北京地铁8号线换乘通道下穿盖板河动力特性影响研究.pdf

60第3 8 卷2023年第8 期CONSTRUCTiONSAFETY工程桥梁与隧道二建筑安全北京地铁8 号线换乘通道下穿盖板河动力特性影响研究张亚辉1郭唯伟？（1 河北城乡建设学校，河北石家庄050031；2.河北电力勘察设计研究院，河北石家庄050000)摘要：随着城市交通的发展，地铁区间隧道下穿既有铁路的工程日益增多，对下穿铁路抗震计算也相应增多，但是对地铁下穿河流时地震动特性研究较少。下穿河流中较典型的是换乘通道对位置地震动特性的变化影响，其工程难度较大且变形难以控制。以北京市地铁8 号线三期工程前门站K24+875K 2 4+9 6 4换乘通道下穿盖板河为例，通过有限元软件建立地层一土体结构三维实体模型，模拟穿越盖板河的施工过程，分析探讨下穿前后通道位移变化和在地震动作用下的动力特性变化规律，并提出理论分析方法和盖板河保护措施。关键词：土一结构相互作用；振型；自振频率；模态分析；地铁车站中图分类号：U231.4文献标志码：A0引言随着我国城市人口的不断增加，城市交通拥堵现象日益严重，修建城市地铁成为缓解城市交通压力的主要途径。但是，由于城市环境的复杂，地铁施工时会遇到很多突发情况。当城市地铁隧道下穿河流时，其所面临的施工风险更大，一方面要防止河流水下渗，避免施工作业面发生突泥等工程灾害；另一方面，隧道开挖时将不可避免地导致地层变形，最重要的是在设计时还要考虑结构抗震性能，故应综合考虑各方面因素使下穿结构兼具安全性、耐久性、强抗震性等 1-4。O1地铁车站自振频率分析1.1工程概况北京地铁8 号线3期0 2 标段线路全长约3km，全部为地下线。线路基本为南北走向，穿行区域为北京具有标志性的核心商业区。0 2 标段共三站三区间，包含王府井北站、王府井站（轨道交通院）、前门站；8 号线二期南端点一王府井北站区间、王府井北站一王府井站区间、王府井站一前门站区间，三座车站均为地下站。前门站为地下3层（东侧为4层）岛式车站，车站长1 5 4.7 8 m，有效站台长1 1 8 m，站台宽度为1 6m。车站主体覆土约5.7 1 1.2 m，车站东端4层结构、西端3层结构均采用明挖法施工，中部暗挖3层结构采用PBA工法施工；车站两端区间采用盾构法施工，为盾构提供双始发条件。前门站总平面如图1 所示。2号线前门站前门东大街明挖换乘厅喷挖换明挖4层来清道箭楼3号出入口前门大街单层明挖暗挖3层明挖3层1号出入口单层明挖4号出入口地下保车场单层明挖图1前门站总平面1.2计算模型模型上边界取至地表，下边界取至等效基岩面，横向边界设置动力自由边界，模型底部水平方向施加地震动的加速度荷载。模型尺寸边界及监测面详见图2。为了保证计算精度，并尽可能减少基金项目：国家自然科学基金青年基金资助项目（5 2 1 0 8 37 8）；河北省自然科学基金资助项目（E2020210068）；青年人才托举工程(2021QNRC001)作者简介：张亚辉，1 9 8 9 年生，硕士研究生，助理工程师，从事地下工程抗震等方面的教学和科研工作。E-mail:61张亚辉，等：北京地铁8 号线换乘通道下穿盖板河动力特性影响研究计算量,仅加密结构附近网格 5-6 。三维计算模型如图2 所示。4060140图2三维计算模型（单位：m)换乘通道与盖板河位置关系以及沿换乘通道（x 向）及盖板河（y向）结构监测面布置分别如图3、图4所示，换乘通道盖板河XY图3换乘通道与盖板河位置关系4646X图4沿换乘通道（x向）及盖板河（y向）结构监测面布置根据地质勘查报告资料，拟建场地位于永定河冲洪积扇下部，地貌类型为第四系冲洪积平原，地层由人工堆积层和第四系沉积的黏性土、粉土、砂类土、碎石类土构成，基岩埋深大于5 0 m。工程穿越的地层主要为细中砂、黏土层、中粗砂和卵石层 7-9 车站所处地区场地土均采用北京地区实测场地土，土层参数如表1 所示。表1北京地区场地土模型物理力学参数动力体剪切动力剪粘聚内摩厚度/密度/土性积模量/波速/切模量/力/擦角/mgmMPa-1MPakPams（）黏土31.913118057515粉土51.9202241116225砂土81.9266296175228黏土3.11.9322991881820卵石102.56614514582040结构单元参数详见表2。