地裂缝地层盾构隧道地铁振动效应试验研究

杨 觅，宫飞祥，王 鹏

（1.陕西交通控股集团有限公司，陕西 西安 710065；2.西安建筑科技大学 环境与市政工程学院，陕西 西安 710054；3.西安中交公路岩土工程有限责任公司，陕西 西安 710075）

当前，我国正在大力进行城市轨道交通建设，在许多城市，地铁的建设正如火如荼。然而，地铁线路很多都通过城市主干道，如西安地铁2号线，沿线不仅有钟楼、明城墙等古建筑，还有许多学校、医院、科研院所等单位。地铁运行引起的振动对沿线新老建筑物以及人们的工作和生活都有一定的影响。因此，系统地研究地铁振动在周围环境中的传播衰减特征是很有必要的，这有利于探求防灾减振措施。对地铁振动在地层中传播规律及减振措施研究的传统手段主要是数值模拟[1-2]和现场测试[3-4]。但是，数值模拟很难模拟真实的车辆-轨道-隧道-地层相互作用系统，且因计算模型的简化性及参数取值的主观性，使其结果一般用于地铁诱发振动问题的定性分析；现场测试是获取原始地铁振动数据的有效手段，但其受周围环境干扰振动的影响较大，测试结果有时不尽如人意。针对以上不足，国内有一些团队开展了地铁诱发环境振动的模型试验研究[5-6]。在西安，有许多学者针对地铁振动问题开展了数值模拟[7]和实地测试[8]研究，笔者也针对西安地铁跨地裂缝带的马蹄形隧道车致围岩动力响应问题开展了数值模拟研究[9]。西安城区地裂缝发育，盾构隧道是西安地铁建设过程中采用较多的一种结构形式，针对地裂缝场地盾构隧道的地铁振动效应研究是现有研究鲜有涉及的领域。

基于现有研究的不足，为揭示地裂缝场地盾构隧道的地铁振动响应特征，本文采用室内缩尺比例模型试验的方法，设计并开展地铁动荷载作用下盾构隧道-地裂缝-地层动力响应试验，分析振动波在地裂缝邻近土层中的传播衰减规律，地裂缝及车速对土层振动响应的影响规律，以期为地铁振动控制问题的理论研究和地铁工程的减振设计提供参考。

1 试验设计

本试验属于课题研究的一部分，详细的试验方案可参看文献[10]，此处简要介绍模型试验概况和测试方案情况。

1.1 试验概况

试验为缩尺比例模型试验，基本物理量中几何相似比Cl=5，弹性模量相似比CE=2，质量密度相似比Cρ=1。导出物理量中时间、频率、加速度、集中力的相似比分别为Ct=3.54，Cf=0.28，Ca=0.4，CF=50。采用自制的模型箱自天然地面开始，逐层填筑西安地区黄土以模拟地铁振动传播的地层环境，模型箱尺寸（纵向×横向×高度）为8.1 m×6.5 m×6.0 m。在箱体内侧铺贴聚氯乙烯塑料薄膜并涂覆一层工业黄油，以减弱振动波的反射。隧道结构为盾构隧道型式，纵向长度为8.1 m，顶部埋深2.0 m，沿南北方向埋设。隧道与地裂缝90°相交，地裂缝倾角为80°，模型三维结构图如图1所示。

图1 模型三维结构图（单位：m）

隧道管片每环包括3个标准块、2个邻接块和1个封顶块，结构图如图2所示。管片环宽0.30 m，环向块与块之间、纵向环与环之间采用4.8级M8螺栓连接，整个隧道共27环，从上盘至下盘第14、15环管片与地裂缝相交。管片材料为钢筋混凝土，在预制的钢模具中浇筑成型，强度等级为C25。管片配筋根据等强度原则确定，标准块环向配筋2层，每层7根φ4钢筋，间距40 mm，即2×φ4@40；纵向配筋2层，每层8根φ3钢筋，间距80 mm，即2×φ3@80。邻接块和封顶块也按此间距布筋。模型道床不安置钢弹簧，道床采用C20混凝土现场浇筑，钢轨采用12 kg/m轨，扣件采用特制的Q235钢片扣件。

图2 盾构管片结构图（单位：m）

1.2 地裂缝的模拟

在土层夯填过程中，预设地裂缝斜面并在其上涂抹一薄层重晶石粉，用以作为地裂缝断裂面的标记。在土层填筑完成，且完成前期对照组试验相关测试工作后，用洛阳铲在模型顶部地面沿预设的斜面向下掏挖一道地裂缝，水平向缝宽35 mm，将粉细砂填入缝中以模拟地裂缝介质。

1.3 激振系统

实际的地铁荷载可认为由车轮静载和一系列简谐动荷载叠加而成，室内的模型试验一般采用简谐荷载作为激励。本课题组研制了一套激振系统，由振动设备、牵引装置、安全装置和控制系统组成，激振原理为偏心轮的转动而产生一个正弦激励荷载，该荷载通过车轮和轨道传递于基底。激振频率范围为0～50 Hz，激振力幅值变化范围为0～10.36 kN。牵引装置可实现变向、变速、即时制动的功能，牵引速度范围为0～0.5 m/s，激振系统实物图如图3所示。

图3 激振系统实物图

1.4 采集系统与测点布置

试验采集土体的振动加速度数据，采用TST5915动态信号测试分析系统和TST121A-100型压电式加速度传感器。在隧道正下方和正上方土中各选取6个测点，编号为T1～T6和T7～T12，上、下盘测点分别形成两个测点集J1、J2。测点布设图如图4所示，加速度传感器均竖向安置。

