地鐵列車振動對盾構隧道結構影響試驗研究

秦銀剛, 黃海峰

(1.天津市地下鐵道集團有限公司，天津 300392；2.西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031)

0 引言

近些年來，由于我國城市規模不斷擴大，城市軌道交通也在快速發展，地鐵作為一種在運量、速度以及能耗等方面有著巨大優勢的交通方式，在解決城市交通問題方面具有極其重要的作用。由于地鐵運營載客量大、運行時間長，列車振動問題不可避免地會對隧道結構及周圍環境的安全穩定產生一定的影響，尤其對粉土及軟土地區更為明顯，所以列車動載作用引起的盾構隧道動力響應問題的研究是工程技術人員關注的重點。

列車動載作用下的隧道振動問題，自上世紀60年代起便引起了國內外學者的重視。VERHAS[1]、KURZWEIL[2]等初步討論了地面運行的列車或地鐵誘發振動的傳播規律；英國學者[3]1982年分別對倫敦和柏林的地鐵振動響應開展了現場測試，得到了列車振動譜；2006年，歐盟科研項目CONVURT[4]對地鐵運行引起的隧道結構振動響應進行了多次現場試驗與分析，得到了列車中低速運行隧道壁、仰拱的動力響應幅值與車速正相關的結論，但受限于工程條件，試驗列車最高時速僅為50 km/h；YANG[5]結合離心機試驗和數值模擬得出了隧道內部結構受沖擊振動載荷的動力響應特征。在國內，潘昌實[6]等對北京地鐵開展了現場實測研究，獲得了70 km/h車速下隧道結構部分監測點的動態響應狀態；張玉娥[7]等對北京地鐵進行了現場測試，得到了軌道振動加速度的數學表達式；凌昊[8]等對深圳地鐵展開現場測試，得到了重疊隧道典型斷面列車振動荷載的數學表達式；韋凱[9-10]等通過建立車軌耦合動力模型，研究了軟土動剛度對隧道結構的影響規律；THUSYANTHAN[11]等得到了隧道結構中振動能量的傳播規律；王祥秋[12-13]等建立了列車振動荷載分析模型，研究了隧道襯砌結構在不同斷面形狀下的動力響應規律，并對京廣鐵路隧道開展了列車振動現場測試驗，得出了隧道結構動力頻響特征。莫海鴻[14]等采用三維動力有限差分法，考慮盾構管片特征因素，獲得了運營期的深厚軟土層盾構隧道動力響應規律。田甜[15]等進行了高速鐵路隧道襯砌振動響應的現場試驗，結果表明隧道振動響應隨列車速度的增加而呈增大趨勢。曹志亮[16]等對南京地鐵列車荷載下的隧道振動進行了現場實測，建立了列車-軌道振源模型和隧道-地層三維有限元模型，獲得了隧道結構振動的響應規律。

綜上所述，對于地鐵振動影響的研究已取得一定成果，但對于實際運行列車在不同速度、不同載客量等運營工況下造成的盾構隧道振動影響現場實測研究還較少。本文根據天津地鐵5號線區間隧道液化地層特征，采用現場測試和數值模擬相結合的方式，研究地鐵運營條件下列車動載對液化地層區間隧道結構振動的影響規律。論文研究成果對隧道襯砌結構的動力安全穩定性及結構安全設計理論提供一定的指導意義。

1 依托地鐵區間概況

a.天津地鐵測試區間。

現場試驗對象為天津地鐵5號線建昌道站至金鐘河大街站區間盾構隧道。該區間隧道是天津市交通網絡中一條于南北方向貫穿市區的軌道交通主干線，沿線兩側建筑物密集，居民樓、文教區等振動敏感點較多。建昌道站至金鐘河大街站盾構區間長度941.3 m，隧道底板埋深15.80～23.39 m，襯砌采用單層襯砌結構，襯砌厚度350 mm，盾構內徑5.5 m，外徑6.2 m，襯砌環全環由小封頂F、2塊鄰接塊L和3塊標準塊B構成，如圖1所示。隧道洞身范圍內圍巖主要以粉土、粉砂為主，上覆粉質黏土、粉土與雜填土。

