隧道內(nèi)列車振動(dòng)對(duì)近接建筑物的影響分析

付兵先 馬偉斌 鄒文浩 許學(xué)良

中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081

列車通過(guò)下穿隧道時(shí)引起的振動(dòng)波會(huì)對(duì)地面建筑物產(chǎn)生不同程度的影響。Fujikake、吉岡修［1-2］掌握了日本新干線列車誘發(fā)的地面不同位置處的振動(dòng)加速度及頻率特性。Jakobsen［3］明確了不同類型場(chǎng)地土的振動(dòng)衰減規(guī)律。劉騰等［4］獲取了與軌道不同距離處地面的加速度幅值，得出了功率譜、Z振級(jí)和1/3倍頻結(jié)果。邵鳴和等［5］闡述了軟土地區(qū)運(yùn)營(yíng)鐵路無(wú)砟軌道路基段的地面振動(dòng)規(guī)律。李志毅等［6］通過(guò)實(shí)測(cè)分析了運(yùn)營(yíng)鐵路誘發(fā)環(huán)境振動(dòng)在頻域內(nèi)的傳播規(guī)律和分布特點(diǎn)。毛昆明等［7］明確了列車振動(dòng)對(duì)高架橋與路基段的影響規(guī)律。姚錦寶等［8］得出了3類接觸狀態(tài)下貨車引起土體及建筑物的振動(dòng)大于客車引起的振動(dòng)。章東強(qiáng)等［9］認(rèn)為在進(jìn)行環(huán)境振動(dòng)評(píng)價(jià)時(shí)，須考慮水平風(fēng)荷載的影響。夏禾等［10］認(rèn)為列車振動(dòng)對(duì)多層建筑物影響較大，尤其是大軸重的列車振動(dòng)。姚錦寶等［11］提出考慮土-建筑物彈性作用時(shí)建筑物樓層的動(dòng)力響應(yīng)峰值比不考慮時(shí)低5～10 dB，且建筑物各樓層的峰值振動(dòng)強(qiáng)度總體上隨樓層增加呈現(xiàn)單調(diào)遞增的趨勢(shì)。王逢朝等［12］認(rèn)為列車所引起的地面振動(dòng)以5 Hz以下的低頻為主，且對(duì)低層建筑物影響較大。

目前，對(duì)列車振動(dòng)影響的研究大多集中在列車通過(guò)路基段引發(fā)的建筑物振動(dòng)問(wèn)題，對(duì)于運(yùn)營(yíng)高速列車通過(guò)隧道時(shí)引發(fā)近接建筑物振動(dòng)問(wèn)題的研究較少。本文針對(duì)某運(yùn)營(yíng)高速鐵路隧道近接建筑物的振動(dòng)特性開(kāi)展試驗(yàn)與理論研究，基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬分析運(yùn)營(yíng)高速列車振動(dòng)對(duì)近接地面建筑物的影響。

1 工程概況

某住宅小區(qū)擬建場(chǎng)地原為林地和耕地，局部為拆遷場(chǎng)地，地形局部高差較大，地勢(shì)由西北向東南呈階梯狀逐步升高。擬建場(chǎng)地與隧道的位置關(guān)系見(jiàn)圖1。東南側(cè)下方有已開(kāi)通的高速鐵路隧道，隧道中線與建筑物紅線的水平距離最小為48.6 m，隧道頂部與地面的距離約50.0 m。經(jīng)由該場(chǎng)地下方鐵路線路每天行車約52對(duì)，運(yùn)營(yíng)時(shí)間07：00至22：00，列車間隔9 min。

圖1 擬建場(chǎng)地與隧道的位置關(guān)系（單位：m）

2 運(yùn)營(yíng)列車引起的地面振動(dòng)特性測(cè)試

2.1 測(cè)試方案

為了確定列車振動(dòng)對(duì)后期建筑物基礎(chǔ)以及人體舒適度的影響，對(duì)建筑物紅線范圍地面的振動(dòng)特性進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試內(nèi)容為多層建筑區(qū)靠近軌道一側(cè)建筑物地面鉛垂向振動(dòng)加速度。主體結(jié)構(gòu)建成前測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖2。測(cè)點(diǎn)與右側(cè)建筑物紅線的距離最小為5.0 m，與右側(cè)隧道中線的距離最小為53.6 m。

