新建有轨电车对既有运营地铁车站结构安全性影响分析与研究

唐志扬 张宇

（广州地铁设计研究院股份有限公司）

目前，国内许多学者对地铁周边工程建设对既有运营地铁结构的影响进行了研究，包括新建地铁结构上跨、下穿或侧穿既有地铁结构，地下通道上穿既有地铁结构、地铁结构上方开挖基坑等工程建设对地铁结构安全性影响分析等[1-8]。同时，针对地铁周边工程建设对地铁结构的影响，国家和地方城市也相继出台了地铁结构安全保护规范或条例[9-10]。然而，针对有轨电车建设和运营对地铁结构安全影响几乎无例可循。与其他地铁结构周边工程建设不同，有轨电车建设和运营过程对地铁结构造成影响主要包括路基开挖、路基打桩等地基处理和列车运营及振动荷载。因此，结合有轨电车建设特性，针对有轨电车建设和运营过程对地铁结构安全影响进行研究，对现阶段我国有轨电车建设具有重要意义。

1 工程概况

广州黄埔区有轨电车1 号线起于香雪，终于永和新丰，线路全线约14.4km，其中路基段长度约11.5km，高架段长度约1.4km，框架及U 型槽位长度约1.5km，平均站间距约0.76km，全线近期设站19 座，高架站1 座，地面站18 座，其中有轨电车上跨地铁二十一号线水西站。

有轨电车1 号线上跨地铁21 号线水西站范围内路基形式主要为底层换填路基，水西站范围内有轨电车车站结构形式为地面对称侧式，车站长度为34m。

有轨电车上跨地铁二十一号线水西站位于广州市萝岗区水西路下方，为越行站，后接水西停车场线。车站为地下2 层（局部三层）12m 岛式站台车站，双柱三跨或三柱四跨结构，全长356.95m，标准段宽为30.8m，车站基坑开挖深度为12.94～22.51m。

2 有限元数值分析模型

根据黄埔区有轨电车上跨地铁水西站结构关系和地质情况，选取典型计算断面采用ABAQUS 建立二维数值分析模型，研究有轨电车建设及运营过程对地铁车站结构安全性影响；并对有轨电车上跨水西站全范围采用MIDAS-GTS 建立三维数值分析模型，研究有轨电车建设及运营过程中地层变形规律和有轨电车列车荷载对车站结构影响。

2.1 有限元模型建立

有轨电车上跨水西站结构受力影响二维数值分析模型简化为平面应变模型，采用梁单元模拟车站结构，面单元模拟地层。结构与侧向边界的距离取为结构宽度的5 倍以上，模型左右边界固定水平位移，底面边界固定水平和竖直位移，且均为不透水边界，如图1 所示。

图1 二维数值分析计算模型

有轨电车上跨水西站全范围三维数值分析模型，采用板单元模拟车站结构，四面体单元模拟地层，计算范围为500m×250m×60m 的区域，周边环境按无限刚度体模拟，约束有限元模型底部的竖向位移及各侧面的法向位移，如图2 所示。

图2 三维数值分析计算模型

本研究数值分析模型中地层Mohr-Coulomb 本构模拟，土层参数如表1 所示。车站结构和路基结构采用弹性本构模拟，如表2 和表3 所示。

表1 土层参数

表2 车站结构参数

表3 有轨电车路基参数

2.2 计算工况

本研究主要计算有轨电车建设和运营过程中对地铁车站结构影响，主要考虑有轨电车路基开挖施工、施工机具超载、有轨电车车站及区间运营荷载、列车动荷载对车站结构影响，主要计算工况如下：

⑴地铁车站结构初始受力工况；

⑵有轨电车路基施工工况；

⑶有轨电车车站运营工况；

⑷有轨电车区间运营工况；

⑸列车动荷载工况。

其中二维数值分析模型计算1～4 工况，三维数值分析模型计算1～5 工况。

3 计算结果与分析

3.1 二维数值计算结果与分析

3.1.1 计算结果

选取典型计算分析断面，得出二维数值模型计算结果，即各工况下结构弯矩及轴力计算结果。根据计算结果，有轨电车1 号线车站及区间建设及运营过程中，典型计算分析断面车站结构的内力及变形统计的数据如表4 所示。