圖1 盾構斷面圖(單位：mm)

b.軌道參數。

根據天津地鐵隧道勘察資料，市區內設計時速一般為80 km/h，軌道主要參數為：①鋼軌：正線采用60 kg/m、U75V鋼軌；②軌距：1 435 mm；③軌枕鋪設數量：地下線正線按1 680根/km鋪設；④扣件類型：天津地區既有和新線項目均采用彈性分開式扣件，包括DTVI2型、ZX-2型和TSD2型扣件，扣件節點垂向靜剛度20～40 kN/mm；⑤道床類型：長枕埋入式整體道床及減震段鋼彈簧浮置板道床。

c.試驗列車。

天津地鐵5號線車輛為符合《地鐵限界標準》(CJJ/T96-2018)車輛限界的B2型地鐵車輛。列車采用四動二拖固定編組，每列車由2輛拖車和中部4輛動車組成，整車長度118.8 m，整車首尾軸距112.4 m，列車編組如圖 2所示。其中拖車(Tc)空車重約為32 t， 動車(M、 Mp)空車重約為35 t。

圖2 試驗列車編組圖

2 現場試驗

2.1 測試斷面與測點布置

針對列車動載條件下的隧道振動響應測試，試驗斷面應考慮線路埋深、線形、隧道斷面、地質條件、線路管線、列車運行速度等因素。測試區間建昌道站至金鐘河大街站區間里程為：右線DK13+160.189～ DK14+101.485，根據試驗設計考慮在列車不同時速斷面進行測試，選取右DK+200、右DK+300及右DK+500里程斷面開展地鐵列車振動現場測試，如圖3所示。

圖3 現場試驗測試斷面線路平面位置

如圖4所示，振動測點分別布置在3個監測斷面處，每個斷面設置4個測點，其中測點1用于測試線路中央軌道板表面的豎向加速度，測點2用于測試線路外側鋼軌下方軌枕的豎向加速度，測點3和測點4分別用于測試隧道壁拱腳及拱腰的豎向加速度，編號為A1～A4。

(a)橫斷面

2.2 試驗荷載及試驗儀器

天津地鐵5號線列車為唐山機車廠生產的B2型車輛。

試驗測試開始前，傳感器與采集儀均經過標定(見圖5)。試驗數據采集儀為東方振動和噪聲技術研究所制造INV3062T型24位智能采集儀，采樣參數如下：采樣頻率10 240 Hz，采樣滯后秒數10 s，采樣觸發比例0.2%，最小觸發量0.02g，采樣時長60 s。軌道板及軌枕振動使用TST120A500壓電加速度計測量，隧道壁振動采用LC0115壓電加速度計測量。

(a) 采集儀

動態采集設備進行測試數據的顯示和存儲。試驗在列車營運條件下，設置數據采集儀采樣模式為離線采樣-自動觸發模式，確?？稍诋斎諏λ袝r刻經過測試斷面的列車激振下結構響應進行有效采集。

2.3 測試工況

a.列車時速。

本試驗中列車在所研究盾構區間內運行時速由天津軌道集團公司提供，數據范圍從列車啟動時至列車完全停止，列車單次區間行駛時長約為90 s。如圖6所示，為試驗列車正常運行狀態下某日某時段在目標區間內運行速度與位移實測值。地鐵列車采用ATO自動駕駛系統，可以精確控制列車的速度、加速度，保證每趟列車在區間內具有相同的行駛過程。

圖6 列車運行速度與位移時程圖

由圖6列車運行速度時程可得，列車在區間內正常運行狀態下一共經歷5個行駛過程：勻加速—勻速—勻加速—勻速—勻減速。本試驗3個測試斷面分別距離列車區間起始里程50、150和350 m，由列車運行速度與位移關系可得到通過測試斷面1、測試斷面2和測試斷面3的列車瞬時速度為37.9、50.2和68.3 km/h。其中列車在通過測試斷面1、斷面2時分別處在2個不同的加速過程中，在通過測試斷面3時列車為勻速狀態。

b.載客狀態。

列車在本次現場試驗過程中的實際運營載客狀態，通過天津軌道交通集團運營公司清分中心管理的AFC系統自動監測進出站客流量，得到在測試時間內典型運行時段的目標區間斷面客流情況，其中工作日及休息日代表性區間客流情況見表1。

c.道床形式。

本試驗測試區段共涉及到2種不同道床類型，分別為：盾構區間中部一般地段采用鋼筋混凝土長軌枕式整體道床，及特殊減振地段采用鋼彈簧浮置板道床。本試驗中，測試斷面1為鋼彈簧浮置板道床，測試斷面2、斷面3為整體道床。試驗現場道床形式見圖7。

