列车荷载作用下深基坑支护结构变形研究

王秀鹏 严战友

摘 要：为了研究基坑开挖支护过程中列车荷载对基坑的影响。文章依托北京市广渠路东延下穿通东机场专用线铁路立交桥工程，分别通过UM、ANSYS和ABAQUS软件建立铁路车辆、临时钢便桥和基坑开挖支护模型，根据车辆、桥梁和基坑支护结构的接触关系，实现车-桥-基坑支护结构耦合，进行联合仿真分析。研究结果表明：在列车静载作用下，基坑支护桩变形量随着桩深增加，呈现先增加后减少趋势，在基坑开挖面附近是最大值;在列车动载作用下，桩身变形量都是随列车速度的增加而逐渐增大;支护桩在5 m深度处，桩身变形量随列车速度变化幅度最大，随着支护桩深度的增加，桩身变形量随列车速度逐渐减小;支护桩25 m深度处，桩身变形量几乎不随列车速度变化而变化。

关键词：列车荷载;基坑工程;桩锚支护;联合仿真;变形分析

中图分类号：TU473.2                                文献标识码：A                                文章编号：2096-6903（2022）04-0007-03

0 引言

随着城市土地资源受限，基坑工程逐渐向着“深、大、紧、近”方向发展，因此基坑工程周围环境越来越复杂。基坑工程经常会遇到周围道路有运行车辆或者存在地铁运行线路，在车辆行驶过程中，由于道路不平顺或者轨道不平顺会产生振动，这类振源具有时变性、处于长期稳定的一种循环荷载，对基坑支护结构产生一定影响。因此，有必要考虑基坑工程周圍交通荷载，在交通荷载作用下，研究基坑支护结构稳定性及变形特征。

M.A.Lak等[1]通过考虑道路与土壤间相互作用，对路面不平度、车辆动态响应以及地面振动三者之间关系进行了研究。张航等[2]通过对车站基坑工程进行建模，分析基坑支护结构在周围车辆荷载作用下的变形。颜涛[3]将车辆荷载简化为半波正弦形式的移动荷载施加于基坑周围，分析基坑围护结构响应。邱洪志[4]不仅将基坑周围车辆荷载简化为半波正弦荷载，还与车辆等效静载进行对比，得出基坑围护结构受力和变形情况。在车辆动荷载作用下，赵桐德等[5]研究了基坑中桩锚支护结构的响应。张金诚[6]研究了不同车辆荷载作用下悬臂支护结构的动力响应。朱冬宇[7]通过试验数据与数值模拟方式，研究双排支护结构受力和变形特性。丁森林[8]模拟邻近建筑物的基坑工程，分析在车辆荷载作用下，基坑支护结构的动力响应以及变形规律。上述文献主要研究了交通荷载引起支护结构动力响应，而目前深基坑设计理念已经从强度控制转变为变形控制，因此，更应该关注交通荷载作用下基坑支护结构变形特征。前人对交通荷载的研究多为基坑周围道路上车辆荷载/附近地铁运营线路，对基坑开挖支护工程上运营铁路，基坑支护结构受其列车荷载影响的研究很少。

1 工程概况

1.1 工程简介

北京市通州区广渠路是连接北京城市核心区与城市副中心的主要道路，道路起自东二环终至通柴东路，全长28 km，在北京交通运输系统中占有重要地位，因此对广渠路进行改扩建来满足城市快速发展的需求。其中，广渠路东延路段起自怡乐西路高架桥，终至东六环，路线沿现况通朝大街，运河东、西大街布线，全长约7.6 km，该段道路分为地面道路和地下道路两种形式，伴随地下道路系统同步进行市政综合管廊建设。根据实际情况，地下道路部分需要以下穿形式通过专用线铁路。

1.2 工程地质

经过地质勘查与室内试验，该场地工程地质特征如下：主要有第四系全新统人工堆积层（Q4ml）杂填土、素填土，冲洪积层（Q4al+pl）粉质黏土、粉土、粉砂、中砂，第四系上更新统冲洪积层（Q3al+pl）粉质黏土、粉砂、中砂，各岩土地层的力学参数如表1所示。同时，勘探结果表明土层的承载能力较强，没有发现不良地质情况。

1.3 线路加固体系结构

运营铁路线路在基坑开挖前需要加固处理，采用箱型纵梁、钢枕横梁、支撑桩等结构体系共同组成铁路加固系统（图1）。铁路加固起点K0+659.13，铁路加固终点：K0+729.07，铁路加固长度69.94 m。线路加固时纵梁安装与拆除轨束梁在封锁点内施工，施工期间满足列车慢行45 km/h要求。

1.4 基坑支护结构

按照铁路产权部门要求，在施工期间，通东机场专用线铁路保持正常运营状态，为了缩短工期，该路段须进行基坑开挖。由于该基坑施工场地周围环境复杂，无放坡条件，根据实际勘查情况，结合框架桥施工要求和基坑施作条件，按照一级基坑设计等级。该地下路段基坑支护工程全长271 m，采用明挖法施工，基坑开挖深度在19～23 m范围内，采用3种不同基坑围护形式，分5段对基坑开挖进行围护，以期最大程度保证基坑开挖安全。支护形式分别为地下连续墙支护、双排防护桩加内侧施作预应力锚索支护及双排防护桩加桩间施作预应力锚索支护。该基坑支护结构布置（图1）。

