仃结构的影响或者是隧道施工带来的刷 边沉降＇１１Ｊ题， 埘十／Ｉ 敛振动 ｊ施７１ 过 的交 影响 办 的们ｆ究则十｝｛对较少 北ｊ 家 铁路 运々线 家Ｊ卜隧道快速路隧 道个Ｋ ４ ９８０ ｌｌｌ，Ｉ 除卜穿既有石太“通线段采用睛 挖法施Ｉ 外． 余段落均采ＨｊＨ月挖法施 基坑开挖 宽度 ３０～５２ １１１，深度为８．５—２２ １１１ 既有京』’ 铁路 线处 家 隧道攀坑Ｊｆ：挖影响范…『人Ｊ，为ｒ研究既 仃铁路线列１ 振动条什Ｆ，周围地层、旧护桩、锚索及 支撑体系受 Ｊ特ｆｌ ，确保隧道施Ｔ安个，小文将对既仃 铁路列，１ 倚找Ｌｊｌ起的振动 门…场 ㈨勺衰减规律以及 刈‘隧道ｌＪＩＪ挖施Ｔ的影响进行分析 ｌ 工程概况 』七ｊ 家庀铁路客运专线石家Ｊ１ 隧道Ｌ程化 于既仃 ‘线东侧，『】』匕向南纵穿 家序市。为减 少隧道施Ｉ 埘城Ｉ 卜ｌ 道交通的影响，大部分路段 隧道采川 挖法施 坑长４．９８ ｋｍ、宽３４．５～ ５４．０ ＩＩ１、深约２２ Ｉｌ１．新建隧道基坑 人既有铁路 卡勾约３．９ １１１，侵入胜利人街桥约ｌ １１１，隧道结构外轮 离铁路线路中线 离为１０．２～３６ ｍ。隧道基坑 —Ｉｊ既仃铁路线位置火系如 ｌ所爪，叫挖隧道典 供断Ｉｌｆ １ ２所示。 图Ｉ工程位置 Ｆｉｇ．１ Ｉ ｔ 【 ａｌｉｏｎ ｏｆ ｐｒｏｊＰｔ’ｌ 黏士和砂 巾，伞部为Ⅵ级隔岩，围岩ｆ ｌ稳能力较差； 隧道周边建筑物及地下构筑物情况异常复杂。基坑明 挖采用俐筋混凝土桩，横向支撑系统主 采川锚索、钢 筋混凝土撑＋锚索２种结构。 ２车致振动在自由场中的衰减规律 研究既仃线路列车筒绒引起的振动 拟 挖隧道 所处场地的衰减规律，以ｊ｝ｑ ｒ解振动荷载 水 向和 竖向的大体影响范幽． ２．１ 模型参数 自…场模 分为４ ，从ｌ：至下依次为杂填＿｛ 层 （３ ＨＩ）、新黄土层（４ ｍ）、眇层（１５ ｍ）、砾 （５３ ｍ） 土层参数 表１。 表１土层参数 Ｔａｂｌｅ ｌ Ｐａｒａｌｌｌ￣＇ｔｅｌ－ｓ ｏｆ ｓｏｉｌｓ 采川ＦＬＡＣ３Ｄ软件刈 『ｌ ＦｆＪ场进行 维建模，其核 心 域典， 横断面的网格划分如 ３所爪 、 图３核心区网格划分 Ｆｉｇ．３ Ｍｅｓｈｉｎｇ ｏｆ ｆｒｅｅ ｆｉｅｌｄ 场地土采用摩尔一库仑奉构模型，参数如衷１所 示。动力计算ｔｌ 采用瑞利阻，ｆＩ三＝，阻尼比取５％。进行 土动力学问题数值模拟时，所涉及的介质范围往往是 第６ ｎ建力．等： 列乍振动倚载作川卜叫挖隧道施Ｉ‘过程中支护结构的动／Ｊ响』 分析 ６７ 、 尤限域的，数ｆｉ ｆ址懊时需要引人人Ｔ 边界条件。在 动力汁算时，尚 嘤考虑波 人ｒ边界处的反射问 题 “ 为Ｊ 减小这个问题带来的影响，ＦＬＡＣ３Ｄ中 卡ｆｊ当于 模型边界的法向 使川ｔ Ｊ 黏性边 条ｆ化ｔ 种控制条件，分别取其典型的不平川甄振动波长和相应 的欠高为：Ｌ１＝１０ ｍ，Ⅱ】＝３．５ ｍＩｉ１；Ｌ２＝２ １３１，“２＝０．４ ｌ＇ｌｌｎｌ； ＝０．５ ｍ，ｎ３＝０．０８ ｍｉｌｌ。激振力为‘不规则波 形，取既有线路列车速度为 ＝８０ ｋｍ／ｈ时Ｉｊ１ｆ＝ ５ Ｓ的情 形，如图４所示。 卜ｊ切 卜分别没 独 的阻尼器以吸收传递到边界处 的波的能量，从 模拟其 实际场地『ｆＩ向外传播的透 射现象。 ２．２ 计算工况与荷载的确定 自南场分析部分考虑下述２种汁算１一况：１）将 火 简载假设为静载，计箅自由场Ｊ、 ，『Ｊ与变形；２）将 火 简载假定为动裁，计算自由场成力 ｊ变形，并分析 振动｝ｆ｝水平向和－ 阳的衰减规律 、需要注意的足，在 小项Ｉｊｆｆ 除火１ 何载外，场地还施加有用来模拟机械 没备的附加荷载 ． 附加倚载的化 位于基坑两侧，距基坑边缘１３ Ｈ１，分布在约８ Ｉｌｌ范围内，其大小等于２０ ｋＰａ；采刚 火午静载模删¨，其化置位于基坑左侧１３ ｍ处，大小 等于３５．