表1 建昌道-金鐘河大街區間測試斷面客流情況Table 1 Passenger flow between Jianchang Road-Jinzhonghe Street test section試驗時間時間段上行斷面客流數據/人5:40-6:000某工作日7:10-7:309897:55-8:151 36417:20-17:406265:40-6:0007:10-7:30359某休息日11:50-12:1030617:50-18:1038822:50-23:1042

(a) 長軌枕式整體道床

3 現場試驗結果與分析

試驗過程中每天通過各測試斷面列車有100余組，每趟列車荷載結構響應的測試時間60 s，一共采集到有效列車激勵684次，包含4個測點所測量的2 736條加速度記錄。

3.1 加速度時程記錄

為直觀分析盾構隧道結構在列車動載條件下的豎向振動響應特性，給出了試驗列車在勻速行駛段通過測試斷面3時，地鐵軌道結構及隧道襯砌豎向加速度時程曲線，圖中記錄對應的列車運行工況時速約為68 km/h，載客量約為1 000人。從圖8中可以看出在列車勻速行駛工況下，時程曲線具有7個波峰，其中首尾波峰峰值較小，中部5個峰值大致相同，這與列車編組和輪對軸重分布方式是一致的。同時，可以看出測點越靠近輪軌激振的振源結構，所記錄的加速度曲線波峰越明顯。幅值方面，鋼軌下方軌枕處測點2記錄到4個測點中的最大值為0.56g，隨后依次為軌道板測點1、隧道壁拱腳測點3和隧道壁拱腰測點4，分別為0.39g、0.13g和0.10g。

(a) 測點1加速度時程

在試驗過程中，記錄了列車以低速行駛狀態經過測試斷面1的加速度記錄，其對應的列車到達斷面時速約為12.7 km/h，列車加速度為1.3 m/s2，載客量約為360人。圖9給出了該工況下的測點加速度記錄，可以看出在勻加速過程中，每個由列車輪對沖擊荷載所引起的波峰峰值逐漸增大，且相對于列車高速行駛狀態，低速狀態下激振響應持時較長。對比該工況下4個測點幅值，發現2個隧道結構測點加速度響應遠小于軌道結構測點響應，其中測點1、測點2的時程記錄峰值為0.47g、0.78g，而測點3、測點4時程記錄峰值為0.027g、0.024g，其原因在于測試斷面1所在區段為車站與盾構區間過渡段，采用鋼彈簧浮置板減振道床。試驗數據驗證了該減振道床對減弱列車動載對隧道結構及周圍環境的振動影響起到顯著作用。

3.2 加速度振動響應頻譜特性

列車荷載下對輪軌及周圍結構的影響因素包括列車速度、輪軌接觸面狀態、軌道不平順性以及沿線軌道及道床的剛度變化等[16]。研究表明，輪軌豎向荷載集中在3個頻率范圍[17]：①低頻范圍：0.5～5 Hz，由車體對懸吊部分的相對運動產生；②中頻范圍：30～60 Hz，由于簧下輪對質量對鋼軌的回彈作用產生；③高頻范圍：200～400 Hz，由于鋼軌在運動時受到輪軌接觸面的抵抗而產生。

圖9顯示由通過測試斷面3的具有相同試驗工況的20組列車測試記錄的傅里葉譜均值，具體工況為列車勻速行駛、時速約68.3 km/h、載客量約為1 000人。

(a) 測點1加速度時程

圖10顯示各測點垂向振動加速度主要特征頻段體現在中、高頻范圍，分別為40～70 Hz和200～450 Hz，測點2得到的鋼軌下軌枕垂向振動響應因受到直接的輪軌接觸作用而在高頻段350～450 Hz更為顯著。隧道壁的響應譜值遠遠小于軌道結構，且與列車行駛中線的空間距離呈負相關。這些試驗結果與前人研究結論相符。

