泥岩地层地铁隧道埋深对地表振动的影响分析

2020-11-16简美玲贺玉龙

四川建筑 2020年5期

简美玲，贺玉龙，张群

(1. 西南交通大学地球科学与环境工程学院,四川成都 611756；2. 中铁二院工程集团有限责任公司生态环境设计研究院,四川成都 610031)

随着地铁线路逐渐密集以及城市建筑不断扩张，轨道线路走向或埋深设计愈加难以绕避环境振动敏感点，不可避免地穿越部分居民区等敏感建筑物，地铁运行导致的环境振动、建筑物振动及结构噪声问题逐渐凸显[1]。研究地铁运行引起的环境振动衰减规律，是环境振动评价及减振降噪相关设计的基础理论依据[2-3]，对轨道交通工程的可行性研究及前期设计等方面有较大的指导意义[4]。

在地铁地下段振动环境影响评价中，加大埋深、增大水平距离是常见的减小地表振动的定性措施[5]，而在定量研究方面很少。本文针对成都典型泥岩地层条件，建立轨道—隧道—岩土体模型，采用数值模拟的方法，分别计算了隧道埋深为15 m、20 m、25 m、30 m、40 m五种工况下的地表振动情况，分析地铁隧道埋深对地表环境振动的影响。

1 有限元模型

轨道—隧道—岩土体模型尺寸为90 m×60 m×60 m，模型中隧道横截面为内半径2.7 m，外半径3 m，隧道衬砌厚0.3 m，为典型盾构圆形结构，位于第3层岩土体，上覆岩土层由上到下依次为粉质黏土、全风化和强风化泥岩、中风化泥岩，五种工况隧道埋深如图1所示，整体有限元模型如图2。岩土体和隧道均采用结构实体单元Solid45模拟，将轨道简化为钢轨和扣件的有限元模型，钢轨采用60 kg/m钢轨，钢轨截面简化为工字钢，用梁单元模拟，扣件采用弹簧单元模拟[6]，岩土体相关参数见表1。

图1 隧道埋深示意(单位:m)

图2 有限元模型

表1 岩土体参数

由于分析模型中岩土层是从无限域的大地中截取出来的有限域，在模型的边界处会产生波的反射使得模型边界附近计算结果偏大，为减少反射波的影响，在有限域的边界处设置人工边界——三维一致粘弹性边界[7]，使边界处均匀分布着法向和切向粘弹性人工边界的阻尼器和弹簧。为了施加更为简便，本文利用等效实体单元来替代空间分布的弹簧—阻尼单元元件，即在有限元模型的边界上沿边界面法向延伸一层与模型单元厚度相等的实体单元，并将外层边界固定[8]。

2 列车荷载的确定

地铁列车荷载值的计算采用激励力函数拟合公式，参考GB/T 51228-2017《建筑振动荷载标准》中的轨道交通振动荷载，即地铁列车的竖向振动荷载由作用在两侧钢轨上的移动荷载列组成，荷载排列与列车轮对排列相同。因此，作用在单根钢轨上的列车竖向振动荷载，激励模拟函数如下

FV(t)=F0+F1sinω1t+F2sinω2t+F3sinω3t

(1)

ωi=2πv/li(i=1,2,3)

(2)

(3)

式中:FV(t)为作用在单根钢轨上的列车竖向振动荷载(N)；F0为单边静轮重(N)；Fi为对应某一频率的振动荷载幅值；ωi为振动圆频率(rad/s)；v为列车通过时的实际最高速度(m/s)；m0为列车簧下质量(kg)；li为轨道几何高低不平顺的波长(m)；ai为轨道几何高低不平顺的矢高(m)。

本文荷载计算中，列车速度为80 km/h，取F0为80 000 N，m0为850 kg，其他参数取值见表2。

表2 计算参数

3 模型校验

根据中铁二院的大量测试，列车时速为76 km/h时，成都地铁泥岩地层隧道壁振动源强为78.1 dB。本模型的列车运行时速为80 km/h，因此需对速度进行修正。依据HJ 453-2018《环境影响评价技术导则城市轨道交通》[9]中的经验预测公式(4)，对线路中心线正上方至两侧7.5 m范围内的垂向振级进行修正，并与数值模型的计算值进行对比，以验证模型的可靠性。

VLZmax=VLZ0max+CVB

(4)

式中：VLZmax为预测点VLZmax，dB；VLZ0max为列车振动源强，dB；CVB为振动修正，dB。

其中，速度及距离修正公式如下：

(5)

CD=-8lg[0.2(H-1.25)]

(6)

式中：v为列车通过预测点的速度，v0为源强列车速度；H为预测点地面至轨顶面的垂直距离。

根据以上公式，得到导则计算值见表3，线路中心线正上方5 m处数值模拟值和导则计算值的差值在-0.96～1.13 dB之间，说明本文所建数值模型是可靠的。

4 模拟结果分析

对地铁地下线路引起的振动问题，地表振动可视为入射波分量与反射波分量在同一空间点的瞬时叠加效应，其中，纵波(P波)和剪切波(SV波)之间的入射行程差，以及反射规律的不一致等因素，都会对最终的叠加效果产生影响，进而影响地表振动。当水平距离为2～5倍埋深时，地表振动主要由体波控制[10-11]。

表3 导则计算值与数值模拟值对比

经模拟计算得到不同隧道埋深情况下，地表振动随距离(地表某点至隧道中心线的水平距离)的衰减情况如图3所示，由图可知，对同一水平距离，随着隧道埋深加大，地表振动的Z振级相应变小；同一埋深，随着水平距离增大，地表振动水平呈递减趋势。同时，随着埋深的增加，地表振动反弹位置变远，埋深15 m、20 m时，地表振动在20 m处出现反弹；埋深25 m、30 m时，地表振动在30 m处出现反弹；埋深40 m时，地表振动在30～35 m处出现反弹。

图3 不同埋深下地表振动衰减情况

4.1 隧道埋深对地表振动的影响

通常，加大隧道埋深可以达到减振的目的，埋深不仅对地表振动响应强度产生影响，还对地表的受振范围产生影响[12]。表4为同一水平距离处，埋深在15～40 m范围内，每增加1 m，地表振动的衰减情况。水平距离一定时，埋深增加1 m，地表振动减小0.142 4～0.227 6 dB，平均减小0.199 dB。在水平距离为5～25 m内，隧道埋深对地表振动衰减率较大，水平距离大于25 m时，隧道埋深对地表振动衰减率较小。

表4 地表振动衰减率(埋深每增加1m)

当隧道埋深加倍(15 m和30 m)，水平距离5～35 m范围内，地表同一位置振级减小范围为3.04～4.45 dB，平均减小3.62 dB。隧道埋深加倍(20 m和40 m)，5～35 m范围地表同一位置振级减小范围为1.34～4.05 dB，平均减小2.99 dB。

4.2 水平距离对地表振动的影响

地表振动随着水平距离的增大而逐渐衰减，表5为同一埋深下，水平距离在5～35 m范围内，每增加1 m地表振动的衰减情况。水平距离每增加1 m，地表振动减小0.045 7～0.122 7 dB，平均减小0.101 dB。随着隧道埋深的增大，地表振动的强度相应减小，随距离的衰减逐渐变缓，隧道埋深为15～30 m时，地表振动衰减率较大(0.107～0.122 7 dB/m)，埋深为40 m时，地表振动衰减较小(0.045 7 dB/m)。