地鐵列車引起的振動對鄭州二七塔的影響

徐洪磊 何吉成 衷 平

(交通運輸部規劃研究院環境資源所，100028，北京∥第一作者，高級工程師)

地鐵交通在帶來出行便利的同時，也正成為新的振動源，地鐵對醫院、學校、居民住宅等環境敏感地段的振動影響及減振措施日益受到人們的關注［1－6］。當前，許多建設地鐵的城市本身也是國家歷史文化名城，市內分布著較多的需保護文物，部分城市的近現代重要史跡及紀念性建筑物還被列為國家重點文物保護單位。考慮到客流和線網的因素，一些地鐵線路不得不穿越或臨近一些文物保護單位。因此，分析評價地鐵列車振動對文物的影響并采取相應的預防措施十分必要。為防止包括地鐵在內的工業振源引起的地面振動對古建筑結構的危害，文獻［6］對古建筑結構的容許振動、動力特性等方面進行了研究，像北京、西安等古建筑較多的城市地鐵建設部門對古建筑的振動評估和防護也十分重視［7－11］。為了加強工業交通基礎設施布局和工業振動環境中古建筑的保護，2009年1月國家出臺了GB/T 50452—2008《古建筑防工業振動技術規范》［12］，并作為評估工業振動對古建筑結構影響的技術規范。文獻［13］基于該規范評估了京張城際鐵路隧道列車振動對水關長城的影響。但截至目前，應用該規范來評價地鐵列車振動對古建筑影響的研究報道還較為少見。鄭州二七紀念塔(簡稱二七塔)位于鄭州市區中心位置，考慮到客流、線位和換乘等因素，規劃建設的鄭州地鐵3號線1期在二七塔附近穿越。本研究以《古建筑防工業振動技術規范》為標準，對地鐵列車振動對二七塔的影響進行了預測和分析，為采取適當的減振措施來減弱地鐵列車對二七塔的振動影響提供依據，也為應用《古建筑防工業振動技術規范》來評價地鐵振動影響提供一個研究實例。

1 規劃中的地鐵3號線與二七塔的位置關系

1.1 規劃中的地鐵3號線簡介

規劃建設的鄭州地鐵3號線1期工程起于興隆鋪路站，止于博學路站，長20.0 km，均為地下線，共設車站17座(平均站間距為1.25 km)，其中換乘站6座。二七廣場站為換乘站，因其距火車站近的優勢，聚集了大量的區域級商貿市場，3號線建設可以加強二七廣場商務中心的區域輻射功能。

1.2 鄭州二七塔概況

二七塔位于鄭州市中心的二七廣場，是為紀念京漢鐵路工人大罷工而修建的紀念性建筑物，也是鄭州市標志性建筑景觀。它始建于1951年，為15 m高的木制紀念塔;1971年改建成現今的雙身并聯式鋼筋混凝土塔(見圖1)，塔高63 m，共14層，每層頂角為仿古挑角飛檐，綠色琉璃瓦覆頂。塔頂建有鐘樓，六面直徑2.7 m的大鐘，整點報時演奏樂曲，鐘樓上高矗一枚紅五星。二七大罷工影響了近現代中國工人運動的發展，二七紀念塔因此具有重要的紀念意義和教育意義，2006年被列為全國重點文物保護單位，成為我國最年輕的全國重點文物保護單位。

圖1 鄭州二七紀念塔實景

1.3 鄭州地鐵3號線路與二七塔的位置關系

規劃建設的鄭州地鐵3號線1期工程以地下線形式穿過二七塔臨近區域，通過埋深來減弱列車振動對二七塔的影響，線路距離塔基的水平距離約20 m左右。規劃中的鄭州地鐵3號線和二七塔的位置關系見圖2。

圖2 規劃中的鄭州地鐵3號線與二七塔的位置關系圖

2 研究方法

根據HJ 453—2008《環境影響評價技術導則—城市軌道交通》要求，文物保護目標的評價指標為振動速度。本文采用《古建筑防工業振動技術規范》來預測分析地鐵運營期間列車振動對二七塔的影響，以文物承重結構最高處的容許振動速度作為評價標準。需要說明的是，二七塔為鋼筋混凝土結構(其強度和抗振性均強于磚結構，故其容許振速應比磚結構大)，但在《古建筑防工業振動技術規范》中沒有針對這類結構的標準和規范，為求嚴格，現采用規范中的磚類古建筑標準。在該規范中，屬于全國重點文物保護單位的古建筑，其承重結構最高處容許振動速度為0.15～0.20 mm/s。由于目前地鐵線路還屬于規劃階段，具體埋深(即軌面至地面的豎直距離)尚未確定，因此分15 m、20 m和25 m三種地鐵線路埋深來預測地鐵列車的振動影響。