５８８ ｋＮ；采川火车动载模删时，其位置 样位 于琏坑左侧１ ３ Ｉｌｌ处，其大小按下列力‘法确定。 列 在不、 姗，Ｊ轨道上行驶，・ 阳激振荷载可用 个激振 数术模拟，其表达式为 （，）＝，，（）＋，Ｊｌ ｓｉｎ（ ｌｔ）＋，，：ｓｉｎ（ ！ｔ）＋Ｐ３ ｓｉｎ’ （ｔＯ ｆ）”。。 、 （１） 巾：，Ｊ｛】为 轮静载；Ｐ 、Ｐ 、Ｐ 均为振动荷载，分别对 心于表２中的控制条件①、②、③ ｔ 的某一典型值。令 列１ｌ簧下质 为Ｍ 则４寸ｊ应的振动倚载幅值 ，， ＝，ｔ４ ｔＯ （ｉ＝ｌ，２，３）。 （２） Ｊ＝ｌ＝巾：“ 为典， 欠离，卜了灰２巾①、②、⑧３种情况卡口 对应； 为对 ４－速下不平顺振动波Ｋ的网频率，分 圳埘心ｒ表２ ｆｔ十ｌ｛心条件①、②、③， 汁算式为 ＝，２ｗｖ／Ｌ，（ｉ＝ｌ，２，３）。 （３） ｔｔ， 为列１ 的运ｉ 速度；Ｌ 为典 波长，刈 Ｊ 于表 ２ ｆｆ１①、②、③３种情７兄。 表２ 轨道几何不平顺管理值 Ｔａｂｌｅ ２ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｄｙｎａｍｉ（、ｌｏａｄｉｎｇ 货车的轴 一般为２４ ｔ，这里取单边静轮重Ｐ。＝ １２０ ｋＮ。簧下质 取Ｍ ＝７５０ ｋｇ，对应于①、②、③３ 图４激振力时程曲线 Ｆｉｇ．４ Ｔｉｍｅ—ｈｉｓｔｏｒ ｙ ｃｕｉｗｅｓ ｏｆ ｌｏａｄｉｎｇ ２．３计算结果与分析 ２．３．１ 附加倚载产牛的沉降变形 只考虑附ＤＩＩ：６，７载时，拟开挖区域ｆ１ｉ静力分析得到 的沉降图如图５所示 图５ 附加荷载产生的沉降 Ｆｉｇ．５ Ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｓ ｉｎｄｕｃｅｄ ｂｙ ａ（ｈｔｉｔｉｏｎａｌ ｌｏａｄ 由 ５町以看 ，由于附加荷载作川化置关于基 坑刈 称，其所产，｛ｊ的沉降变形也关：ｒ基坑对称。最大 沉降发生在加载区域，数值约为９ ｌｌｌｎｌ 、ｆ｝Ｉ附加荷载产 的变形基本不会影响到基坑开挖 域。 ２．３．２列车静载模型与动载模型计算结果对比 列车静载模型沉降变形见图６，动载模型沉降变 形见冈７。 ｉ １ｌｌ＿一一 一 ；’；｝ｊ ：ｉｉ ｉ＇ ． ：。 ＿。。 ： ÷ ｆ ｊ＿… 一 ６７２ 避莲建谨 沉降大小／【ｌＩｉＩ 第３７卷 ｛ 鹾 Ｉ罾 嗣 ．胃贮 ｊ图９位移沿竖向的衰减规律 Ｆｉｇ．９ Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ａｔｔｅｎｕａｔｉｎｇ ｌａｗ ａｌｏｎｇ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ 图７列车动载模型沉降变形图 Ｆｉｇ．７ Ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｓ ｉｎｄｕｃｅｄ ｂｙ ｄｙｎａｍｉｃ ｌｏａｄｉｎｇ ｏｆ ｔｒａｉｎ ３ 车致振动对隧道开挖施工的影响 ３．１ 开挖步骤与计算工况 １）第１步：开挖最上面３ ｍ土层，按ｌ：０．５放坡。 工况１：计算该状况下基坑在静力与动力衍载下反应。 ２）第２步：打人护壁桩，往下再开挖２ ｎｑ，并加入 对比图６和图７发现，将火车设为动力荷载所得 结果大于假设为静载的结果，无论是哪种模型，最大沉 降均出现在加载位置。其中动力模型所得最大沉降约 为１０．０２５ ｌｌｌｍ。 ２．３．３振动沿水平向的衰减规律 由火车引起的振动以竖向振动为主，其位移分量 沿水平向的衰减规律如图８所示。在加载处最大沉降 约１０ ｍｍ，在距加载点６ ｎ 的地方就已经衰减为３ ０ 珈 瑚 舶 ｍｍ，即衰减至最大位移的３０％。