由于该基坑工程规模大、开挖深、距离长，需模拟运营铁路线之下邻近部分基坑开挖支护，而距离铁路运营线较远部分受列车动荷载影响很小，可以不予考虑。该部分基坑支护结构为双排防护桩加桩间施作预应力锚索形式。其中，双排灌注桩桩长47.8 m、桩径1.5 m、桩间距1.8 m、排间距6 m。为施工后排桩锚索，在双排桩间开挖21 m深的长条形基坑，边开挖边施工预应力锚索。锚索竖向间距3.5 m，设置两桩之间。双排桩采用C35混凝土浇筑，预应力锚索采用3SΦ15.2 mm普通钢绞线，入射角为25°，锚固体直径为150 mm。

2 模型构建

2.1 车辆模型构建

铁路车辆由车体、转向架、轮对等主要部件构成，车体与转向架间通过二系悬挂装置相连、转向架与轮对间通过一系悬挂装置相连，悬挂装置为弹簧-阻尼器，所以列车为多自由度的振动体系。车体、转向架与轮对均有沿X、Y、Z向的平动自由度及绕X、Y、Z向的转动自由度，共计6个自由度，分别对应伸缩、横移、沉浮、摇头、侧滚、点头6种基本振动形式，每节车有一个车体、两个转向架、四个轮对，共计7个刚体，42个自由度。

车辆模型按照C70型货车参数建立，由三节货车车辆组成，车辆模型见图2。

2.2 桥梁模型构建

临时钢便梁应用有限元软件ANSYS进行建模，桥梁全长40.7 m，采用solid185单元，单元数共计846 465个，桥梁有限元模型如图3所示。

3 计算结果

列车动载作用下支护结构变形为了研究列车动荷载对基坑支护结构影响。选取5组列车速度，在UM与ANSYS软件联合仿真，车辆分别以20 km/h、30 km/h、40 km/h、50 km/h、60 km/h速度通过钢便梁，求解桥梁支座5种支座反力;然后施加于ABAQUS软件构建基坑开挖支护模型，实现车-桥与基坑支护结构耦合，联立基坑支护结构与车辆行驶速度，求解出基坑支护结构随列车速度变化规律见图（4—8）。

从图4～8可以看出：支护桩深度在5 m、10 m、15 m、20 m、25 m处，桩身变形量随列车速度增加而增加，表明列车在运行过程中，列车的动荷载会随着车辆速度的增加而增大，在基坑开挖施工过程中，对列车限速措施十分重要。

在桩身5 m深度处，桩身变形量随列车速度变化幅度最大，变化幅度为0.1 mm;随着支护桩深度增加，桩身变形量随列车速度增加而逐渐减小;支护桩25m深度处，桩身变形量随列车速度的增加几乎不发生变化，变化幅度为0.007 mm。表明列车动荷载对支护结构的影响大概在基坑开挖面附近，基坑开挖面以下的支护结构几乎不受列车动荷载影响。

4 结论

通过UM、ANSYS和ABAQUS三个软件对基坑开挖进行建模，在列车静荷载和动荷载作用下，研究支护结构变形规律，结论如下：

（1）在列车静载作用下，基坑支护结构变形量随着支护桩深度的增加先增加后减少趋势，在开挖面附近增至最大值，在35 m之后缓慢减小。

（2）在列车动载作用下，在支护桩5 m、10 m、15 m、20 m、25 m深度处，桩身变形量随列车速度增加而逐渐增大，变化趋势相似。

（3）在列车动载作用下，支护桩结构在5 m深度处，桩身变形量随列车速度变化幅度最大;随着支护桩深度增加，桩身变形量随列车速度变化幅度逐渐减小。

（4）在列车动载作用下，支护桩25 m深度处，桩身变形量随列车速度增加变化很小，列车动荷载对桩体几乎不产生影响。

参考文献

[1] M.A.Lak，G.Degrande，G.Lombaert. The effect of road unevenness on the dynamic vehicle response and ground-borne vibrations due to road traffic[J].Soil Dynamics and Earthquake Engineering， 2011，31（10）：1 357-1 377.

[2] 張航，余传波，宋技，等.交通荷载对基坑围护结构变形特性的有限元分析[J].江西科学，2019，37（3）：409-414.

[3] 颜涛.移动荷载作用下基坑支护结构响应分析[D].武汉：武汉理工大学，2011.

[4] 邱洪志.交通荷载作用下基坑支护结构受力变形分析[D].郑州：郑州大学，2012.

[5] 赵桐德，李二超，闫继业，等.动荷载作用下基坑支护结构动力响应研究[J].地震工程与工程振动，2020，40（3）：216-222.

[6] 张金诚.交通荷载作用下基坑悬臂式支挡结构的响应分析[D].杭州：浙江理工大学，2019.

[7] 朱冬宇.交通荷载对双排桩支护结构的动力影响分析[D].杭州：浙江理工大学，2020.

[8] 丁森林.考虑车辆荷载影响及紧邻建筑物的深基坑开挖稳定性研究[D].合肥：合肥工业大学，2018.