地鐵列車振動對隧道結構安全及周邊環境影響性研究

王賓

中鐵十五局集團有限公司，中國·上海 200070

1 引言

隨著城市軌道交通建設的逐步深入，城市密集建筑群中建造軌道交通或者地鐵線路穿越既有建筑物的現象已經極為普遍，并且由此引發了一些社會問題。特別是地鐵運行中的列車振動問題，對沿線人們的工作和生活造成的影響，受到越來越多的關注。實測資料顯示，地鐵列車通過時，振動荷載傳至隧道周圍土體引起的動力響應是周而復始的循環動力響應，影響隧道結構的安全；地鐵線路的振動將會傳導至建筑基礎，引起建筑結構振動，影響建筑的安全[1]；列車運行的振動引起的噪聲還會影響周邊居民的身體健康。

國家標準GB10070—1988《城市區域環境振動標準》對建筑室外0.5m 以內區域環境振動采用鉛垂向最大Z 振級（VL Zmax）進行了規定，“混合區、商業中心區”晝間振動不得超過75dB，夜間不得超過72dB。JGJ/T 170—2009《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》結合建筑物室內振動頻譜特點，針對易產生人體煩惱且容忍度較差的低頻振動（4～200Hz）采用分頻最大振級（VL max）進行限制；“居住、商業混合區，商業中心區”晝間不得超過70dB，夜間不得超過67dB。為提升項目建筑開發品質，提高居住舒適性，在此采用上述2 個指標同時評價，采用夜間指標限值進行控制，即最大Z 振級不超過72dB，分頻最大振級不超過67dB。

據統計，截至2020年12月31日，中國內地共有44 座城市開通城市軌道交通運營里程7715.31km，其中地鐵新增運營里程為1126.72km。“十四五”期間，中國城市軌道交通運營里程有望新增5000km，年均新增1000km 左右，屆時總運營里程將達到13000km[2-3]。

龐大的城市軌道交通運營規模、列車運行引起振動必然性，以及居民環保意識的增強，勢必會進一步加深矛盾的凸顯。論文通過數值分析的方式對城市地鐵穿越上部建筑的案例開展研究工作，從而為特定地質環境中地鐵列車振動分析方法提供技術參考。

2 工程概況

根據圖1可知，地鐵上部樓房采用樁基礎，所有樁基礎均分樓房自重，每層樓房自重按照20kPa 考慮，將基礎荷載進行等效，等效為均布荷載，P=20kPa（單層樓房每平方米荷載）×7（樓房層數）=140kPa。

圖1 隧道與上部建筑位置關系圖

振動荷載時程按照圖2取值，計算時間取為t=L/v，列車由一端駛入，移動速度為19.0m/s。

圖2 隧道輪載分布荷載時程曲線

3 數值仿真分析模型

隧道內輪廓凈寬5.1m、凈高5.59m，初襯厚度為0.25m，二襯厚度為0.3m。初襯混凝土等級為C25，二襯混凝土等級為C45。其有限元模型示意圖如下圖3所示。

圖3 有限元模型橫截面示意圖

在左右邊界處施加無反射邊界（Non-reflection），以防止有不符合實際的反射效應；在基底處施加X、Y、Z 方向固定約束；地表處為自由邊界。模型尺寸按照經驗取值，左右兩側及隧道下部巖石介質取為隧道跨度的四倍左右。現以該地鐵隧道上部樓房與隧道結構交叉的縱向尺寸為依據，將模型的縱向尺寸的取值略大于交叉范圍（約41m），取為45m。