地鐵列車振動傳播的計算公式如下:

式中:

Vr——距振源中心水平距離r處的建筑物基礎地面水平向振動速度，mm/s;

V0——矩振源中心水平距離r0處的地面水平向振動速度，mm/s;

r0——振源半徑，m;

r——二七塔建筑物距振源中心的距離，20 m;

ξ0——與振源半徑有關的幾何衰減系數，地鐵沿線土類為粉質黏土時，當r＞H(地鐵埋深)時ξ0取 0.4，當 r≤H 時 ξ0取 0.8;

a0——土的能量吸收系數，s/m，按地鐵沿線粉質黏土的土質條件，取值為2.175×10－4s/m;

f0——地面振動頻率，Hz。

V0和f0通過建模插值來獲取，具體過程為:在《古建筑防工業振動技術規范》中，對地鐵這種振動源給出了10 m、50 m、100 m、200 m和400 m 5個水平距離下的地面水平向振動速度和地面振動頻率，通過擬合發現，V0、f0與r0呈明顯的負指數關系。V0與r0之間的負指數曲線模型為y=0.047 6+3.768 9/x(決定系數 R2=0.9761，概率值 p ＜0.01);f0與r0之間的負指數曲線模型為y=12.238 1+11.703 7/x(R2=0.9921，p ＜ 0.001)。先計算出 r0后，代入上述負指數曲線方程即可獲得不同r0處的V0、f0。

對r0的規定如下:

式中:

B——地鐵單線隧道內壁寬度，取4.0 m;

L——頭車長度，取19 m;

δr——隧道埋深影響系數，當 H/rm≥3.0 時 δr=1.50，當 H/rm=2.7 時 δr=1.40，當 H/rm≤2.5 時δr=1.30。

古建筑承重結構最大速度響應按式(3)計算:

式中:

Vmax——結構最大速度響應;

n——振型疊加數，取3;

γj——第 j階振型參與系數;

βj——第j階動力放大系數。

根據鄭州二七塔的層高、層寬、層數、底寬、總高等數據，γj和βj分別從《古建筑防工業振動技術規范》中的振型參與系數表和動力放大系數表選取，在本研究中，γ1、γ2、γ3分別為 1.753、－ 1.216、0.767，β1、β2、β3分別為 1、1、1.41。

3 研究結果與建議

地鐵列車沿軌道運行時，由于車輪與鋼軌的碰撞以及線路不平順等原因，使軌道結構產生振動。這種振動傳入大地后，引起大地振動波。當振動波到達建筑物基礎時就會誘發建筑物的二次振動。在本研究中地鐵列車振動傳播過程為:車輪振動→鋼軌→扣件→軌枕→道床→隧道襯砌結構→圍護地層→到達二七塔基部地面→引發二七塔承重結構振動。影響振動傳播的主要因素有:列車質量，運行速度，輪軌，扣件，道床，隧道等的結構。表1、表2分別為15 m、20 m和25 m 3種埋深條件下地鐵列車振動傳播的計算參數和對二七塔的振動影響。從表1中可知，3種埋深條件下地鐵列車振動傳播到二七塔地面的振動速度分別為0.379 mm/s、0.312 mm/s和0.260 mm/s。從表2中可知，地鐵振動引發的二七塔承重結構最大速度響應分別達到0.907 mm/s、0.747 mm/s 和 0.623 mm/s，均超過國家重點保護文物承重結構的容許振動速度，超標量分別為0.757 mm/s、0.597 mm/s 和 0.473 mm/s。為確保二七塔建筑結構的安全，必須采取相應的減振措施來減弱地鐵列車振動對其結構的影響。

表1 不同埋深的地鐵列車振動計算參數

表2 不同埋深的地鐵列車振動對二七塔的振動影響

根據地鐵振動的產生機理，可在車輛類型、線路條件、軌道結構等方面進行減振設計，來降低輪軌撞擊產生的振動源強度值，從而減輕地鐵振動的影響。如采用長鋼軌和打磨鋼軌來增加平順度、運用防振型鋼軌等［4］。對軌道結構采取振動控制措施是目前軌道交通振動控制的主流方向。我國地鐵既有的振動控制措施主要有:采用彈性扣件、軌道減振器、浮置板道床等。其中浮置板道床減振效果最佳［14］，有研究表明在50 m范圍內浮置板減振效果十分明顯［15］。浮置板道床結構一般由鋼筋混凝土浮置板、彈性支座、混凝土底座及配套扣件等組成。該結構是用扣件把鋼軌固定在鋼筋混凝土浮置板上，浮置板置于可調的彈性支座上，浮置板兩側用彈性材料固定，形成一種質量－彈簧隔振系統［3］。

