高铁站场下地下空间结构逆作施工变形分析

许俊超

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，430063，武汉∥高级工程师）

高铁站场下地下空间结构逆作施工变形分析

许俊超

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，430063，武汉∥高级工程师）

随着城市轨道交通和高速铁路的大量建设，两者之间的交叉影响越来越多。以上海西站地下南北通道工程为背景，考虑高速铁路列车荷载特点，并将此荷载施加到地下空间结构逆作施工的三维有限元模型中，通过三维有限元数值模拟及实测数据的对比分析，从而得到地下空间结构及高速铁路路基的变形规律。

高速铁路；地下空间结构；逆作施工；数值模拟

Author's addressThe 4th China Railway Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，430063，Wuhan，China

随着城市轨道交通及地下空间开发的大规模建设，以及国家“三纵三横”高速铁路网的实施，势必会造成城市轨道交通与高速铁路施工或运营相互交叉、互相影响等情况［1］，对在高速铁路下方进行地下结构逆作法的设计及施工均提出了新的要求。一旦路基结构变形超出限值，将严重威胁高速铁路的正常运营。

上海西站地下南北通道工程A区为地下三层结构，位于沪宁城际铁路站场下方。为满足沪宁城际的通车时间节点要求，A区地下一层采用明挖顺作法施工，地下一层施工完毕后移交给相关部门施工铁路站场，待沪宁城际通车运营后逆作施工A区地下二、三层结构。由于沪宁城际运营对路基结构的沉降及变形控制要求严格，在其下方逆作施工有很大的风险，因此极有必要对其进行深入研究，为设计及施工提供指导。

1 工程概况

上海西站地下南北通道工程为轨道交通11、15、16号线的换乘节点。

15号线地下一层为长约120 m，宽80 m的地下南北通道综合大厅。其中，南北通道工程A区长约83 m，宽80 m，位于沪宁城际铁路站场下方，其平面图和剖面图分别如图1、图2所示。铁路站场恢复后A区顶板埋深约2 m。

图1 工程平面布置图

2 有限元模型的建立

2.1 列车荷载

轨道不平顺是引起列车附加动荷载的重要原因，文献［2］对轨道动态不平顺管理值有明确的要求。本文在模拟列车荷载时主要考虑轨道的不平顺因素，用一个常量力来模拟车轮静载，用正弦函数来表示模拟轨道不平顺引起的附加动荷载，将两者叠加即为列车荷载［3］。其表达式如下：

图2 A区横剖面图

P1为振动荷载幅值，与列车簧下质量有关：

式中：

P0——车轮静载，根据高速铁路的要求一般取单边静轮重为80 k N；

ω1——不平顺控制条件下的振动圆频率，ω1= 2πv/L1；

t——时间；

m——列车簧下质量，可取750 kg；

r1——不平顺条件下所对应的矢高；

v——列车速度；

L1——不平顺波长［4］。

当速度达到300 km/h时，影响簧下振动的不平顺半波长的上限可达2.5 m以上，现假定L1=5 m，r1=5 mm。

根据铁道科学研究院提出的最高行车速度为350 km/h的设计要求，当v=350 km/h时，列车荷载为：

列车荷载是作用在轨枕上的。一个轮重一般由5个轨枕所承受，轨枕最大受荷占轮重的30%～40%；同时考虑到周围轮重的应力叠加影响，并与我国现行22 t轴重下实测资料进行对比，断面的振动荷载取0.7P（t）［4］。

2.2 有限元模型

基坑平面尺寸约80 m×78 m，开挖深度为23.6 m。考虑到基坑开挖对周围土体及铁路股道的扰动，三维模型取420 m×450 m×80 m。计算模型的上边界为自由边界，底部全约束，各个侧面限制水平方向的位移。土体采用实体单元模拟，各土层的主要计算参数见表1；A区地下连续墙采用板单元模拟，以更好地反映土体与墙之间的非线性接触效应；四道钢筋混凝土支撑，以及车站结构梁、柱、桩均采用空间梁单元模拟；15号线A区楼板采用板单元模拟。

15号线车站地下2、3层的开挖采用盖挖逆作法。开挖过程中，地表列车正常运营。为反映上部列车运营和下部基坑逆作法开挖的相互影响，本模型考虑了列车荷载作用的同时，也考虑了列车荷载作为动荷载的动力效应。

考虑到设计最不利工况，计算时取列车最高设计时速（350 km/h）过站、股道列车荷载满布作用的工况。列车荷载分布见图3；三维计算模型网格见图4。

图3 列车荷载分布图

图4 三维计算模型网格

表1 模型中土体材料分层和相关参数

2.3 模拟计算步骤

南北大通道综合大厅A区地下2、3层采用盖挖逆作法施工，开挖时分块分层。整个模型在数值计算分析中按工况抽象为如表2所示的计算步骤。图5为A区基坑开挖完成时的结构模型图。

表2 15号线A区地下2、3层开挖的主要计算步骤

图5 15号线A区基坑开挖完成时结构模型

3 计算结果与实测结果对比

3.1 计算结果分析

3.1.1 A区顶板变形分析

限于篇幅，本文仅对南北大通道A区逆作施工过程中的顶板变形进行分析。本工程A区采用盖挖逆作法施工，南北大通道综合大厅顶板覆土后，列车正常运营。可见顶板的变形对上部列车的正常运营影响巨大。因此，顶板在地下2、3层车站的开挖过程中的受力以及变形情况尤为重要。图6～8为各个开挖工况下顶板的竖向变形情况。

