隧道内列车振动对近接建筑物的影响分析
2022-02-12付兵先马伟斌邹文浩许学良
付兵先 马伟斌 邹文浩 许学良
中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081
列车通过下穿隧道时引起的振动波会对地面建筑物产生不同程度的影响。Fujikake、吉冈修［1-2］掌握了日本新干线列车诱发的地面不同位置处的振动加速度及频率特性。Jakobsen［3］明确了不同类型场地土的振动衰减规律。刘腾等［4］获取了与轨道不同距离处地面的加速度幅值，得出了功率谱、Z振级和1/3倍频结果。邵鸣和等［5］阐述了软土地区运营铁路无砟轨道路基段的地面振动规律。李志毅等［6］通过实测分析了运营铁路诱发环境振动在频域内的传播规律和分布特点。毛昆明等［7］明确了列车振动对高架桥与路基段的影响规律。姚锦宝等［8］得出了3类接触状态下货车引起土体及建筑物的振动大于客车引起的振动。章东强等［9］认为在进行环境振动评价时，须考虑水平风荷载的影响。夏禾等［10］认为列车振动对多层建筑物影响较大，尤其是大轴重的列车振动。姚锦宝等［11］提出考虑土-建筑物弹性作用时建筑物楼层的动力响应峰值比不考虑时低5～10 dB，且建筑物各楼层的峰值振动强度总体上随楼层增加呈现单调递增的趋势。王逢朝等［12］认为列车所引起的地面振动以5 Hz以下的低频为主，且对低层建筑物影响较大。
目前，对列车振动影响的研究大多集中在列车通过路基段引发的建筑物振动问题，对于运营高速列车通过隧道时引发近接建筑物振动问题的研究较少。本文针对某运营高速铁路隧道近接建筑物的振动特性开展试验与理论研究，基于实测数据和数值模拟分析运营高速列车振动对近接地面建筑物的影响。
1 工程概况
某住宅小区拟建场地原为林地和耕地，局部为拆迁场地，地形局部高差较大，地势由西北向东南呈阶梯状逐步升高。拟建场地与隧道的位置关系见图1。东南侧下方有已开通的高速铁路隧道，隧道中线与建筑物红线的水平距离最小为48.6 m，隧道顶部与地面的距离约50.0 m。经由该场地下方铁路线路每天行车约52对，运营时间07：00至22：00，列车间隔9 min。
图1 拟建场地与隧道的位置关系（单位：m）
2 运营列车引起的地面振动特性测试
2.1 测试方案
为了确定列车振动对后期建筑物基础以及人体舒适度的影响，对建筑物红线范围地面的振动特性进行了测试。测试内容为多层建筑区靠近轨道一侧建筑物地面铅垂向振动加速度。主体结构建成前测点布置见图2。测点与右侧建筑物红线的距离最小为5.0 m，与右侧隧道中线的距离最小为53.6 m。
图2 主体结构建成前测点布置（单位：m）
2.2 测试数据处理
为了分析列车振动对近接建筑物与人体的影响，对所测试数据进行功率谱分析、Z振级分析和1/3倍频程分析。其中，振动加速度级VAL计算式［13-14］为
式中：VAL为振动加速度级，dB；a为列车通过时的振动加速度有效值，m/s2；a0为基准加速度，取10-6m/s2。
为保证振动加速度时域和频域分析的准确性和真实性，测试数据处理时消除系统误差，舍弃因过失误差产生的可疑数据，对时域波形进行预检，去掉奇异项、修正零线飘移、趋势项等误差。
2.3 测试结果
2.3.1 功率谱分析
列车以速度300 km/h通过隧道时，2#测点地面竖向振动加速度曲线见图3。可知，在距离轨道中线53.6 m处，地面竖向振动主频白天集中在33.0 Hz左右，夜间集中在42.7 Hz左右，夜间的主频比白天大。
图3 功率谱分析
2.3.2 Z振级分析
根据文献［13-14］，城市轨道交通引起的环境振动基本评价量为列车通过时的铅垂向VLZmax，即Z振级。列车以速度300 km/h通过隧道时，2#测点Z振级分布见图4。可知，2#测点Z振级先波动式上升，再平缓波动，后波动式下降；在距离隧道中线53.6 m处地面的振动加速度级主要集中在20～80 dB。
图4 2#测点Z振级分布
列车以速度300 km/h通过隧道时，地面各测点Z振级分布见图5。可知，地面各测点处Z振级总体趋势是先波动式上升，再平缓波动，后逐渐波动式下降；距离隧道中线53.6 m处地面的4个测点Z振级白天主要集中在50～62 dB，夜间主要集中在52～60 dB。
图5 各测点Z振级分析
2.3.3 1/3倍频程分析
文献［14］中城市轨道交通引起的环境振动基本评价量为建筑物室内4～200 Hz分频振级VLmax值。分频振级按规定的1/3倍频程中心频率Z计权因子进行修正后得到。采用的评价量为1/3倍频程中心频率上的最大振动加速度级，简称分频最大振级。
不同测点处1/3倍频程见图6。可知，运营列车以300 km/h通过隧道时，引起距轨道中线53.6 m处地面各测点分频最大振级白天在48.4～60.8 dB，夜间在47.4～59.4 dB。
图6 1/3倍频程分析