在采用浮置板道床的減振措施中，鋼彈簧浮置板是現行輪軌接觸式軌道交通中最先進的減振措施。從國外已采取鋼彈簧浮置板道床的地鐵運營情況看，被保護建筑均未受地鐵列車運營所產生振動的影響［16］。文獻［9］用三維動力有限元數值模擬表明，采用鋼彈簧浮置板減振后，列車振動引起的西安鐘樓地基振動速度可明顯減少，減少量達到87.25%。因此，建議鄭州地鐵3號線1期工程在建設過程中，在二七塔臨近區域采用不低于25m的埋深并設置鋼彈簧浮置板道床，以確保二七塔的結構安全。

本研究只是基于《古建筑防工業振動技術規范》對地鐵振動影響進行的初步分析。振動在土壤介質中的傳播規律非常復雜，與振源、地質條件等諸多因素有關，由于鄭州目前尚無運營的地鐵，沒有振動的實測數據進行測定和類比，因此難于對地鐵運營期間引發二七塔的振動速度進行準確的預測。為確保二七塔建筑結構的安全，建議在地鐵運營期及施工期應加強對二七塔振動響應的跟蹤監測，如發現問題，應及時采取措施(如設置減振隔離樁)加以解決。

4 結語

本文采用《古建筑防工業振動技術規范》中給出的計算方法，預測分析了15 m、20 m和25 m 3種埋深下地鐵列車振動對二七塔的影響。預測結果表明，3種埋深條件下地鐵振動引發的二七塔承重結構最大速度響應分別達到 0.907 mm/s、0.747 mm/s 和 0.623 mm/s，已超過國家重點保護文物承重結構的容許振動速度。為確保二七塔建筑結構的安全，建議鄭州地鐵3號線1期工程在建設過程中，在二七塔臨近區域采用不淺于25 m的埋深并設置鋼彈簧浮置板道床。建議在地鐵運營期及施工期加強對二七塔振動響應的跟蹤監測，如發現問題，應及時采取安全措施。

［1］ 韓義濤.城市軌道交通減振降噪分析及工程措施［J］.鐵道工程學報，2010(2):85.

［2］ 宋晶，郝珺.地鐵車站對周圍環境振動與噪聲的影響分析及對策［J］.城市軌道交通研究，2008(3):26.

［3］ 郝珺，耿傳智，朱劍月.不同軌道結構減振效果測試分析［J］.城市軌道交通研究，2008(4):68.

［4］ 溫玉君.城市軌道交通系統的減振降噪措施［J］.城市軌道交通研究，2005(6):77.

［5］ 趙重芳，雷曉燕.軌道交通輪軌橫向振動噪聲分析［J］.城市軌道交通研究，2005(4):31.

［6］ 李杰.盾構穿越粉砂地質層時的地表沉降分析及控制措施［J］.城市軌道交通研究，2010(4):50.

［7］ 潘復蘭.古建筑防工業振動的研究［J］.文物保護與考古科學，2008，20(增刊):104.

［8］ 賈穎絢，郭猛，劉維寧，等.列車振動荷載對古建筑的動力影響［J］.北京交通大學學報，2009，33(1):118.

［9］ 馬蒙，劉維寧，丁德云.地鐵列車引起的振動對西安鐘樓的影響［J］.北京交通大學學報，2010，34(4):88.

［10］ 陳愛俠，董小林，楊莉.城市地鐵項目建設對古建筑的影響［J］.建筑科學與工程學報，2007，24(1):80.

［11］ 錢春宇，鄭建國，宋春雨.西安鐘樓臺基受地鐵運行振動響應的分析［J］.世界地震工程，2010，26(增刊):177.

［12］ GB/T 50452—2008古建筑防工業振動技術規范［S］.

［13］ 何吉成.京張城際鐵路隧道列車對水關長城的振動影響［J］.路基工程，2010(6):31.

［14］ 辜小安，任京芳，劉揚，等.我國地鐵環境振動現狀及控制措施［J］.鐵道勞動安全衛生與環保，2003，30(5):206.

［15］ 耿傳智，廖志軍.地鐵振動衰減特性研究［J］.同濟大學學報:自然科學版，2009，37(3):344.

［16］ 孫曉靜，劉維寧，張寶才.浮置板軌道結構在城市軌道交通減振降噪上的應用［J］.中國安全科學學報，2005，15(8):65.