由于下部基坑开挖，土体卸载回弹，使得上部结构整体隆起。随着开挖进展，顶板隆起量逐渐增大。整个施工过程中，顶板除了第一次开挖时出现局部沉降外，均隆起。开挖区域顶部的隆起量最大，并向两边逐渐减小。至15号线车站开挖结束时，顶板的最大隆起量为7.1 mm。

图6 A区顶板的竖向位移（步骤4）

图7 综合大厅顶板的竖向位移（步骤6）

图8 A区顶板的竖向位移（步骤7）

3.1.2 铁路路基变形分析

顶板上方地表的竖向位移变化特点与顶板类似。图9为基坑中部沿东西方向的铁路路基（约南北方向中点）沉降图。

图9 15号线基坑中部上方铁路路基沉降图

在车站开挖过程中，土体卸载回弹，通过立柱桩等向上传递给顶板，引起顶板隆起变形。由于基坑开挖较深，土体卸载回弹应力很大，以致即使存在列车荷载上部结构仍整体上移。其次，开挖区域正上方是土体应力释放作用最强烈的区域，因此，隆起量相对大于其它区域。

3.1.3 轨道不平顺分析

图10给出沿基坑中部上方轨道线每10 m范围内地表变形的最大差值。图10中数据点值表示以该点为基点时，基点前10 m范围内的竖向位移最大差值。也就是这10 m范围内的轨道最大高低不平顺差值。由图10可见，随着施工的进行，轨道高低不平顺最大差值在逐渐变大，在施工结束时沿线最大高低不平顺值为1.6 mm，满足高速铁路不平顺限值的要求。

3.2 实测数据分析

3.2.1 A区顶板变形实测数据分析

图11为2011年A区顶板变形实测数据。由图可见，基坑开挖前期阶段，顶板变形呈下沉趋势，但随着基坑的开挖，由于土体回弹应力释放，基坑隆起，顶板结构亦随之抬升，这与有限元数值模拟的趋势基本一致。随着结构的回筑，先前抬升的顶板逐渐下沉，最终趋于稳定。从实测数据看，顶板抬升的最大变形量约为6 mm。

图10 基坑中部沿轨道每10 m最大竖向不平顺变形

3.2.2 铁路路基变形实测数据分析

从图12的2011年实测数据可以看出，由于路基结构位于A区顶板之上，其变形趋势与顶板基本一致。

图11 A区顶板变形图

图12 A区路基变形图

4 结语

（1）本文从轨道的几何不平顺角度出发，提出了模拟列车荷载的简化计算方法，通过定量的列车荷载对上海西站地下南北通道A区的地下2、3层逆作施工时的顶板位移进行了有限元数值分析，经比较数值模拟与实测的结果较为吻合。

（2）通过有限元数值模拟与现场实测数据的分析，沪宁城际铁路运营后A区地下2、3层结构逆作施工时，路基及顶板结构先沉降，随着基坑的开挖，应力释放土体隆起，路基及顶板结构呈抬升的趋势。另根据计算分析，逆作开挖区域正上方是土体应力释放作用最强烈的区域，因此，该区域隆起量相对大于其它区域。

（3）经研究，上海西站地下南北通道A区采用地下一层明挖顺作实施完毕后，恢复铁路站场运营沪宁城际，而后采用盖挖逆作法施工地下2、3层的方案合理、可行，且能满足沪宁城际通车运营对路基结构的沉降要求。

（4）从轨道不平顺的角度分析，轨道不平顺最大幅值在施工过程中逐渐变大，在施工结束时，沿线最大不平顺幅值为1.6 mm，满足高速铁路不平顺限值对乘坐舒适度的要求。

［1］ 缪海祥，周彪，谢雄耀.高速铁路与城市轨道交通线路交叉运营作用的数值模拟［J］.城市轨道交通研究，2010（增刊1）：361.

［2］ 中华人民共和国铁道部.高速铁路无砟轨道线路维修规则（试行）［S］.

［3］ 罗雁云，耿传智.不同轨道状态对轮轨附加动荷载影响［J］.铁道学报，1999（2）：42.

［4］ 梁波，蔡英.不平顺条件下高速铁路路基的动力分析［J］.铁道学报，1999（2）：84.

Analysis of Space Structure Deformation under High-speed Railway Station Caused by Inversed Construction

Xu Junchao

Along with the significant development of urban rail transit and high-speed railway construction，cross efects between them become increasingly frequent.Taking the N-S underground corridor project at Shanghai West Railway Station as the background，considering the features of highspeed train load，the load is applied to the finite element model of the inversed construction of underground structure.Through comparison and analysis of the 3-dimensional finite element numerical simulation and measured data，the underground space structure and high-speed railway subgrade deformation law are obtained.

high-speed railway；underground space structure；inversed construction；numerical simulation

TU 441+6

10.16037/j.1007-869x.2015.01.012

2013-04-25）