此后衰减趋势基本 第１道锚索。工况２：计算打入锚索前该状况下基坑 在静力与动力荷载下反应；工况３：计算打人锚索后该 状况下基坑在静力与动力荷载下反应。 ３）第３步：往下开挖２ ｍ。工况４：计算该状况下 基坑在静力与动力荷载下反应。 ４）第４步：往下再开挖２ ｍ，并加入第２道锚索。 工况５：计算打入第２道锚索前该状况下基坑在静力 稳定，至６０ ｍ处沉降为２ ｍｍ左右。可以看出，火车 引起振动的位移分量沿水平向衰减得非常快，在距加 载点６ Ｉｌｌ范围内衰减非常剧烈，此后趋于稳定。对于 与动力荷载下反应；工况６：计算打入锚索后该状况下 基坑在静力与动力荷载下反应。 ５）第５步：往下开挖２ ｍ。工况７：计算该状况下 基坑在静力与动力荷载下反应。 本项目来说，基坑边缘与列车轨道的距离约１２ ｍ，火 车引起的振动传播到基坑开挖处已经衰减得非常小， 不会引起明显沉降（不到３ ｍｍ）。 距加裁点距离／ｍ ０ ６）第６步：往下再开挖２ ｍ，并加入第３道锚索。 工况８：计算打入锚索前该状况下基坑在静力与动力 荷载下反应；工况９：计算打入第３道锚索后该状况下 基坑在静力与动力荷载下反应。 ７）第７步：开挖至设计基坑底。工况１０：计算该 状况下基坑在静力与动力荷载下反应。 开挖完成后，明挖隧道基坑形状如图ｌ０所示。 ．２ 墨－４ 嫠－６ —８ 一ｌ０ －１２ 图８位移沿水平向的衰减规律 Ｆｉｇ．８ Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ａｔｔｅｎｕａｔｉｎｇ ｌａｗ ａｌｏｎｇ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ２．３．４振动沿呸向的衰减规律 由火车引起的竖向振动的位移分量沿深度的衰减 规律如图９所示。可以看出，在加载处最大沉降为１０ ｍｍ。相对于水平向的衰减来说，位移沿竖向的衰减慢 得多，从地面一直到深２０ ｍ的位置，衰减才趋于稳定。 在此期间，沉降量基本与深度呈二次曲线关系，由最大 处的１０ ｍｍ衰减至２０ ｍ处的２．４ ｉｎｌｎ。在这个深度以 下，沉降不再明显变化，基本稳定在２．３ ｍｍ左右。对 于本工程来说，基坑深度为１５ ｍ左右，火车引起的振 动在基坑的不同深度处会有明显差别。 Ｆｉｇ．】０ 图ｌ０ 隧道开挖后基坑示意图 Ｓｋｅｔｃｈ ｏｆ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ａｆｔｅｒ ｔｕｎｎｅｌ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ３．２基坑支护体系的设计参数 基坑上部两侧为３ ｍ的土钉护坡，随后采用桩锚 支护方式进行支护。第１排锚索在护坡下１ ｍ的位 第６期 白建 ．等： 列车振动倚载作用下明挖隧道施工过程中支护结构的动力响应分析 ６７３ 置，第２排和第３排锚索分别距第１排锚索４ ｍ和 ８ ｍ。锚索锚固段长１５ ｍ，自由段长５ ｍ，预应力为 １４０ ｋＮ。 这主要是由于：１）此时既没有打入护壁桩，又没有锚 索支护，且离动载加载点很近导致的；２）在打人护壁 桩后（第２种工况），坑底竖向位移明显减小，可见，桩 的作用不仅可以减少基坑侧壁变形，而且能够起到阻 两侧基坑上部约３ ＨＩ的土钉护坡通过删除３ ｍ深 的单元来模拟，同时，以梁单元表示喷射混凝土面支 护，以锚索单元表示土钉；在基坑两侧施作钻孔灌注 桩，在数值模拟中钻孑Ｌ灌注桩由梁单元模拟；随后的开 挖深度通过删除２ Ｉ１３的单元来模拟，然后加入预应力 锚索，再次以梁单元表示喷射混凝土面支护；后２次开 挖支护同第３步相同；开挖最后１ １ＴＩ通过删除１ ｍ的 单元来模拟。