圖2 主體結(jié)構(gòu)建成前測(cè)點(diǎn)布置（單位：m）

2.2 測(cè)試數(shù)據(jù)處理

為了分析列車振動(dòng)對(duì)近接建筑物與人體的影響，對(duì)所測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行功率譜分析、Z振級(jí)分析和1/3倍頻程分析。其中，振動(dòng)加速度級(jí)VAL計(jì)算式［13-14］為

式中：VAL為振動(dòng)加速度級(jí)，dB；a為列車通過(guò)時(shí)的振動(dòng)加速度有效值，m/s2；a0為基準(zhǔn)加速度，取10-6m/s2。

為保證振動(dòng)加速度時(shí)域和頻域分析的準(zhǔn)確性和真實(shí)性，測(cè)試數(shù)據(jù)處理時(shí)消除系統(tǒng)誤差，舍棄因過(guò)失誤差產(chǎn)生的可疑數(shù)據(jù)，對(duì)時(shí)域波形進(jìn)行預(yù)檢，去掉奇異項(xiàng)、修正零線飄移、趨勢(shì)項(xiàng)等誤差。

2.3 測(cè)試結(jié)果

2.3.1 功率譜分析

列車以速度300 km/h通過(guò)隧道時(shí)，2#測(cè)點(diǎn)地面豎向振動(dòng)加速度曲線見(jiàn)圖3。可知，在距離軌道中線53.6 m處，地面豎向振動(dòng)主頻白天集中在33.0 Hz左右，夜間集中在42.7 Hz左右，夜間的主頻比白天大。

圖3 功率譜分析

2.3.2 Z振級(jí)分析

根據(jù)文獻(xiàn)［13-14］，城市軌道交通引起的環(huán)境振動(dòng)基本評(píng)價(jià)量為列車通過(guò)時(shí)的鉛垂向VLZmax，即Z振級(jí)。列車以速度300 km/h通過(guò)隧道時(shí)，2#測(cè)點(diǎn)Z振級(jí)分布見(jiàn)圖4。可知，2#測(cè)點(diǎn)Z振級(jí)先波動(dòng)式上升，再平緩波動(dòng)，后波動(dòng)式下降；在距離隧道中線53.6 m處地面的振動(dòng)加速度級(jí)主要集中在20～80 dB。

圖4 2#測(cè)點(diǎn)Z振級(jí)分布

列車以速度300 km/h通過(guò)隧道時(shí)，地面各測(cè)點(diǎn)Z振級(jí)分布見(jiàn)圖5?？芍孛娓鳒y(cè)點(diǎn)處Z振級(jí)總體趨勢(shì)是先波動(dòng)式上升，再平緩波動(dòng)，后逐漸波動(dòng)式下降；距離隧道中線53.6 m處地面的4個(gè)測(cè)點(diǎn)Z振級(jí)白天主要集中在50～62 dB，夜間主要集中在52～60 dB。

圖5 各測(cè)點(diǎn)Z振級(jí)分析

2.3.3 1/3倍頻程分析

文獻(xiàn)［14］中城市軌道交通引起的環(huán)境振動(dòng)基本評(píng)價(jià)量為建筑物室內(nèi)4～200 Hz分頻振級(jí)VLmax值。分頻振級(jí)按規(guī)定的1/3倍頻程中心頻率Z計(jì)權(quán)因子進(jìn)行修正后得到。采用的評(píng)價(jià)量為1/3倍頻程中心頻率上的最大振動(dòng)加速度級(jí)，簡(jiǎn)稱分頻最大振級(jí)。

不同測(cè)點(diǎn)處1/3倍頻程見(jiàn)圖6?？芍?，運(yùn)營(yíng)列車以300 km/h通過(guò)隧道時(shí)，引起距軌道中線53.6 m處地面各測(cè)點(diǎn)分頻最大振級(jí)白天在48.4～60.8 dB，夜間在47.4～59.4 dB。