(a) 測點1加速度頻譜

3.3 列車速度影響

為探究列車速度對軌道結構和盾構隧道垂向振動響應的影響，選取相似載客條件下以不同速度通過測試斷面的行車加速度實測記錄均峰值，分別對一般整體道床區段和特殊減振區段進行分析，如圖11所示。

由圖11可知，當列車以不同速度穿越隧道斷面時，所引起的隧道內軌道結構與襯砌豎向加速度總體呈現出隨車速的增加而增大的趨勢；具有豎向振動加速度沿襯砌拱圈有拱腳幅值大于拱腰的特征；軌道結構垂向振動峰值對列車時速更為敏感，對于減振段和一般段測試斷面，列車時速的增加均會引起軌道板及軌下軌枕響應的大幅增加；相比于軌道結構，隧道襯砌垂向振動峰值隨行車車速增加而增大的趨勢較小，在50～70 km/h以內的中低速地鐵列車運行條件下，不同車速對隧道襯砌豎向振動響應影響不大。關于道床類型不同對盾構隧道垂向振動造成的不同響應方面，減振段內隧道結構振動響應均峰值低于軌道結構均峰值的1/10；減振段隧道襯砌豎向振動均峰值約為一般段隧道襯砌的1/3，由此可知減振道床對隧道襯砌豎向加速度的幅值有非常明顯的減弱作用。但注意到即使在列車低速行駛狀態下，特殊減振段內軌道結構的垂向振動均峰值仍顯著高于一般段內軌道結構，說明鋼彈簧浮置板道床雖然可以有效降低因列車運營而造成的對車站、盾構隧道和周圍環境的振動影響，但這對減振區段內鋼軌及軌下結構的可靠性及穩定性都提出了更高的要求。

圖11 不同速度下各監測點加速度峰值圖

3.4 載客狀態影響

為研究列車載客情況對軌道結構及盾構隧道垂向振動響應的影響，選取列車在工作日不同時段勻速通過測試斷面3的行車加速度實測記錄均峰值，再將列車從空載至工作日高峰載客量分為5組典型載客工況，如表2所示。并按客流情況選取對應載客量的共52組加速度記錄，以每組實測加速度的均峰值進行分析，如圖12所示。

表2 試驗載客工況Table 2 Test passenger loading conditions載客量/人拖車車重/(t·輛-1)動車車重/(t·輛-1)03235300(座席載客量)353860038411 00042451 400(定員載客量)4649

圖12 不同載客工況下加速度峰值

由圖12可知，當列車以額定最高速度68 km/h勻速通過測試斷面時，所引起的軌道結構及隧道襯砌豎向加速度表現出隨載客量增加而增大的趨勢，但總體來看對振動響應的影響比較有限，幾種不同載客情況下的結構動力響應幅值差別較??；列車載客量對軌道結構產生的振動響應影響大于對隧道襯砌所產生的響應。

4 結 論

根據天津地鐵5號線現場測試分析，研究結果揭示了地鐵列車振動荷載在區間軌道結構和隧道襯砌中表現出一定的動力反應規律。其主要結論有以下幾個方面：

a.列車運營引起的盾構區間垂向加速度響應主要分布在40～70 Hz和200～450 Hz這2個頻率范圍。各測點加速度時程曲線具有多個波峰形態，與列車輪對分布形式一致。

b.試驗結果表明地鐵列車以不同速度通過隧道斷面時，引起的軌道結構及隧道襯砌振動加速度響應幅值均隨列車車速的增大而增大；垂向加速度幅值由拱腳至拱腰具有下降趨勢；相比于隧道襯砌，軌枕及軌道板處垂向振動響應幅值對列車速度的影響更為敏感，幅值隨列車速度變化而一同變化更為顯著。

c.道床類型對盾構區間內軌道結構及隧道襯砌豎向振動均有十分明顯的影響，彈簧浮置板道床能有效減弱由列車動載引發的隧道襯砌加速度響應，但使軌枕及軌道板處的垂向振動大幅增強，這對特殊減振段軌道結構的可靠性提出了更高要求。

d.盾構區間軌道結構、隧道襯砌振動響應幅值與列車載客量正相關，相比于列車速度因素，載客量變化對垂向加速度峰值影響較小；可軌道結構較隧道襯砌對載客量變化所產生影響更敏感。