梁单元和锚索单元假定为各向同性的线 弹性材料，其设计参数如表３和表４所示。 表３梁的参数 ＴａｂｌＰ ３ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ０ｆ ｂｅａｍ 隔动力荷载传播途径，从而减少基坑底部竖向变形的 作用；３）从第２种工况开始，随着开挖的不断深人，坑 底基本上是逐步隆起的，在完成最终开挖后，动载下的 反拱约为５ ｍｍ。动载作用下基坑底部的沉降量很小， 满足工程要求。 ３．４开挖过程中基坑侧壁水平向位移的变化规律 见图１２—１４。 参数 弹性模ｔ￣／Ｐａ 惯性矩／ｍ 面 ，ｆ１１ 数值 ３×１０１０ １．３４ ｎ ０ １６ 图ｌ２不同工况下坑壁左侧（深３ ｍ处）水平向位移时程对比 弹性模量／Ｐａ 面移 ｍ。 １．９５×１Ｏ“ ９．０６×１０一 ５×１０ ２．８×１０５ ６．９９×ｌ０ １．９５×１０¨ Ｆｉｇ．１ ２ Ｔｉｍｅ—ｈｉｓｔｏｒｙ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｌｅｆｔ ｗａｌｌ ｏｆ ９．０６×ｌ０－４ １ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｐｉｔ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｅａｌｃｔ，ｌａｔｉｎｇ ｃａｓｅｓ（ｄｅｐｔｈ ｏｆ ３ ｍ） 结合刚度／（Ｎ／ｍ ） 结合强度／（Ｎ／ｍ） 屈服强度／Ｎ ｌ ６．９９×１Ｏ ３．３ 基坑开挖过程中坑底沉降的变化规律 采用式（Ｉ）的列车动载模型，对上述各种工况分 鉴 别进行动力分析，得到每种工况下明挖隧道基坑底部 的最大沉降，如图１１所示。 图ｌ３不同工况下坑壁左侧（深３ ｍ处）水平向位移最大值变 化规律 毯￡ ・ Ｆｉｇ．１ ３ Ｍａｘｉｍｕｍ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｌｅｆｔ ｗａｌｌ ｏｆ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｐｉｔ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｃａｓｅｓ（ｄｅｐｔｈ ｏｆ ３ ｍ） 图１ １ 基坑底部沉降随着开挖阶段的变化规律 Ｆｉｇ．１ １ Ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｓ ａｔ ｂｏｔｔｏｍ ｏｆ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｐｉｔ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｃａｓｅｓ 通过对比可初步得出以下结论：相对于自由场来 说，开挖后基坑底部的竖向位移为正数，即总体上有反 拱趋势。从图１１可以看出，第１期开挖后在动力荷载 作用下（工况１），基坑底部的反拱最大，约为８ ｍｍ。 图１４坑壁两侧水平位移时程对比 Ｆｉｇ．１４ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｉｍｅ－ｈｉｓｔｏｒｙ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｌｅｆｔ ａｎｄ ｒｉｇｈｔ ｗａｌｌｓ ｏｆ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｐｉｔ ６７４ 隧道建设 第３７卷 由图１２可以看出，在火车通过的瞬间（前１ ｓ内） 忽略动力效应的列车静载模型所得计算结果偏 小；车致振动以竖向分量为主，该振动沿水平方向衰减 很快，在距加载点６ ｍ内衰减非常剧烈，此后趋于稳 坑壁的侧向变形有可能出现正值，即出现坑壁瞬间内 倾现象，只不过在火车通过后，这种瞬间的最大变形很 快会消失。