地鐵振動(dòng)對(duì)某附建式變電站的振動(dòng)影響分析

江瑩

摘 要：近年城市建設(shè)快速發(fā)展，城市用地日趨緊張，變電站新型建設(shè)模式隨之出現(xiàn)——建于民用建筑中的附建式變電站。同時(shí)，隨著地鐵線路遍布城市，對(duì)地鐵上部空間進(jìn)行的物業(yè)開發(fā)也日益增多。地鐵的振動(dòng)將對(duì)地鐵上蓋物業(yè)產(chǎn)生影響，而變電站工程對(duì)振動(dòng)更為敏感。本文針對(duì)一座建于地鐵隧道之上的附建式變電站工程進(jìn)行了振動(dòng)影響分析。

關(guān)鍵詞：

1 工程概況

220kV桂灣三變電站位于廣東省深圳市前海自貿(mào)區(qū)，為附建式變電站，設(shè)于前海控股大廈二期3棟地下一層至地上五層內(nèi)。前?？毓纱髲B二期3棟高44.5m，地上9層，為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，采用灌注樁基礎(chǔ)。已經(jīng)建成運(yùn)行的深圳地鐵11號(hào)線地鐵隧道從變電站場(chǎng)地下方穿過。

地鐵列車運(yùn)行將對(duì)周邊土體產(chǎn)生振動(dòng)，經(jīng)由隧道-土體-建筑物途徑可傳遞給周邊建筑物，引起建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)。對(duì)變電站而言，振動(dòng)除了可能破壞建筑物外，還可能影響變電站設(shè)備的正常運(yùn)作以及運(yùn)行人員舒適度。本文通過開展振動(dòng)相關(guān)測(cè)試與預(yù)測(cè)分析工作，針對(duì)地鐵對(duì)變電站工程產(chǎn)生的振動(dòng)影響進(jìn)行了分析。

2 變電站振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)

2.1 變電站設(shè)備限值

VC標(biāo)準(zhǔn)于1993年由美國(guó)環(huán)境科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)確認(rèn)，稱為IEST標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)對(duì)精密設(shè)備及儀器容許動(dòng)值的確定，幾乎都采用IEST標(biāo)準(zhǔn)。其中VC-A用于放大倍率低于400的光學(xué)顯微鏡、精密天平、光學(xué)天平等場(chǎng)景，將其作為變電站控制標(biāo)準(zhǔn)有一定的參考性。

綜合分析，可采用VC-A作為變電站各設(shè)備的振動(dòng)速度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，8-100Hz分頻振動(dòng)速度有效值不超過0.05mm，同時(shí)采用動(dòng)力基礎(chǔ)設(shè)備中的最嚴(yán)格要求——振動(dòng)速度峰值不超過3mm/s且振動(dòng)位移不超過0.02mm作為變電站設(shè)備的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)

適用的國(guó)內(nèi)環(huán)境振動(dòng)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)有《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》（GB10070-88）和《城市軌道交通引起建筑物振動(dòng)與二次輻射噪聲限值及其測(cè)量方法標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T170-2009）。

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)以及《前海合作區(qū)軌道交通穿越地塊降噪減振技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)于最大Z振級(jí)及分頻最大振級(jí)均按較為嚴(yán)格的夜間72dB進(jìn)行控制。

3 地鐵振動(dòng)測(cè)試

本工程通過現(xiàn)場(chǎng)在線測(cè)試，對(duì)地鐵振源以及地表振動(dòng)進(jìn)行在線采樣，評(píng)估地鐵振源的振動(dòng)以及地鐵正常運(yùn)營(yíng)情況下當(dāng)前地表環(huán)境的振動(dòng)響應(yīng)，收集地鐵運(yùn)行對(duì)變電站振動(dòng)的輸入量值及數(shù)值仿真所需的振動(dòng)輸入?yún)?shù)，為后續(xù)振動(dòng)預(yù)測(cè)分析提供數(shù)據(jù)支撐。

測(cè)試內(nèi)容為振源振動(dòng)測(cè)試：檢測(cè)地鐵正常運(yùn)行時(shí)鋼軌、道床、隧道壁的振動(dòng)加速度以及地表振動(dòng)測(cè)試：檢測(cè)地鐵正常運(yùn)行時(shí)線路上方地表不同位置的振動(dòng)加速度。

3.1 振源測(cè)試

振源測(cè)試時(shí)，對(duì)變電站下方的11號(hào)線左線及右線地鐵隧道分別選取了鋼軌、道床以及隧道壁等不同軌道位置開展振動(dòng)加速度測(cè)試。

列車通過測(cè)試斷面時(shí)間約為6s，地鐵振源振動(dòng)加速度水平小于《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50260-2013 中電氣設(shè)施耐受0.1g振動(dòng)加速度要求。

左線兩根鋼軌振動(dòng)頻譜特性基本一致，低于100Hz頻段振動(dòng)能量較小，能量主要集中在高于400Hz頻段。鋼軌Z振級(jí)最大值約120dB，道床的Z振級(jí)最大值約107dB，隧道壁Z振級(jí)最大值約71dB，振動(dòng)量值從鋼軌、道床、隧道壁逐漸衰減。

右線與左線的分析結(jié)果類似。左線隧道壁最大Z振級(jí)均小于右線，平均值較右線小5.1dB。這與道床類型有關(guān)，根據(jù)地鐵11號(hào)線線路設(shè)計(jì)資料，左線鋪設(shè)了減振墊道床，而右線為雙層非線性減振扣件整體道床，使得左線的振動(dòng)明顯小于右線。