圖6 1/3倍頻程分析

2.3.4 基礎(chǔ)處振動(dòng)速度峰值分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果，各測(cè)點(diǎn)基礎(chǔ)處振動(dòng)速度峰值見(jiàn)圖7?？芍夯A(chǔ)處振動(dòng)速度峰值的基本趨勢(shì)是先緩慢上升，達(dá)到最大值后逐漸降低，然后逐漸再次達(dá)到最大，整體呈波浪形分布；1～10 Hz范圍內(nèi)地面測(cè)點(diǎn)的速度峰值在0.010～0.030 mm/s，50 Hz時(shí)速度峰值在0.020～0.045 mm/s，100 Hz時(shí)速度峰值在0.005～0.020 mm/s；總體上基礎(chǔ)處振動(dòng)速度峰值較小，列車振動(dòng)產(chǎn)生的地面振動(dòng)對(duì)建筑物的影響較小。

圖7 基礎(chǔ)處振動(dòng)速度峰值

3 運(yùn)營(yíng)列車振動(dòng)特性數(shù)值模擬分析

3.1 計(jì)算模型

受測(cè)試條件限制，只對(duì)某一棟高層建筑物進(jìn)行了實(shí)測(cè)，對(duì)其他近接建筑物的評(píng)價(jià)主要依據(jù)數(shù)值模擬。因此，須結(jié)合實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證數(shù)值模型（圖8）的可靠性。為簡(jiǎn)化分析，不進(jìn)行初始應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算。軌道板、支撐層、襯砌、填充層圍巖等采用實(shí)體solid45單元模擬，60 kg/m鋼軌采用beam188梁?jiǎn)卧M，扣件采用combin14單元模擬。模型共劃分65342個(gè)單元。

圖8 數(shù)值模型

3.2 計(jì)算參數(shù)

計(jì)算范圍：縱向長(zhǎng)度取洞口段50 m；橫向自隧道軸線起向兩側(cè)各取10倍洞徑寬度；豎向向上取到地面，向下取至距離隧道中心10倍洞徑處。

邊界條件：動(dòng)力場(chǎng)計(jì)算采用黏滯邊界以消除應(yīng)力波反射引起的誤差。

材料模型：圍巖體采用彈塑性D?P本構(gòu)模型，襯砌、支撐層、軌道板等采用線彈性本構(gòu)模型。主要物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)前期勘察資料取定，具體見(jiàn)表1。

表1 材料主要物理力學(xué)參數(shù)

進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算時(shí)須確定結(jié)構(gòu)的阻尼比系數(shù)α、β及時(shí)間步長(zhǎng)?t等參數(shù)。阻尼比系數(shù)的計(jì)算式為

式中：εk為阻尼比，土體的阻尼比一般在0.01～0.03，計(jì)算中取0.02；ωi、ωj為任意兩階頻率，Hz。

根據(jù)模態(tài)分析得到的任意兩階頻率ωi和ωj，確定α=0.35，β=0.001，?t=0.004 s。

3.3 計(jì)算結(jié)果

對(duì)動(dòng)車組以300 km/h的速度通過(guò)隧道時(shí)地面的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算分析。

3.3.1 功率譜分析

距離隧道中線53.6 m處地面測(cè)點(diǎn)的功率譜見(jiàn)圖9?？芍?，當(dāng)列車通過(guò)隧道時(shí)，與軌道中心線水平距離53.6 m處地面振動(dòng)的主頻主要集中在36 Hz左右，這與實(shí)測(cè)值較為接近。

圖9 功率譜分析

3.3.2 Z振級(jí)

距離隧道中線53.6 m地面處測(cè)點(diǎn)的Z振級(jí)見(jiàn)圖10?？芍?，距離隧道中線53.6 m地面處Z振級(jí)總的變化趨勢(shì)是先波動(dòng)式上升，再平緩波動(dòng)下降，后逐漸波動(dòng)式上升，Z振級(jí)主要集中在10～80 dB。

