城市軌道交通列車誘發周圍環境振動影響分析

趙 欣

（湖南交通職業技術學院路橋工程學院，410132，長沙∥講師，碩士研究生）

正確合理地預測城市軌道交通運行時引發周圍的環境振動，對于指導城市軌道交通線路設計及采取合理減振降噪措施有著十分重要的意義。為此，國內外學者開展了廣泛的研究［1－6］。本文依托實際工程，計算3處典型敏感場地的加速度Z 振級與離隧道中心水平距離的衰減曲線，并通過與薄層法計算結果對比驗證其正確性。在此基礎上，針對隧道上部存在建筑物、建筑物不同高度位置、建筑物距離隧道遠近等工況，分析列車振動的影響，為類似工程提供理論依據。

1 工程概況

某市軌道交通1號線一期工程，線路全長約22.397 km，其中地下線15.067 km，高架線5.98 km。列車為B 型車，6 節編組，最高運行速度80 km／h。根據噪聲源影響特點，高架段線路列車運行噪聲對外環境影響較大；地下區段因列車運行振動產生的二次結構噪聲對線路正上方的敏感建筑物也將產生較大影響。

2 數值計算

2.1 模型建立及參數確定

由于隧道結構和地層土層性質沿城市軌道交通區間長度方向的相似性可以簡化為平面應變問題，采用通用有限元軟件Anasys建立典型敏感場地的隧道－土層整體二維平面模型（見圖1），進行列車運行激勵下的振動反應計算。

當進行土層振動反應分析時，需將土層水平兩側邊界無限遠邊界有限化，即在土層兩側需設置豎向人工邊界對傳來的波起著完全反射的作用，既不傳播也不吸收任何能量。考慮到土介質的阻尼性質，一般要求豎向人工邊界設置在距離近場區5倍土層深度的遠處［7］。因此，首先確定土層的合理計算范圍，即土層計算模型的寬度B及深度H的取值。

地下段隧道埋深為10 m，外直徑為6 m，計算中采用表1 中土層參數。隧道混凝土襯砌厚度為0.35 m，隧道管片結構參數如表2所示。根據對稱性取半結構，建立隧道管片土體二維模型（如圖1所示）。根據城市軌道交通列車動載荷的方法［8］及某市軌道交通B 型列車性質參數［9］，選取幅值為1 000 N的正弦荷載沿豎向作用于隧道仰拱，水平方向的網格在離隧道中心25 m 以內滿足λs／16，25 m以外滿足λs／8，豎直方向的網格滿足λs／8。其中，λs＝Vs／f，Vs為該土層的剪切波速，f為振源的頻率。

圖1 隧道－土體二維模型

表1 典型土層土體振動參數

表2 隧道管片結構參數表

（1）B／H 比值的確定：由于3 處典型土層到基巖的深度在100 m 左右，模型的深度為到基巖深度，即模型的深度H＝100 m。改變寬度B值，同時，列車引起的環境振動中的主要頻率一般為40～80 Hz，在振源頻率分別為 80 Hz、40 Hz、20 Hz和土層基頻時，對比地表點的豎向加速度幅值，從而確定模型所需的B／H比值。計算結果分別如圖2所示。

由圖2可知：在高頻波激勵下，3種B／H比值下的計算結果是相同的在土層基頻共振波激勵下B／H＝4和B／H＝5對應的計算結果已相當接近?？紤]到城市軌道交通近場的振動波以40～80 Hz為主，取模型的范圍為B／H＝4。

（2）深度H的確定：以B＝400 m，H＝100 m為基準，邊界條件、隧道尺寸及荷載等其他參數不變，減小改變土層的深度，比較不同情況下地表點加速度響應的幅值，討論模型的計算深度H對列車振動分析結果的影響。其計算結果如圖3所示。

圖2 不同正弦激勵下H＝100 m 的3種B／H 比值地面點的響應幅值比較

圖3 不同正弦激勵下H 變化時地面點的響應幅值比較

由圖3可以看出：計算結果對深度H的變化更敏感。故為了減少計算深度H對計算結果的影響，H取為地表到基巖的深度。

2.2 數值計算

分別對3處典型敏感場地進行計算。三處典型敏感場地土層參見文獻［9］；振源荷載采用實測到的軌道力時程，其采樣頻率為200 Hz，道床上振源的計權加速度Z 振級為80 dB，以此調整計算軌道力的時程。采用調整后的振源力荷載，計算計權加速度Z 振級與離隧道中心水平距離的衰減曲線，并與GB10070－1988《城市區域環境振動標準》中規定的居民、文教區夜間的振動限值標準（67 dB［10］）進行對比，如圖4所示。

