趙富壯,馬 樂,鄔玉斌,宋瑞祥,吳雅南

(1.北京城鄉(xiāng)建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,北京 100067； 2.北京市勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)研究所,北京 100054)

城市軌道交通和城市燃?xì)夤芫W(wǎng)是現(xiàn)代城市發(fā)展至關(guān)重要的基礎(chǔ)工程，近年來，在我國大都市城市建設(shè)中得到飛速發(fā)展，地鐵線路同燃?xì)夤芫W(wǎng)及其調(diào)壓站不可避免存在近距離重疊交叉的情況，當(dāng)?shù)罔F線路下穿燃?xì)夤芫€或設(shè)施時(shí)，地鐵施工和列車運(yùn)行會(huì)對(duì)上部燃?xì)庠O(shè)施和管線產(chǎn)生場地土不均勻沉降和環(huán)境振動(dòng)影響兩方面的安全威脅。關(guān)于地鐵施工引起的地層變形及對(duì)上部燃?xì)庠O(shè)施的影響研究已有很多[1-7]，而關(guān)于地鐵列車運(yùn)行對(duì)上部燃?xì)夤艿兰霸O(shè)施產(chǎn)生的振動(dòng)影響研究相對(duì)較少，國內(nèi)一些學(xué)者對(duì)燃?xì)夤芫€受地鐵振動(dòng)影響進(jìn)行了測試和數(shù)值仿真分析，如，朱學(xué)仁等[8]通過振動(dòng)監(jiān)測，對(duì)列車通過鐵路橋時(shí)對(duì)鄰近地下天然氣管道振動(dòng)影響進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)；賀玉龍、翁多斯、吳昭華等[9-11]采用數(shù)值仿真計(jì)算方法，對(duì)城際鐵路或地鐵下穿燃?xì)夤艿酪鸬恼駝?dòng)影響進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)。但目前尚無地鐵列車運(yùn)行對(duì)燃?xì)庹{(diào)壓站設(shè)施振動(dòng)影響方面的研究報(bào)道。長期間歇性地鐵列車荷載會(huì)對(duì)臨近住宅居民生活、精密儀器使用和古建文物安全產(chǎn)生不利影響[12-16]，并引起人們的重視和關(guān)注，而燃?xì)庹{(diào)壓站內(nèi)設(shè)有調(diào)壓器、過濾器、安全裝置、旁通管及測量儀表等重要設(shè)備和儀器，同樣具有較高的振動(dòng)環(huán)境要求，當(dāng)?shù)罔F線路下穿燃?xì)庹{(diào)壓站時(shí)，有必要對(duì)其地鐵振動(dòng)影響情況及控制措施進(jìn)行專項(xiàng)分析研究，確保燃?xì)庹{(diào)壓站的安全運(yùn)行。

以某擬建地鐵線路下穿燃?xì)庹{(diào)壓站實(shí)際工程為例，綜合采用地鐵振動(dòng)影響類比測試和數(shù)值仿真的研究方法，對(duì)擬建地鐵線路對(duì)燃?xì)庹{(diào)壓站的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行預(yù)測分析，并進(jìn)行減振控制措施效果評(píng)估分析，研究成果可為地鐵線路對(duì)燃?xì)庠O(shè)施的振動(dòng)影響評(píng)估及控制措施設(shè)計(jì)提供參考。

1 項(xiàng)目概況

擬建地鐵線路下穿燃?xì)庹{(diào)壓站正下方，地鐵線路與燃?xì)庹{(diào)壓站設(shè)備及主要管線平面位置關(guān)系如圖1所示，燃?xì)庹{(diào)壓站占地面積約11 756 m2，設(shè)有調(diào)壓計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)箱、燃?xì)庵袎赫{(diào)壓箱及過濾器等3個(gè)主要燃?xì)庠O(shè)施，3個(gè)設(shè)施基礎(chǔ)平面尺寸分別為6.5 m×3.5 m，3.5 m×3.5 m和6.5 m×3.5 m。調(diào)壓站內(nèi)外埋有D500中壓燃?xì)夤?、D300次高壓A燃?xì)夤堋100中壓燃?xì)夤艿雀鞣N地下管線，管線埋深在3 m以內(nèi)。圖2為燃?xì)庹{(diào)壓站主要地面設(shè)施現(xiàn)場照片。