根據地質詳勘報告，隧道上方地層主要為第四系填土層（①）、粉質粘土層（⑧）、強風化花崗巖層（），隧道拱部穿越地層為強風化下壓帶，隧道底部為中風化～微風化花崗巖。

4 列車引起振動分析

4.1 隧道結構分析

選取隧道結構不同部位處的節點，其節點選取示意圖如圖4所示。其速度及位移時程曲線如下所述。

圖4 節點拾取示意圖

速度時程呈現出周期性特征。速度響應最大值發生在軌道處（見圖5中曲線D），其峰值為0.03cm/s。可見速度響應是非常小的，結構處于微振動狀態，結構安全。

圖5 隧道結構內表面不同點處速度時程曲線

如圖6～7 所示，拱頂拱底豎向相對位移最大值為0.19mm，拱腳橫向相對位移最大值為0.15mm。鐵路隧道設計變形控制值為1‰D～5‰D，這里變形遠小于1‰D=5.1mm（D 按照內徑5.1m 計算），即在列車振動荷載作用下結構變形很小，滿足正常使用要求。

圖6 拱頂拱底豎向相對位移

圖7 拱腳橫向相對位移

4.2 環境振動分析

在隧道上方的地面選取不同的節點分別進行考察，從左線拱頂正上方開始，向右線方向依次選取不同節點，詳情見圖8～11。

圖8 地面點拾取示意圖

圖9 豎向（Y 向）速度時程曲線

圖10 水平向（X 向）速度時程曲線

圖11 橫向（Z 向）速度時程曲線

從地面橫縱向速度時程曲線來看，速度響應最大值不超過0.15cm/s，速度振動很小，目前對于場地振動的評價除了在爆破施工中應用的GB 6722—2014《爆破安全規程》之外，尚沒有其他可參考的規范是使用速度作為評價指標的，這里以GB 6722—2014《爆破安全規程》作為參考。爆破振動產生的低頻率“＜10Hz”中規定的速度安全限值，對于地上結構物，安全速度范圍為0.5～4cm/s 不等，故可初步判定列車振動對周圍建筑物并未產生危害，詳情見圖12～14。

圖12 地表不同點處豎向（Y 向）加速度時程曲線

圖13 橫向（X 向）加速度時程曲線

圖14 橫向（Z 向）加速度時程曲線

分別對豎向（Y 向）及橫向（X、Z 向）進行快速傅里葉變換，提取加速度頻譜曲線的數據點，得到的計權加速度振級如表1所示。

表1 地面點計權加速度振級

根據國家規范GB10070—88《城市區域環境振動標準》，列車振動荷載產生的環境振動在可接受的范圍內，不會對居民及鄰近建筑物產生危害[4]。

4.3 振動效應綜合分析

根據該工程勘察報告，“地震動反應譜特征周期為0.40s”。根據GB50011—2010《建筑抗震設計規范》和上部建筑物類型，建筑自振周期采用下式計算：

其中，T1為自振周期，單位s；H為房屋的總高度，當高度不等時取平均高度，單位m；B為考慮方向的建筑物總寬度，單位為m。

針對本工程，上部建筑物高度為22.2m，總長28.8m，總寬34.2m。在長度方向上，計算得到T1=2.75s，即頻率為0.36Hz；在寬度方向上，計算得到T1=2.61s，即頻率為0.38Hz。根據本報告4.2 計算結果，列車運行引起地表豎向（Y 向）加速度最大值出現在4.1Hz 時，頻率主要集中在3.3Hz～6.0Hz之間。根據上述分析，不會發生共振現象。

5 結論

①拱頂拱底豎向相對位移最大值為0.19mm，拱腳橫向相對位移最大值為0.15mm。鐵路隧道常用設計值變形控制值為1‰D～5‰D，這里變形遠小于1‰D=5.1mm（D 按照內徑5.1m 計算），即在列車振動荷載作用下結構變形很小，滿足正常使用要求。

②場地地震動反應譜特征周期為0.40s，上部建筑物在長度方向上自振頻率為0.36Hz；在寬度方向上自振頻率為0.38Hz，列車運行引起地表振動頻率3.3Hz～6.0Hz 之間，不會發生共振。

③列車長期運營過程中在地表產生豎向振動振級最大值54.5dB，未超過國家規范GB10070—88《城市區域環境振動標準》中對類似區域規定的加速度振級標準值，故此，列車振動荷載產生的環境振動在可接受的范圍內，不會對居民及鄰近建筑物產生危害。