不同隧道埋深下列车运行诱发环境振动研究

张 森，朱利明，王 霆

(1.南京工业大学，江苏 南京 210009；2.南京地铁建设有限责任公司，江苏 南京 210000)

0 引 言

随着城市轨道交通系统规模不断扩大，地铁列车运行所引发的环境振动问题也逐渐显现。针对环境振动问题，Lopes、汪益敏等的研究发现：地铁运行引起的地面振动响应频带为10～120 Hz，振动峰值出现在25～40 Hz之间。王逢朝、姚谦峰等采用简化方法计算了地铁列车引起的振动在土层中的传播特性。另有研究表明，地铁列车运行引起的地面振动并非随着距隧道中心线距离的增加而一直减小，而是有可能出现局部放大的现象。本文以南京地铁4#线某区间段为研究背景，结合实际场地土情况，基于车辆-轨道-隧道-土体系统动力学模型，讨论了地铁列车匀速运行引起的环境振动在特定场地土中的传播特征及隧道埋深对地铁列车运行振动传播衰减的影响规律。

1 数值分析模型

预测地铁列车运行引起的地面振动问题，一般将数值分析模型分成2个子模型：车辆-轨道垂向耦合动力学模型和轨道板-隧道-土体有限元模型。

南京地铁4#线采用宽体鼓形B型地铁列车，采用4动2拖方式编组。对于车辆模型，各节车辆均被模拟为由一个车体、两个构架、四个轮对构成的多刚体系统，考虑钢轨振动的边界条件影响，将无限长的钢轨简化为有限长Bernoulli-Euler简支梁模型。车辆模型的主要几何参数以及车辆-轨道垂向耦合动力学模型的建立参见邵鸣和的硕士学位论文，轨道结构计算参数如表1所示。

表1 轨道结构计算参数

根据南京地铁4#线某区间段实际情况，采用ANSYS建立轨道板-隧道-土体有限元模型，将场地土简化为3层，每层土体的动力参数见表2。

表2 土层地质及结构参数表

建立模型时，土体、轨道板和隧道结构均采用三维实体单元(solid45)进行模拟，各层之间通过共用节点发生相互作用。整个有限元模型的尺寸为56 m×102 m×40 m(Y×X×Z)，隧道埋深为14.5 m。单元网格在轨道板附近划分较细，随着至轨道距离的增加，模型单元尺寸逐渐增大。考虑到土体的无限性，模型中除自由表面和对称边界外，其余边界均采用三维一致粘弹性等效单元模拟无限域内波的传播。

2 不同隧道埋深下列车运行诱发环境振动影响分析

为研究地铁列车在既有轨道条件下匀速运行时引起的振动在土体中的传播规律和衰减特性，选取地表距隧道中心正上方0 m、10 m、20 m、30 m、40 m以及50 m处的一系列点为研究对象(观测点示意图如图1所示)。

图1 有限元模型观测位置示意图

现实中，为减小地铁列车运行过程中产生的噪声和振动对周边环境的影响，地铁隧道会采用不同的埋深，现将隧道埋深设置为9.5 m和19.5 m，将上述两种工况分别进行计算，并与原埋深工况进行对比，研究在特定场地环境下，采用不同埋深时地铁运行振动对周边环境的影响。经计算，各观测点的地表垂向加速度时程图和频谱图如图2所示。

图2 地表距隧道中心正上方不同位置处的加速度响应(0～50 m)

由图2可知：与埋深较大的工况相比，隧道埋深较浅时，地铁匀速运行引起的振动响应明显较大，随着隧道埋深的增大，垂向加速度振动明显降低。频域内，三种埋深的地表垂向加速度频率主要分布在0～80 Hz频段，随着与隧道中心距离的增大，埋深越浅地表振动衰减越快，低频振动相对于高频振动衰减缓慢，且埋深较浅时，垂向加速度峰值分布频段相对较宽，随着埋深增加，土体振动频谱范围没有明显变化。从图中还可以看出，虽然增加埋深在大多数距离、大多数频段处都能起到减振作用，但在距振源一定位置处的一些频段上反而会造成更大的振动，如原工况相比工况1，在距振中20 m处在频段40～60 Hz内会出现振动增大的现象。

用振动衰减率进一步分析土层的衰减作用。衰减率的计算公式为

(1)

式中：A0为地表距隧道中心正上方水平距离d=0 m处的振动加速度，Ai为d=0～50 m各处的振动加速度。(注：衰减率正值表示衰减，负值表示增幅。)

给出地铁列车以60 km/h匀速运行时，时域内各观测点的垂向加速度有效值及其衰减率变化图，如图3所示。

图3 地表0～50 m范围内垂向加速度有效值及其衰减率

由图3可知：三种埋深条件下，地表振动加速度有效值的峰值分别出现在0 m、15 m、20 m处，峰值大小依次为2.049×10-3m/s2，1.753×10-3m/s2，0.860×10-3m/s2，衰减率依次为0，-70.4%，-118.6%；与隧道轴线水平距离0～50 m内，地表垂向加速度时域有效值随着与线路中心线距离的增加均呈现先减小再增加后减小的趋势，且埋深越大，振动响应越小，但由于土层中振动波的反射、叠加等复杂原因导致的局部振动增大，也会出现个别测点在埋深较大时的振动量大于埋深较小时；与另外两种工况不同，隧道埋深为9.5 m时出现了两处振动放大区，且第二处放大效果与第一处相比较小。

3 结 语

本文结合南京地铁4#线云南路站～鼓楼站区间实际场地土情况，基于车辆-轨道-隧道-土体系统动力学模型，研究了不同隧道埋深对地铁列车匀速运行振动传播衰减的影响程度。得到的主要结论如下：

(1)与埋深较大的工况相比，隧道埋深较浅时，地铁匀速运行引起的振动响应明显较大，随着隧道埋深的增大，地表垂向加速度明显降低，即地铁列车引起的振动响应随隧道埋深的增大而减弱。

(2)较大埋深时地表垂向加速度响应衰减明显，这表明土层在振动波传播衰减的过程中有着重要的作用，在无法增大距离绕行的情况下，为减小地铁运行振动对周边环境的影响，在特殊区间段地铁隧道可采用较大埋深通过。

(3)随着埋深的增加，地表振动加速度最大值和有效值的峰值衰减率也随之增加，且埋深对振动放大区的振动响应峰值的大小和位置均产生了较大的影响，在实际工程中，应注意避开由于振源埋深引起的放大区。