城市轨道交通列车诱发周围环境振动影响分析

2015-06-29赵欣

城市轨道交通研究 2015年8期

赵欣

（湖南交通职业技术学院路桥工程学院，410132，长沙∥讲师，硕士研究生）

正确合理地预测城市轨道交通运行时引发周围的环境振动，对于指导城市轨道交通线路设计及采取合理减振降噪措施有着十分重要的意义。为此，国内外学者开展了广泛的研究［1－6］。本文依托实际工程，计算3处典型敏感场地的加速度Z 振级与离隧道中心水平距离的衰减曲线，并通过与薄层法计算结果对比验证其正确性。在此基础上，针对隧道上部存在建筑物、建筑物不同高度位置、建筑物距离隧道远近等工况，分析列车振动的影响，为类似工程提供理论依据。

1 工程概况

某市轨道交通1号线一期工程，线路全长约22.397 km，其中地下线15.067 km，高架线5.98 km。列车为B 型车，6 节编组，最高运行速度80 km／h。根据噪声源影响特点，高架段线路列车运行噪声对外环境影响较大；地下区段因列车运行振动产生的二次结构噪声对线路正上方的敏感建筑物也将产生较大影响。

2 数值计算

2.1 模型建立及参数确定

由于隧道结构和地层土层性质沿城市轨道交通区间长度方向的相似性可以简化为平面应变问题，采用通用有限元软件Anasys建立典型敏感场地的隧道－土层整体二维平面模型（见图1），进行列车运行激励下的振动反应计算。

当进行土层振动反应分析时，需将土层水平两侧边界无限远边界有限化，即在土层两侧需设置竖向人工边界对传来的波起着完全反射的作用，既不传播也不吸收任何能量。考虑到土介质的阻尼性质，一般要求竖向人工边界设置在距离近场区5倍土层深度的远处［7］。因此，首先确定土层的合理计算范围，即土层计算模型的宽度B及深度H的取值。

地下段隧道埋深为10 m，外直径为6 m，计算中采用表1 中土层参数。隧道混凝土衬砌厚度为0.35 m，隧道管片结构参数如表2所示。根据对称性取半结构，建立隧道管片土体二维模型（如图1所示）。根据城市轨道交通列车动载荷的方法［8］及某市轨道交通B 型列车性质参数［9］，选取幅值为1 000 N的正弦荷载沿竖向作用于隧道仰拱，水平方向的网格在离隧道中心25 m 以内满足λs／16，25 m以外满足λs／8，竖直方向的网格满足λs／8。其中，λs＝Vs／f，Vs为该土层的剪切波速，f为振源的频率。

图1 隧道－土体二维模型

表1 典型土层土体振动参数

表2 隧道管片结构参数表

（1）B／H 比值的确定：由于3 处典型土层到基岩的深度在100 m 左右，模型的深度为到基岩深度，即模型的深度H＝100 m。改变宽度B值，同时，列车引起的环境振动中的主要频率一般为40～80 Hz，在振源频率分别为 80 Hz、40 Hz、20 Hz和土层基频时，对比地表点的竖向加速度幅值，从而确定模型所需的B／H比值。计算结果分别如图2所示。

由图2可知：在高频波激励下，3种B／H比值下的计算结果是相同的在土层基频共振波激励下B／H＝4和B／H＝5对应的计算结果已相当接近。考虑到城市轨道交通近场的振动波以40～80 Hz为主，取模型的范围为B／H＝4。

（2）深度H的确定：以B＝400 m，H＝100 m为基准，边界条件、隧道尺寸及荷载等其他参数不变，减小改变土层的深度，比较不同情况下地表点加速度响应的幅值，讨论模型的计算深度H对列车振动分析结果的影响。其计算结果如图3所示。

图2 不同正弦激励下H＝100 m 的3种B／H 比值地面点的响应幅值比较

图3 不同正弦激励下H 变化时地面点的响应幅值比较

由图3可以看出：计算结果对深度H的变化更敏感。故为了减少计算深度H对计算结果的影响，H取为地表到基岩的深度。

2.2 数值计算

分别对3处典型敏感场地进行计算。三处典型敏感场地土层参见文献［9］；振源荷载采用实测到的轨道力时程，其采样频率为200 Hz，道床上振源的计权加速度Z 振级为80 dB，以此调整计算轨道力的时程。采用调整后的振源力荷载，计算计权加速度Z 振级与离隧道中心水平距离的衰减曲线，并与GB10070－1988《城市区域环境振动标准》中规定的居民、文教区夜间的振动限值标准（67 dB［10］）进行对比，如图4所示。

图4 3个场地Z 振级与离隧道中心水平距离的关系曲线

2.3 计算验证

采用薄层法［11］对3 处典型场地的振级距离衰减规律进行计算。3处典型敏感场地的振级距离衰减计算结果平均值与GB10070－1988中的规定值对比见图5所示。

图5 3处典型场地振级距离衰减对比（埋深10 m）

对比图4与图5可知：采用有限元法与用薄层法，在距离隧道中心线15 m 范围内振级变化基本相同；轨道交通沿线在一定区段范围内需采取轨道减振措施。验证了本文数值计算的正确性。

3 列车诱发周围环境振动影响

3.1 上部结构与自由场地的对比

建立地下车站土隧道－土体－上部结构的整体模型如图6所示。上部结构代表性地选取两跨6层的框架结构，跨度为6 m，柱截面为450 mm×450 mm，梁截面为250 mm×600 mm，底层层高为3.6 m，2—6层的层高均为3 m。

图6 隧道－土体－上部结构整体模型图

将2.2节调整后的振源荷载作用在仰拱上，系统的阻尼取3%，计算上部结构的左柱离隧道中心水平距离为5 m 时地面各点的振动反应。地面各地峰值加速度的变化及与自由场的计算结果对比如图7所示。

图7 加速度幅值与离隧道中心水平距离的关系曲线

由图7可知：当离隧道上方一定距离处有建筑物存在时，与地表没有建筑物相比，建筑物对所在位置及邻近区域地面的加速度幅值有很大的抑制作用。

图8为对应的加速度振级变化情况。由图8可知：当在隧道上方一定距离处有建筑物存在时，与地表没有建筑物相比，前者25 m 以内的地表点的计权竖向加速度振级衰减更快，建筑物的存在可使所在位置地面振动振级减小4 dB左右。

3.2 上部结构不同位置对比

图9为上部结构的左柱离隧道中心水平距离为5 m 时各楼层柱顶节点1／3 倍频程中心频率处的计权竖向加速度振级分布。由图9可知：列车引起的环境振动中，高频分量对振动的影响十分明显，对振级的贡献突出。随着楼高的增加，20 Hz 以下的频率分量所对应的各层柱顶节点处的计权竖向加速度振级基本不变；0～60 Hz之间的频率分量所对应的计权竖向加速度振级总体上呈现随着楼层号的增加而增大的趋势。