表4 典型断面内力计算结果

3.1.2 结果分析

以典型计算断面顶板控制截面内力为例，有轨电车建设及运营过程中各工况下结构弯矩及轴力变化如图3 所示，其余截面内力变化规律相似。由图可知，有轨电车建设及运营过程中，施工超载及运营荷载将使得地铁车站结构顶板内力增大，而在路基换填施工过程中会引起车站顶板上方卸载，结构内力减小，但有地层回弹问题。在施工超载作用下，车站结构顶板弯矩增大8.8%，轴力几乎不变；在运营荷载作用下，车站结构顶板弯矩增大17.8%，轴力减小7.5%。综上所述，有轨电车施工及运营期间对地铁车站结构内力造成了一定影响，建议在施工期间加强对车站结构的内力和变形监测，一旦地车站结构内力和变形变化过大，应该停止施工，采取应急预案。在设计上应采取一定措施减小有轨电车运营期间对车站结构的影响。

图3 典型断面各工况荷载作用下内力变化

考虑到有轨电车打桩施工中可能出现重型机具，因此进行了不同施工超载对车站结构受力影响分析，不同施工超载作用下车站结构内力变化如图4 所示，随着施工超载增大，车站结构顶板弯矩随着超载增大而线性增大，轴力随超载增大而线性减小。

图4 不同施工超载作用下车站结构内力变化

3.2 三维数值计算结果与分析

根据三维数值模型计算结果，有轨电车建设及运营过程中车站结构竖向及水平变化情况如图5 所示。由图可知，车站最大沉降值为-4.4mm、最大上浮值2.4mm，最大正向水平位移为0.44mm、最大负向水平位移为-0.59mm，均发生在有轨电车路基正下方的车站结构处，且在距离车站外轮廓30m 范围变化速率最大，其中竖向变形值为-1.6mm，水平变形值为-0.13mm，说明在车站结构1 倍深度范围内施工对结构影响较大。施工超载卸载后，车站结构的沉降变化值约-2.05mm，约总沉降值46%，水平位移变化值约-0.28mm，约占最大水平位移值48%，说明施工超载对变形影响较大。建议有轨电车建设过程中，地铁车站结构的沉降值控制在5mm 以内，水平位移值控制在2mm 以内，且施工超载不得大于20kPa。若在有轨电车路基开挖换填过程中，因开挖土体回填不及时等原因，监测到车站上浮变形超过4mm，应及时在车站范围内进行地面堆载反压，限制车站结构上浮。

图5 车站结构竖向及水平位移变化图

考虑到有轨电车位于地铁车站正上方，有轨电车列车运营过程中会产生振动荷载，因此针对列车动荷载对车站结构影响进行研究。根据有轨电车的轴重、列车发车频率以及车长等，得出有轨电车列车动荷载作用，如图6 所示，将列车动荷载输入上述三维模型中进行计算。

图6 列车动力荷载曲线图

根据计算结果，有轨电车列车动荷载作用下，车站结构最大的竖向位移为0.691mm，水平最大位移为0.102mm，表明有轨电车列车动荷载对车站结构影响较小。

4 结论

本研究基于广州黄埔区有轨电车一号线上跨地铁二十一号线水西站实际工程问题，建立了二维和三维数值分析模型，分析有轨电车建设及运营过程中对地铁车站结构受力和变形影响，得到了以下结论：

⑴在黄埔区有轨电车1 号线建设及运营过程中，施工及运营荷载对车站结构内力造成了一定影响，建议在施工期间加强对车站结构的内力和变形监测，在设计上应采取一定措施减小有轨电车运营期间对车站结构的影响。

⑵施工超载不超过20kPa 时，有轨电车建设及运营过程中，地铁车站结构能满足承载力极限状态和正常使用极限状态要求，结构的安全性能够得到保障。

⑶建议有轨电车建设过程中，地铁车站结构的沉降值控制在5mm 以内，水平位移值控制在2mm 以内，且施工超载不得大于20kPa。若路基开挖换填过程中，车站上浮变形超过4mm，应及时在车站范围内进行地面堆载反压，限制车站结构上浮。

⑷有轨电车列车动荷载作用对地铁车站结构影响较小，无需采取措施减小列车动荷载对结构受力影响。

本文仅针对有轨电车换填路基形式下对地铁车站结构安全性影响分析，有轨电车实际工程建设中，往往采用CFG 桩等复合地基加固方式进行地基加固，且有轨电车上跨地铁区间隧道情况更为常见。后续将开展复合地基加固形式下有轨电车建设及运营对地铁车站及区间结构安全性影响。