表2 丝结构单元参数属性重度/(kNm-3）弹性模量/GPa泊松比既有结构板、墙24.033.50.2主体结构25.0350.21.3地震波的选择本工程抗震设防分类为乙类，抗震等级为二级,按8 度抗震设防烈度要求进行抗震验算 0 1 。根据GB500112010建筑抗震设计规范附录A，该站设计地震分组为第一组（特征周期值为0.35s）。关于设计地震动参数的选取，场地基岩人造地震动时程一般以基岩加速度反应谱和峰值为目标,用数值模拟的方法合成地震动时程，作为场地土层地震反应分析的地震动输人值。依据北京市地铁八号线三期工程场地地震安全性评价报告，动力计算采用5 0 年超越概率为1 0%的地震动时程（3条），如图5 所示。2计算结果分析2.1相对水平位移峰值计算结果通道下穿盖板河前后，河道各监测点处相对水平位移峰值变化如图6 所示。通道下穿盖板河前后，换乘通道各监测点处相对水平位移峰值变化如图7 所示。由图6、图7 可知，下穿前后盖板河结构各点处相对水平位移峰值变化不大，均在0.45 cm左右；地铁区间结构各测点处相对水平位移峰值变化也不大，拱顶峰值均位0.34cm，说明下穿施工过程对两者在水平上的影响并不大。62第3 8 卷2023年第8 期CONSTRUICTiONSAFETY工程桥梁与隧道二建筑实全300300200200(,s.uo)/D(a410010000-100-100-200-200010203040010203040时间t/s时间t/s(a)(b)3002001000-100-200010203040时间t/s(c)图550年超越概率1 0%基岩水平地震动时程0.450.470.450.450.470.47(a)1-1监测面通道下穿前后0.450.480.440.450.480.48(b)2-2监测面通道下穿前后0.450.470.440.450.470.47（c）3-3监测面通道下穿前后图6河道结构各点处相对水平位移峰值（单位：cm）0.340.340.260.260.270.260.130.130.130.14（a)4-4监测面通道下穿前后0.350.350.270.270.270.270.130.130.130.14（b）5-5 监测面通道下穿前后0.340.340.250.260.260.260.130.130.130.14（c)6-6 监测面通道下穿前后图7换乘通道结构各点处相对水平位移峰值（单位：cm）63张亚辉，等：北京地铁8 号线换乘通道下穿盖板河动力特性影响研究2.2地表沉降值计算结果地铁下穿之前，处于初始应力状态的盖板河引起的周围地表沉降槽曲线如图8 所示。可以看出，最大沉降发生在两条隧道的对称面位置，达到5.03 mm。盖板河中心点距离/m0102030405060700.00-1.00/2-2.00-3.00-4.00-5.00-6.00图8原地表沉降槽曲线双线地铁区间施工完毕后，河道中心的沉降槽曲线如图9 所示。最大沉降发生在两条隧道的对称面位置，达到8.5 7 mm,增大了近一倍。因此，地铁下穿的施工过程对于上层河道而言，引起了更大的地表沉降，在实际施工中，应对河道下侧一定范围的区间隧道周围土体进行注浆加固，这是控制地表沉降的有效方法。2.3动力模型计算结果由监测图得出监测断面各处最大相对位移峰值。在此基础上，在计算模型中，不考虑静力作用的1.5一下穿前下穿后_s.)/a0.50A6-0.5时间t/s-1-1.52（a)1-1 监测面监测处顶端中心点加速度时程曲线盖板河中心点距离/m0102030405060700.00-1.00-2.00-3.00-4.00-5.00-6.00-7.00-8.00-9.00-10.00图9地铁下穿后地表沉降槽曲线前提下，取断面中各点相对位移最大值，分别施加在结构节点上即得到地震工况下（只考虑动力影响)结构内力值，这个计算内力值再跟地震工况中只考虑静力影响模型的内力值进行组合叠加，得出结构内力设计值如表3所示。表3动力分析法内力幅值计算结果测点123456轴力/kN18.4 17.2 12.7 15.216.411.9弯矩/(kNm)46.541.428.931.433.75.59剪力/kN31.813.045.425.836.28.52水平位移/mm0.320.380.300.360.340.42主应力/kPa66.556.3165.090.1102341通道下穿盖板河前后，河道1 1 监测处顶端中心点动力时程曲线如图1 0 所示。