2.3.4 基础处振动速度峰值分析
根据现场实测结果，各测点基础处振动速度峰值见图7。可知：基础处振动速度峰值的基本趋势是先缓慢上升，达到最大值后逐渐降低，然后逐渐再次达到最大，整体呈波浪形分布；1～10 Hz范围内地面测点的速度峰值在0.010～0.030 mm/s，50 Hz时速度峰值在0.020～0.045 mm/s，100 Hz时速度峰值在0.005～0.020 mm/s；总体上基础处振动速度峰值较小，列车振动产生的地面振动对建筑物的影响较小。
图7 基础处振动速度峰值
3 运营列车振动特性数值模拟分析
3.1 计算模型
受测试条件限制，只对某一栋高层建筑物进行了实测，对其他近接建筑物的评价主要依据数值模拟。因此，须结合实测结果验证数值模型（图8）的可靠性。为简化分析，不进行初始应力场的计算。轨道板、支撑层、衬砌、填充层围岩等采用实体solid45单元模拟，60 kg/m钢轨采用beam188梁单元模拟，扣件采用combin14单元模拟。模型共划分65342个单元。
图8 数值模型
3.2 计算参数
计算范围：纵向长度取洞口段50 m；横向自隧道轴线起向两侧各取10倍洞径宽度；竖向向上取到地面，向下取至距离隧道中心10倍洞径处。
边界条件：动力场计算采用黏滞边界以消除应力波反射引起的误差。
材料模型：围岩体采用弹塑性D⁃P本构模型，衬砌、支撑层、轨道板等采用线弹性本构模型。主要物理力学参数根据前期勘察资料取定，具体见表1。
表1 材料主要物理力学参数
进行结构动力计算时须确定结构的阻尼比系数α、β及时间步长∆t等参数。阻尼比系数的计算式为
式中：εk为阻尼比，土体的阻尼比一般在0.01～0.03，计算中取0.02；ωi、ωj为任意两阶频率，Hz。
根据模态分析得到的任意两阶频率ωi和ωj，确定α=0.35，β=0.001，∆t=0.004 s。
3.3 计算结果
对动车组以300 km/h的速度通过隧道时地面的动力响应进行计算分析。
3.3.1 功率谱分析
距离隧道中线53.6 m处地面测点的功率谱见图9。可知，当列车通过隧道时，与轨道中心线水平距离53.6 m处地面振动的主频主要集中在36 Hz左右，这与实测值较为接近。
图9 功率谱分析
3.3.2 Z振级
距离隧道中线53.6 m地面处测点的Z振级见图10。可知，距离隧道中线53.6 m地面处Z振级总的变化趋势是先波动式上升，再平缓波动下降，后逐渐波动式上升，Z振级主要集中在10～80 dB。
图10 Z振级分析
3.3.3 基础振动速度峰值分析
距离隧道中线53.6 m地面基础处振动速度时程曲线见图11。可知，地面测点的速度峰值在-0.210～0.210 mm/s，总体较小，对建筑物基础的影响也较小。
图11 基础处振动速度时程曲线
4 振动噪声特性评价
4.1 对建筑物结构的影响评价
文献［15］规定了建筑结构在时域范围内的容许振动值，见表2。经验表明，若不超过限值，建筑物则不会发生损坏。基础处振动速度有限元计算值为0.210 mm/s，实测值为0.045 mm/s，二者相差较大。原因是有限元计算中地层为弹性体，实际现场地层为多孔散体结构，基本为黏弹性体，对振动波有较大的吸收作用，从而降低了结构的振动效应。根据文献［15］，铅垂向振动速度峰值的实测值与计算值均满足标准要求，运营列车不会影响该建筑区的建筑结构安全。
表2 基础施工对建筑结构影响在时域范围内的容许振动值
4.2 对人体舒适度的影响评价
文献［13-14］规定了建筑物外各种振动源对建筑物容许振动限值的评价，见表3。轨道交通引起的环境振动基本评价量为列车通过时的铅垂向VLZmax（按文献［16］规定的全身振动Z计权因子计算）。铅垂向VLZmax有限元计算值为80 dB，实测值为75 dB，误差在10%以内，且列车引起的振动噪声均满足文献［13-14］的相关标准要求，总体对人体舒适度影响较小。
表3 城市区域环境振动标准限值 dB
5 结论
1）在距轨道中心线水平距离53.6 m处地面各测点振动主频白天集中在33.0 Hz左右，夜间集中在42.7 Hz左右，夜间的主频比白天大。
2）运营列车以300 km/h通过隧道时，各测点处Z振级总体趋势是先波动式上升，再平缓波动，后逐渐波动式下降；在距离隧道中线53.6 m处地面各测点Z振级白天主要集中在50～62 dB，夜间主要集中在52～60 dB；分频最大振级白天位于48.4～60.8 dB，夜间位于47.4～59.4 dB，均小于规范限值。
3）运营列车以300 km/h通过隧道时，基础处振动速度峰值整体呈波浪形分布，振动速度的最大值为0.045 mm/s，小于规范限值。列车振动产生的地面振动对建筑物基础的影响较小。另外，列车产生的振动噪声不会对人体舒适度产生较大影响。
4）在缺乏大量实测结果的条件下，结合小样本实测结果，采用有限元计算结果进行振动响应评价具有一定的可行性。