3.2 地表測(cè)試

左線列車通過時(shí)，左線上方測(cè)點(diǎn)最大值約為0.006m/s2，右線上方測(cè)點(diǎn)最大值為0.009m/s2，兩線中間測(cè)點(diǎn)最大值為0.012m/s2，距右線5m遠(yuǎn)測(cè)點(diǎn)最大值為0.006m/s2，距右線10m遠(yuǎn)測(cè)點(diǎn)最大值為0.0045m/s2，距右線15m遠(yuǎn)測(cè)點(diǎn)最大值為0.005m/s2。左線地鐵振動(dòng)傳遞至地表后，其主要振動(dòng)能量均位于125Hz以下頻段，高頻振動(dòng)經(jīng)過土體的衰減作用明顯降低。地表測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)能量峰值均位于20～100Hz頻段，分頻最大振級(jí)均小于60dB。隨著距振源中心水平距離的增加，地表振動(dòng)量值減小，但在距離振源中心地表10～15m區(qū)域Z振級(jí)稍有反彈，這是因?yàn)榫嚯x振源一定范圍存在振動(dòng)反彈區(qū)。

右線列車通過時(shí)與左線列車類似。列車通過時(shí)，地表各測(cè)點(diǎn)最大Z振級(jí)平均值均不超過72dB?？芍缶€列車通過時(shí)地表各個(gè)測(cè)點(diǎn)的最大Z振級(jí)均小于右線列車通過時(shí)的測(cè)試結(jié)果，左線采用的減振墊道床起到了良好的減振效果。

4 變電站振動(dòng)預(yù)測(cè)

4.1 建立模型

為評(píng)價(jià)地鐵運(yùn)行對(duì)變電站的振動(dòng)影響，可建立三維有限元模型進(jìn)行計(jì)算。模型包括荷載、土層調(diào)參有限元模型，軌道-土層-建筑物有限元模型，軌道-土層-建筑物-變電站有限元模型，軌道-土層-建筑物-變電站減振措施-變電站有限元模型等。根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果校核計(jì)算模型，將實(shí)測(cè)振源數(shù)定荷載作為輸入，計(jì)算變電站所在地下結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)，對(duì)變電站建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

220kV桂灣三變電站的預(yù)測(cè)模型如下：

4.2 工況選取

在預(yù)測(cè)分析時(shí)，優(yōu)先考慮最不利工況進(jìn)行振動(dòng)預(yù)測(cè)。220kV桂灣三變電站現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果可知，右線列車引起的振動(dòng)較大，左線列車引起的振動(dòng)較小，故單線列車通過時(shí)僅考慮右線即可。

對(duì)比分析以下兩種荷載工況下的振動(dòng)響應(yīng)：

（1） 右線列車通過;

（2）雙線列車交匯通過。

4.3 計(jì)算結(jié)果

振動(dòng)速度有效值分析計(jì)算結(jié)果表明，各種計(jì)算工況下，8-80Hz各分頻振動(dòng)速度有效值均小于VC-A分頻限值50μm/s的要求。各拾振點(diǎn)振動(dòng)速度滿足根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《隔振設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50463-2008以及《建筑工程容許振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》GB50868-2013提出的振動(dòng)速度峰值不超過3mm/s的限值要求。分頻振動(dòng)速度有效值滿足VC-A的限值要求。各層數(shù)據(jù)均未發(fā)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)與變壓器存在共振現(xiàn)象。拾振點(diǎn)靠近建筑結(jié)構(gòu)樓蓋板中部時(shí)的振動(dòng)量值較大，靠近梁柱位置的拾振點(diǎn)振動(dòng)量值相對(duì)較小。

振動(dòng)位移分析計(jì)算結(jié)果表明，各拾振點(diǎn)振動(dòng)位移滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《隔振設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50463-2008以及《建筑工程容許振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》GB50868-2013中最嚴(yán)格振動(dòng)位移不大于20μm的限值要求。

220kV桂灣三變電站的分析結(jié)果表明，變電站變壓器與二次設(shè)備工作環(huán)境振動(dòng)滿足參考標(biāo)準(zhǔn)的要求，地鐵運(yùn)行引起的建筑內(nèi)振動(dòng)響應(yīng)不會(huì)影響變電站的正常工作。

變壓器在其基頻（5Hz或10.5Hz）附近存在較大的能量集中，此頻段振動(dòng)在傳遞到樓板的過程中出現(xiàn)明顯的衰減，說明樓板自振頻率未與變壓器基頻耦合，變壓器振動(dòng)未引起樓板的共振;地鐵運(yùn)行引起的220kV桂灣三變電站建筑物內(nèi)振動(dòng)主要頻段為30～60Hz，此頻段振動(dòng)不會(huì)引起基頻為10Hz及以下的變壓器共振。

5 結(jié)論

通過確定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、采集地鐵振動(dòng)數(shù)據(jù)、建立模型進(jìn)行振動(dòng)分析，本文針對(duì)建于地鐵隧道之上的附建式變電站工程進(jìn)行了振動(dòng)影響分析。分析結(jié)果表明，地鐵運(yùn)行引起的建筑內(nèi)振動(dòng)響應(yīng)不會(huì)影響變電站的正常工作。

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