圖10 Z振級(jí)分析

3.3.3 基礎(chǔ)振動(dòng)速度峰值分析

距離隧道中線53.6 m地面基礎(chǔ)處振動(dòng)速度時(shí)程曲線見(jiàn)圖11?？芍?，地面測(cè)點(diǎn)的速度峰值在-0.210～0.210 mm/s，總體較小，對(duì)建筑物基礎(chǔ)的影響也較小。

圖11 基礎(chǔ)處振動(dòng)速度時(shí)程曲線

4 振動(dòng)噪聲特性評(píng)價(jià)

4.1 對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)的影響評(píng)價(jià)

文獻(xiàn)［15］規(guī)定了建筑結(jié)構(gòu)在時(shí)域范圍內(nèi)的容許振動(dòng)值，見(jiàn)表2。經(jīng)驗(yàn)表明，若不超過(guò)限值，建筑物則不會(huì)發(fā)生損壞?；A(chǔ)處振動(dòng)速度有限元計(jì)算值為0.210 mm/s，實(shí)測(cè)值為0.045 mm/s，二者相差較大。原因是有限元計(jì)算中地層為彈性體，實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)地層為多孔散體結(jié)構(gòu)，基本為黏彈性體，對(duì)振動(dòng)波有較大的吸收作用，從而降低了結(jié)構(gòu)的振動(dòng)效應(yīng)。根據(jù)文獻(xiàn)［15］，鉛垂向振動(dòng)速度峰值的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，運(yùn)營(yíng)列車不會(huì)影響該建筑區(qū)的建筑結(jié)構(gòu)安全。

表2 基礎(chǔ)施工對(duì)建筑結(jié)構(gòu)影響在時(shí)域范圍內(nèi)的容許振動(dòng)值

4.2 對(duì)人體舒適度的影響評(píng)價(jià)

文獻(xiàn)［13-14］規(guī)定了建筑物外各種振動(dòng)源對(duì)建筑物容許振動(dòng)限值的評(píng)價(jià)，見(jiàn)表3。軌道交通引起的環(huán)境振動(dòng)基本評(píng)價(jià)量為列車通過(guò)時(shí)的鉛垂向VLZmax（按文獻(xiàn)［16］規(guī)定的全身振動(dòng)Z計(jì)權(quán)因子計(jì)算）。鉛垂向VLZmax有限元計(jì)算值為80 dB，實(shí)測(cè)值為75 dB，誤差在10%以內(nèi)，且列車引起的振動(dòng)噪聲均滿足文獻(xiàn)［13-14］的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，總體對(duì)人體舒適度影響較小。

表3 城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)限值 dB

5 結(jié)論

1）在距軌道中心線水平距離53.6 m處地面各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)主頻白天集中在33.0 Hz左右，夜間集中在42.7 Hz左右，夜間的主頻比白天大。

2）運(yùn)營(yíng)列車以300 km/h通過(guò)隧道時(shí)，各測(cè)點(diǎn)處Z振級(jí)總體趨勢(shì)是先波動(dòng)式上升，再平緩波動(dòng)，后逐漸波動(dòng)式下降；在距離隧道中線53.6 m處地面各測(cè)點(diǎn)Z振級(jí)白天主要集中在50～62 dB，夜間主要集中在52～60 dB；分頻最大振級(jí)白天位于48.4～60.8 dB，夜間位于47.4～59.4 dB，均小于規(guī)范限值。

3）運(yùn)營(yíng)列車以300 km/h通過(guò)隧道時(shí)，基礎(chǔ)處振動(dòng)速度峰值整體呈波浪形分布，振動(dòng)速度的最大值為0.045 mm/s，小于規(guī)范限值。列車振動(dòng)產(chǎn)生的地面振動(dòng)對(duì)建筑物基礎(chǔ)的影響較小。另外，列車產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲不會(huì)對(duì)人體舒適度產(chǎn)生較大影響。

4）在缺乏大量實(shí)測(cè)結(jié)果的條件下，結(jié)合小樣本實(shí)測(cè)結(jié)果，采用有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行振動(dòng)響應(yīng)評(píng)價(jià)具有一定的可行性。