在最终开挖完成后，列车通过时，坑壁的瞬 定。对本项目来说，车致振动达到基坑开挖处已经衰 减的非常小，不会引起明显沉降。相对于水平向的衰 减来说，振动沿竖向的衰减慢的多，从地面一直到深 ２Ｏ ｍ的位置，衰减才趋于稳定。在此期间，沉降量基 本与深度呈二次曲线关系。由最大处的１０ ｍｍ衰减 至２０ ｍ处的２．４ ｍｉｌｌ。在这个深度以下，沉降值不再 明显变化，基本稳定在２．３ １ＴＩ１ＴＩ左右。对于本工程来 间最大变形约为１ Ｆｉｌｍ，不会带来明显影响。 图１３反映了在整个开挖过程中，坑壁基本上不会 出现内倾现象，原因如下：１）存在护壁桩且锚索间距 很小，即桩锚的支护结构对减少侧向变形起到了很大 作用；２）根据自由场分析结果可知，火车引起的振动 主要为竖向振动，其水平向分量很小，且在水平向衰减 又很快，在基坑附近的振动已经不足以引起坑壁明显 的水平变形。 图１４中２条曲线分别为第２期开挖，加入锚索 前，坑壁左侧和右侧同一深度处（深３ １１１处）的水平向 位移时程，其他工况下的曲线形状与此类似。由图可 知，坑壁两侧同一水平位置的点在动载下的变形基本 对称；但靠近既有铁路线一侧的位移稍大于另一侧的 位移。 ３．５锚索支护对坑壁水平向位移影响 见 图１５。 图１５锚索支护前后坑壁水平位移时程对比 Ｆｉｇ．１５ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓ ｂｅｆｏｒｅ ａｎｄ ａｆｔｅｒ ａｎｃｈｏｒ ｃａｂｌｅ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ 图１５中的６条曲线分别为第２、４、６期开挖时锚 索支护前后，坑壁侧向水平位移时程对比。可以看出， 加入锚索对减小基坑的侧向变形作用非常明显，这一 点由图１３也有所反映：在工况２＿３、５＿＿６之间的折 线有明显的下降趋势，也就是说加入锚索前后，坑壁的 沉降明显减小。而工况８和工况９之间的折线下降趋 势则不明显，可能是由于第３道锚索打人了砂土层，其 与周围土体锚固作用不如前２道锚索明显所致。 ４结论与讨论 针对既有铁路沿线明挖隧道施工过程中的桩锚支 护结构，采用ＦＬＡＣ３Ｄ软件分析了既有线路上列车荷 载引起的振动在周围自由场中的衰减规律，在此基础 上分别采用列车静载和动载模型研究了车致振动对基 坑开挖施工的影响，主要结论如下。 说，基坑深度为１５ Ｉｎ左右，火车引起的振动在基坑的 不同深度处会有明显差别。开挖后的基坑底部在既有 列车荷载下总体上有反拱趋势，最大反拱出现在第１ 期开挖后，支护结构施工前，约为８ ｍｍ。在完成最终 开挖后，动载下的反拱约为５／Ｉｌｍ。在整个开挖过程 中，坑壁基本上不会出现内倾现象，采用锚索支护可以 明显减小坑壁的水平向位移。 车致振动对周围建筑物或场地的影响是个十分复 杂的多体系耦合振动问题，现有的研究多集中在车致 振动在自由场中的衰减规律以及对既有建筑结构的影 响方面。本文采用数值分析方法以明挖隧道的施工过 程为研究对象，分析了既有线列车运行对隧道开挖不 同阶段的影响以及桩锚支护体系的动力稳定性。研究 结论为确保施工过程的顺利进行和支护结构的合理设 计提供了技术支撑。由于问题的复杂性和试验技术的 ，本研究中未能计人现场土体材料的动力蠕变特 性。建议在条件许可的情况下结合车致振动的特点， 通过设计合理的室内土工实验技术，研究典型土体材 料在动力荷载长期作用下的蠕变特性和主要力学参数 的演变规律，对提高该问题的数值仿真精度将具有重 要的理论意义。 