地鐵振動對某附建式變電站的振動影響分析

江瑩

摘 要：近年城市建設快速發展，城市用地日趨緊張，變電站新型建設模式隨之出現——建于民用建筑中的附建式變電站。同時，隨著地鐵線路遍布城市，對地鐵上部空間進行的物業開發也日益增多。地鐵的振動將對地鐵上蓋物業產生影響，而變電站工程對振動更為敏感。本文針對一座建于地鐵隧道之上的附建式變電站工程進行了振動影響分析。

關鍵詞：

1 工程概況

220kV桂灣三變電站位于廣東省深圳市前海自貿區，為附建式變電站，設于前海控股大廈二期3棟地下一層至地上五層內。前海控股大廈二期3棟高44.5m，地上9層，為鋼筋混凝土框架結構，采用灌注樁基礎。已經建成運行的深圳地鐵11號線地鐵隧道從變電站場地下方穿過。

地鐵列車運行將對周邊土體產生振動，經由隧道-土體-建筑物途徑可傳遞給周邊建筑物，引起建筑結構振動。對變電站而言，振動除了可能破壞建筑物外，還可能影響變電站設備的正常運作以及運行人員舒適度。本文通過開展振動相關測試與預測分析工作，針對地鐵對變電站工程產生的振動影響進行了分析。

2 變電站振動控制標準

2.1 變電站設備限值

VC標準于1993年由美國環境科學技術協會確認，稱為IEST標準。我國對精密設備及儀器容許動值的確定，幾乎都采用IEST標準。其中VC-A用于放大倍率低于400的光學顯微鏡、精密天平、光學天平等場景，將其作為變電站控制標準有一定的參考性。

綜合分析，可采用VC-A作為變電站各設備的振動速度評價標準，8-100Hz分頻振動速度有效值不超過0.05mm，同時采用動力基礎設備中的最嚴格要求——振動速度峰值不超過3mm/s且振動位移不超過0.02mm作為變電站設備的評價標準。

2.2 環境振動標準

適用的國內環境振動相關規范標準有《城市區域環境振動標準》（GB10070-88）和《城市軌道交通引起建筑物振動與二次輻射噪聲限值及其測量方法標準》（JGJ/T170-2009）。

根據國家標準以及《前海合作區軌道交通穿越地塊降噪減振技術標準》，對于最大Z振級及分頻最大振級均按較為嚴格的夜間72dB進行控制。

3 地鐵振動測試

本工程通過現場在線測試，對地鐵振源以及地表振動進行在線采樣，評估地鐵振源的振動以及地鐵正常運營情況下當前地表環境的振動響應，收集地鐵運行對變電站振動的輸入量值及數值仿真所需的振動輸入參數，為后續振動預測分析提供數據支撐。

測試內容為振源振動測試：檢測地鐵正常運行時鋼軌、道床、隧道壁的振動加速度以及地表振動測試：檢測地鐵正常運行時線路上方地表不同位置的振動加速度。

3.1 振源測試

振源測試時，對變電站下方的11號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加速度測試。

列車通過測試斷面時間約為6s，地鐵振源振動加速度水平小于《電力設施抗震設計規范》GB50260-2013 中電氣設施耐受0.1g振動加速度要求。

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

右線與左線的分析結果類似。左線隧道壁最大Z振級均小于右線，平均值較右線小5.1dB。這與道床類型有關，根據地鐵11號線線路設計資料，左線鋪設了減振墊道床，而右線為雙層非線性減振扣件整體道床，使得左線的振動明顯小于右線。

3.2 地表測試

左線列車通過時，左線上方測點最大值約為0.006m/s2，右線上方測點最大值為0.009m/s2，兩線中間測點最大值為0.012m/s2，距右線5m遠測點最大值為0.006m/s2，距右線10m遠測點最大值為0.0045m/s2，距右線15m遠測點最大值為0.005m/s2。左線地鐵振動傳遞至地表后，其主要振動能量均位于125Hz以下頻段，高頻振動經過土體的衰減作用明顯降低。地表測點的振動能量峰值均位于20～100Hz頻段，分頻最大振級均小于60dB。隨著距振源中心水平距離的增加，地表振動量值減小，但在距離振源中心地表10～15m區域Z振級稍有反彈，這是因為距離振源一定范圍存在振動反彈區。

右線列車通過時與左線列車類似。列車通過時，地表各測點最大Z振級平均值均不超過72dB。可知，左線列車通過時地表各個測點的最大Z振級均小于右線列車通過時的測試結果，左線采用的減振墊道床起到了良好的減振效果。

4 變電站振動預測

4.1 建立模型

為評價地鐵運行對變電站的振動影響，可建立三維有限元模型進行計算。模型包括荷載、土層調參有限元模型，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。根據實測結果校核計算模型，將實測振源數定荷載作為輸入，計算變電站所在地下結構的振動響應，對變電站建筑結構振動進行預測。

220kV桂灣三變電站的預測模型如下：

4.2 工況選取

在預測分析時，優先考慮最不利工況進行振動預測。220kV桂灣三變電站現場實測結果可知，右線列車引起的振動較大，左線列車引起的振動較小，故單線列車通過時僅考慮右線即可。

對比分析以下兩種荷載工況下的振動響應：

（1） 右線列車通過;

（2）雙線列車交匯通過。

4.3 計算結果

振動速度有效值分析計算結果表明，各種計算工況下，8-80Hz各分頻振動速度有效值均小于VC-A分頻限值50μm/s的要求。各拾振點振動速度滿足根據國家標準《隔振設計規范》GB50463-2008以及《建筑工程容許振動標準》GB50868-2013提出的振動速度峰值不超過3mm/s的限值要求。分頻振動速度有效值滿足VC-A的限值要求。各層數據均未發現建筑結構與變壓器存在共振現象。拾振點靠近建筑結構樓蓋板中部時的振動量值較大，靠近梁柱位置的拾振點振動量值相對較小。

振動位移分析計算結果表明，各拾振點振動位移滿足國家標準《隔振設計規范》GB50463-2008以及《建筑工程容許振動標準》GB50868-2013中最嚴格振動位移不大于20μm的限值要求。

220kV桂灣三變電站的分析結果表明，變電站變壓器與二次設備工作環境振動滿足參考標準的要求，地鐵運行引起的建筑內振動響應不會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，此頻段振動在傳遞到樓板的過程中出現明顯的衰減，說明樓板自振頻率未與變壓器基頻耦合，變壓器振動未引起樓板的共振;地鐵運行引起的220kV桂灣三變電站建筑物內振動主要頻段為30～60Hz，此頻段振動不會引起基頻為10Hz及以下的變壓器共振。

5 結論

通過確定評價標準、采集地鐵振動數據、建立模型進行振動分析，本文針對建于地鐵隧道之上的附建式變電站工程進行了振動影響分析。分析結果表明，地鐵運行引起的建筑內振動響應不會影響變電站的正常工作。

參考文獻：

[1]城市軌道交通引起的建筑物振動及二次輻射噪聲限制及其振動方法標準，JGJ/T170-2009.

[2]城市區域環境振動標準，GB10070-88.

[3]220kV～500kV變電所設計技術規程，DL/T5218-2015.

[4]建筑工程容許振動標準，GB50868-2013.

[5]前海二單元五街坊項目地鐵環境振動及變電站電磁輻射影響研究.中國鐵道科學研究院城市軌道交通中心，2016，（12）.