图4 土中各测点布设图（单位：m）

1.5 加载与测试方案

试验时，振动设备定点激发出单一频率的简谐荷载，加载点为第15环管片处。各激振力参数见表1。

表1 各激振力参数

为了对比有无地裂缝条件下隧道周围土层的振动响应，模型制作完成后，先进行无地裂缝工况下地层的振动响应测试，然后制作地裂缝，接着进行有地裂缝工况下地层的振动响应测试。

2 试验结果

对于试验测试的振动加速度信号，在分析之前先进行去直流、数字滤波和去除趋势项等预处理。经预处理的测试信号按相似关系还原到原型体系中。第2.1、2.2小节分析数据对应于原型列车的轴重为5.4 t，车速为44.8 km/h。第2.3小节对试验数据作归一化处理，对应于原型列车的轴重为14 t。

2.1 振动加速度有效值分析

图5为土中各测点竖向加速度有效值的分布曲线。分析图5可知，紧贴衬砌底部和顶部各测点的加速度有效值相差不大，随着距衬砌距离的增加，两测点集加速度有效值衰减显著，但不同条件下加速度有效值出现明显差异，具体表现为：与无地裂缝时的常规值相比，在衬砌下部，有地裂缝时上盘土中加速度有效值有所增大，最大增幅为48.8%；下盘土中加速度有效值有所减小，最大减幅为22.7%；在衬砌上部，上盘加速度有效值有所减小，最大减幅为15.4%；下盘加速度有效值有所增大，最大增幅为17.5%。

图5 土中各测点竖向加速度有效值分布曲线

可见，地裂缝对地铁盾构隧道围岩车致加速度响应影响显著，会使振动出现增强和减弱的效果，且对上下盘和衬砌上下部地层振动加速度响应的影响有一定差异。考虑到地裂缝对其邻近一定范围内土体振动强度的放大效应和上下盘土体振动强度的显著差异性，建议在进行跨地裂缝地铁盾构隧道设计时，针对轨道采取有效的减振措施。

2.2 振动加速度级分析

图6为地裂缝场地土中各测点1/3倍频程各中心频率处的振动加速度级分布曲线。分析图6可知：（1）振动在土中的传播衰减特征表现为近振源处80 Hz及以上高频成分的振动加速度级量值明显大于80 Hz以下频率成分的量值，但沿竖向随距衬砌距离的增加，80 Hz及以上频率成分的振动衰减速度更快，且100 Hz及以上频率成分的振动呈现一致衰减的规律。（2）大部分频率成分的振动加速度级随距衬砌距离的增加而减小，而衬砌上部1～40 Hz频率成分的振动加速度级在接近地表处出现了反弹增大现象，衬砌下部5～80 Hz频率成分的振动加速度级在局部位置出现了显著的反弹增大现象。衬砌下部土层中振动局部放大的原因是地裂缝介质对振动波的反射和折射，引起波的叠加增强效应，衬砌上部土层中振动局部放大的原因是地裂缝介质或地表对振动波的反射和折射，引起波的叠加增强效应。

图6 地裂缝场地土中各测点1/3倍频程各中心频率处的振动加速度级分布图

可见，地裂缝对地铁盾构隧道围岩车致振动响应中1～80 Hz频率成分的振动有促进波动叠加相干的效应，导致局部位置振动有所增强。在进行跨地裂缝地铁盾构隧道工程减隔振设计时，靠近振源区域，各频段内的振动均不能忽视，远离振源区域，减隔振的主要考虑频段为1～80 Hz。

2.3 车速对加速度响应的影响分析

图7为地裂缝场地土中典型测点的竖向振动加速度有效值随车速的变化曲线。

从图7中可知：（1）随着车速的增加，各测点加速度有效值均呈现递增趋势，但增加幅度由快变缓，过渡车速约为67.2 km/h，且在22.4～67.2 km/h和67.2～89.6 km/h两个区间内，加速度有效值随车速的增加均呈线性规律增加。（2）各测点加速度有效值随车速的增加幅度有一定差异，衬砌下部上盘T1测点的增加幅度较下盘T2测点大，衬砌上部下盘T12测点的增加幅度较上盘T11测点大。可见，跨地裂缝地铁盾构隧道车致围岩振动加速度强度随行车速度的增加而增加，但上、下盘的增加幅度有一定差异，且存在临界速度，约为67.2 km/h，超过临界速度后车速对振动响应的影响不显著。该临界速度接近于目前西安地铁列车的最高运行速度，可以认为，适当降低车速可以较显著地减小跨地裂缝盾构隧道围岩的振动强度。

图7 地裂缝场地土中典型测点的竖向加速度有效值随车速的变化曲线

3 结论

根据跨地裂缝盾构隧道围岩地铁振动响应的模型试验数据分析，所得结论如下：

（1）地裂缝场地盾构隧道围岩对地铁振动有显著的衰减作用，且高频成分振动衰减更快。

（2）地裂缝对衬砌上部土中1～40 Hz和下部土中5～80 Hz频段内部分成分的振动波产生叠加增强效应，总体振动强度在上下盘地裂缝附近出现放大和缩小的不均匀分布特征，建议在进行跨地裂缝地铁工程设计时加强轨道处的减振措施。

（3）地铁盾构隧道围岩振动加速度随行车速度的增加呈先迅速增加后缓慢增加的趋势，过渡车速约为67.2 km/h。