0.40.3一下穿前0.2下穿后(,s/)/(0.102-0.1时间t/s-0.2-0.3-0.4L（b)1-1 监测面监测处顶端中心点速度时程曲线0.040.030.020.010-0.01-0.022610121416-0.03-0.04-0.05L下穿前下穿后（c)1-1 监测面监测处顶端中心点位移时程曲线图1 0河道1-1 监测处顶端中心点动力时程曲线图从图1 0 可以看出，反应时程的波形几乎不变，主要是反应量大小有所差异。2.4交叉部位局部损伤下穿前后，两结构交叉部位局部损伤百分比如图1 1、图1 2 所示。图中蓝线为下穿前地铁换乘通道（河道）局部损伤百分比，红线为下穿后对应百分比。64第3 8 卷CONSTRUCTiONSAFETY二程2023年第8 期桥梁与隧道二建筑实全90100012060806040150302001800020402103306080100240300270100806040200020406080100图1 1换乘通道局部损伤百分比变化90100r12060806040150302001800020402103306080100240300270100806040 2000 20 40 60 80100图1 2河道局部损伤百分比变化由图1 1 与图1 2 可以看出，在地铁下穿盖板河前，其本身在两结构交叉处的局部损伤最大为边墙部位，其值为2 4%，下穿盖板河之后最大值变为拱腰部位，其值为41%，增加了近一倍；而对于盖板河，在地铁下穿盖板河前，其本身在两结构交叉处的局部损伤最大为拱腰部位，其值为6 6%，下穿盖板河之后变为6 7%，基本上无影响。3结论本文以北京市地铁8 号线三期工程前门站换乘通道下穿盖板河为例，通过有限元软件，建立地层一土体结构三维实体模型，模拟地铁穿越盖板河的施工过程，分析探讨下穿前后通道位移变化，在地震动作用下的动力特性变化规律，在此过程中可以得到的主要结论如下：(1)由图6 可知，地铁下穿前后盖板河结构各点处相对水平位移峰值变化不大,均在0.45 cm左右；地铁区间结构各测点处相对水平位移峰值变化也不大，拱顶峰值均位0.34cm，说明下穿施工过程对两者在水平上的影响并不大。（2）双线地铁区间施工完毕后，河道中心的沉降槽曲线如图9 所示。最大沉降发生在两条隧道的对称面位置，达到8.5 7 mm，增大了近一倍。因此，地铁下穿的施工过程对于上层河道而言，引起了更大的地表沉降，在实际施工中，应对河道下侧一定范围的区间隧道周围土体进行注浆加固，这是控制地表沉降的有效方法。（3）下穿地铁的存在与否对上方河道的动力反应时程特性几乎无影响。(4)在地铁下穿盖板河前，其本身在两结构交叉处的局部损伤最大为边墙部位，其值为2 4%，下穿盖板河之后最大值变为拱腰部位，其值为41%，增加了近一倍。参考文献1孔繁帆，石岩，智超.多元监测系统在盾构隧道下穿既有运营地铁中的应用 J.价值工程，2 0 2 2,41(28):133-135.2冯飞雪.北京地铁1 7 号线东大桥站下穿临近既有6号线工程项目安全管理策略 J.建筑安全，2 0 2 2,37(10):78-81.3卢海宁.砂砾卵石地层地铁隧道密贴下穿既有换乘站施工技术 J.工程机械与维修,2 0 2 2（6）：8 2-8 5.4刘钢，邱丽丽.北京地铁1 3号线清河段拨线工程实例剖析 J.市政技术,2 0 2 1,39(4)：1 1 1-1 1 4.5谭忠盛，杨旸，薛君.土质地层公路隧道大断面快速施工技术研究 J.中国公路学报，2 0 2 1,34（9）：2 5 3-262.6谭忠盛，喻渝，王明年，等.大断面浅埋黄土隧道锚杆作用效果的试验研究 J.岩土力学,2 0 0 8,2 9（2)：491-495.7张新善，廖红建，张立.黄土地下隧道开挖对周围土体变形的影响分析 J.岩石力学与工程学报，2 0 0 4，23(S1):4333-4338.8柳磊.北京地铁1 1 号线冬奥支线的冬奥元素探讨J.城市轨道交通研究，2 0 2 2,2 5（1）：2 35-2 36.9李明，张骄，崔霆锐，等.北京地铁绿色低碳技术创新研究与应用 J.机车电传动，2 0 2 2，（3）：2 9-36.10北京地铁技术创新研究院揭牌成立 J.都市快轨交通.2 0 2 0(6):2 1.(本文收稿：2 0 2 2-1 1-2 4)