参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ） 『１］Ｐａｏｌｕｃｃｉ Ｒ，Ｍａｆｆｅｉｓ Ａ，Ｓｃａｎｄｅｌｌａ Ｌ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｏｆ ｌｏｗ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｖ ｇｒｏｕｎｄ ｖｉｂｒａｔｉｏｎｓ ｉｎｄｕｃｅｄ ｂｙ ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ ｔｒａｉｎｓ ａｔ Ｌｅｄｓｇａａｒｄ，Ｓｗｅｄｅｎ【Ｊ］．Ｓｏｉｌ Ｄｙｎａｍｉｃｓ ａｎｄ Ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００３，２３：４２５—４３３． ２］Ｈｉｒｏｋａｚｕ Ｔａｋｅｍｉｙａ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｒａｃｋ—ｇｒｏｕｎｄ ｖｉｂｒａｔｉｏｎｓ ｄｕｅ ｔｏ ａ ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ ｔｒａｉｎ：Ｔｈｅ ｅａｓｅ ｏｆ Ｘ一２０００ ａｔ Ｌｅｄｓｇａｒｄ［Ｊ Ｊ． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｕｎｄ ａｎｄ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ，２００３，２６１：５０３—５２６． 『３］ 冯军和，闫维明．列车随机激振荷载的数值模拟［Ｊ］．振 动与冲击，２００８，２７（２）：４９—５２，１７５． ＦＥＮＧ Ｊｕｎｈｅ，ＹＡＮ Ｗｅｉｍｉｎｇ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｒａｉｎ ｓｔｏｃｈａｓｔｉｃ ｖ￣ｂｒａｔ￣ｏｎ ｌｏａｄｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓｈｏｃｋ．２００８。２７（２）：４９—５２，１７５． ｆ４１ 曹艳梅，夏禾，陈建国．运行列车引起地面振动的理论模 第６期 白建方，等： 列车振动荷载作用下明挖隧道施工过程中支护结构的动力响应分析 ６７５ 国内首创Ｕ型盾构成功下线 我国自主研发高端装备再添利器 ２０１７年６月９日，应用于海口地下综合管廊建设的国内首创ｕ型盾构在河南新乡下线，它的投入使用将开创国内综合管廊施 工新工法。这台Ｕ型盾构由中铁装备集团联合中铁四局集团共同研制，其研发制造结合综合管廊施工明挖工法要求，将明挖和盾 构法的优点有机融合，采用机械设备作为开挖后的支护结构，在设备内完成主体结构安装，形成移动式支挡结构；埋设预制管节截 面最大可达８ ３００ ｍｍ×３ １００ ｍｍ，可广泛应用于埋深较浅的预制管廊、综合管道铺设。 Ｕ型盾构综合管廊施工工法与传统的明挖施工工法相比，机械化程度、安全性能更高，成本低，速度快，施工范围小，不用放坡， 出渣少，噪音振动小，对周边环境的影响也更小，具有安全、快捷、经济、环保等技术优势。以１００ ｍ综合管廊的建设为例，传统工法 需要３０个工人施工１个月左右才能完成，而采用Ｕ型盾构综合管廊施工工法，仅需７—８个工人、十几ｄ就能完工，而且可以节约 成本２０％～４０％。 （摘自中国路面机械网ｈｔｔｐ：／／ｎｅｗｓ．１ｍｉｘ．ｎｅｔ／２０１７／２０１７０６／２０１７０６１３０９５９５９８６．ｓｈｔｍ１）