圖4 3個場地Z 振級與離隧道中心水平距離的關系曲線

2.3 計算驗證

采用薄層法［11］對3 處典型場地的振級距離衰減規律進行計算。3處典型敏感場地的振級距離衰減計算結果平均值與GB10070－1988中的規定值對比見圖5所示。

圖5 3處典型場地振級距離衰減對比（埋深10 m）

對比圖4與圖5可知：采用有限元法與用薄層法，在距離隧道中心線15 m 范圍內振級變化基本相同；軌道交通沿線在一定區段范圍內需采取軌道減振措施。驗證了本文數值計算的正確性。

3 列車誘發周圍環境振動影響

3.1 上部結構與自由場地的對比

建立地下車站土隧道－土體－上部結構的整體模型如圖6所示。上部結構代表性地選取兩跨6層的框架結構，跨度為6 m，柱截面為450 mm×450 mm，梁截面為250 mm×600 mm，底層層高為3.6 m，2—6層的層高均為3 m。

圖6 隧道－土體－上部結構整體模型圖

將2.2節調整后的振源荷載作用在仰拱上，系統的阻尼取3%，計算上部結構的左柱離隧道中心水平距離為5 m 時地面各點的振動反應。地面各地峰值加速度的變化及與自由場的計算結果對比如圖7所示。

圖7 加速度幅值與離隧道中心水平距離的關系曲線

由圖7可知：當離隧道上方一定距離處有建筑物存在時，與地表沒有建筑物相比，建筑物對所在位置及鄰近區域地面的加速度幅值有很大的抑制作用。

圖8為對應的加速度振級變化情況。由圖8可知：當在隧道上方一定距離處有建筑物存在時，與地表沒有建筑物相比，前者25 m 以內的地表點的計權豎向加速度振級衰減更快，建筑物的存在可使所在位置地面振動振級減小4 dB左右。

3.2 上部結構不同位置對比

圖9為上部結構的左柱離隧道中心水平距離為5 m 時各樓層柱頂節點1／3 倍頻程中心頻率處的計權豎向加速度振級分布。由圖9可知：列車引起的環境振動中，高頻分量對振動的影響十分明顯，對振級的貢獻突出。隨著樓高的增加，20 Hz 以下的頻率分量所對應的各層柱頂節點處的計權豎向加速度振級基本不變；0～60 Hz之間的頻率分量所對應的計權豎向加速度振級總體上呈現隨著樓層號的增加而增大的趨勢。

圖8 加速度振級與離隧道中心水平距離的關系曲線

圖9 各樓層柱頂節點1／3 倍頻程中心頻率處的計權豎向加速度振級

3.3 上部結構離隧道中心距離對比

在3.1節的基礎上，計算上部結構的左柱離隧道中心水平距離分別為10 m 與15 m2種工況，各種計算條件下的計算結果如圖10、圖11所示。從圖10和圖11可以看出：上部結構的左柱離隧道中心水平距離越遠，對所在位置及鄰近區域地面的加速度幅值有很大的衰減越明顯。

圖10 加速度幅值與離隧道中心水平距離的關系曲線

房屋結構自身動力放大效應對結構內各層加速度幅值和振級的影響如圖12所示，圖中序號為地層的節點表示柱與地表的連接節點，結果表明：各柱的豎向加速度振級隨著樓高的增加而增大，但增加有限。

從上部結構左柱離隧道中心水平距離分別為5 m、10 m 與15 m 這3種工況的計算結果可以看出，對結構的左、中、右柱而言，隨著樓層的增高，逐層的振級均有一增幅，頂層振級最大，表明建筑物本身對地面輸入振動存在放大效應。

圖11 加速度振級與離隧道中心水平距離的關系曲線

4 結論

（1）城市軌道交通沿線在一定區段范圍內需采取軌道減振措施；

圖12 各樓層柱頂節點振級對比

（2）與地表沒有建筑物相比，離隧道中心上方一定距離處存在建筑物時，對所在位置及鄰近區域地面的加速度幅值有很大的衰減抑制作用，且建筑物距離隧道中心水平距離越遠，衰減越顯著。

（3）列車引起的環境振動中高頻分量對振動的影響十分明顯。隨著樓高的增加，20 Hz 以下的頻率分量所對應的各層柱頂節點處的計權豎向加速度振級基本不變；0～60 Hz之間的頻率分量所對應的計權豎向加速度振級總體上呈現隨著樓高的增加而增大的趨勢。

（4）上部建筑物結構對地面輸入振動存在放大效應。

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