擬建地鐵線路采用8節(jié)編組B型車，最高設(shè)計(jì)時(shí)速為80 km，本區(qū)間地鐵線路采用長枕式普通整體道床，扣件為彈性分開式普通扣件，盾構(gòu)隧道內(nèi)半徑2.7 m，地鐵軌面距地面約11 m。本項(xiàng)目地鐵線路未采取軌道減振措施，列車運(yùn)行對(duì)上方燃?xì)庠O(shè)施勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生安全隱患，為此，在燃?xì)庠O(shè)施地鐵振動(dòng)影響預(yù)測分析的基礎(chǔ)上，對(duì)可采取的振動(dòng)控制措施及其效果進(jìn)行了分析研究。

圖1 燃?xì)庹{(diào)壓站與地鐵線路位置示意

圖2 燃?xì)庹{(diào)壓站主要地面設(shè)施現(xiàn)場

2 燃?xì)庹{(diào)壓站設(shè)施地鐵振動(dòng)影響預(yù)測分析

2.1 地鐵振動(dòng)影響預(yù)測分析方法

燃?xì)庹{(diào)壓站地鐵振動(dòng)控制設(shè)計(jì)需首先進(jìn)行地鐵振動(dòng)影響預(yù)測，由于地鐵線路尚未開通運(yùn)行，無法獲取振動(dòng)實(shí)測數(shù)據(jù)，首先選取與本項(xiàng)目地鐵線路條件相似的其他運(yùn)營地鐵線路進(jìn)行地表振動(dòng)響應(yīng)實(shí)測分析，通過類比實(shí)測數(shù)據(jù)了解擬建地鐵對(duì)燃?xì)庹{(diào)壓站場地土的振動(dòng)影響情況。同時(shí)采用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)燃?xì)庹{(diào)壓站3個(gè)設(shè)施基礎(chǔ)位置地鐵振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行預(yù)測分析，首先根據(jù)類比測試現(xiàn)狀條件建立“隧道-場地土”有限元模型，基于有限元模型試運(yùn)算與場地土實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)比反演求解列車輪軌力荷載，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步建立“燃?xì)庹{(diào)壓站場地土-地鐵-燃?xì)庠O(shè)施基礎(chǔ)”有限元模型，以求解的列車輪軌力為輸入源，計(jì)算分析地鐵列車運(yùn)行對(duì)燃?xì)庠O(shè)施基礎(chǔ)位置處的地鐵振動(dòng)影響情況，同時(shí)基于該數(shù)值計(jì)算模型對(duì)控制措施進(jìn)行效果分析。

2.2 地鐵振動(dòng)影響類比測試

根據(jù)燃?xì)庹{(diào)壓站地鐵線路條件選取相似地鐵線路進(jìn)行振動(dòng)響應(yīng)實(shí)測，類比測試條件對(duì)比情況見表1。在地鐵線路正上方地表布設(shè)了加速度傳感器，依據(jù)GB10070-88《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》[17]，采用最大值Z振級(jí)VLZmax作為評(píng)價(jià)量，其評(píng)價(jià)頻率范圍為1～80 Hz，Z振級(jí)實(shí)質(zhì)為加速度級(jí)的計(jì)權(quán)值，加速度級(jí)的計(jì)算公式如下

VAL=20log10(a/a0)

(1)

式中，VAL為加速度振級(jí)，dB；a為振動(dòng)加速度有效值，m/s2；a0為基準(zhǔn)加速度，a0=10-6m/s2。

表2給出了測點(diǎn)位置連續(xù)10輛列車通過時(shí)的VLZmax實(shí)測值，結(jié)果顯示：地鐵列車運(yùn)行時(shí)正上方場地土VLZmax為78～84.8 dB，10輛列車VLZmax平均值為81 dB，圖3給出了典型列車通過時(shí)地表豎向振動(dòng)加速度時(shí)程曲線，類比實(shí)測數(shù)據(jù)可知地鐵列車運(yùn)行將會(huì)對(duì)上方燃?xì)庠O(shè)施產(chǎn)生不可忽略的環(huán)境振動(dòng)影響。

表1 預(yù)測線路與類比線路參數(shù)對(duì)比

表2 地鐵正上方地表VLZmax實(shí)測值 dB

圖3 地鐵隧道上方地表振動(dòng)實(shí)測加速度時(shí)程曲線

2.3 地鐵振動(dòng)影響數(shù)值仿真分析

采用數(shù)值仿真計(jì)算方法進(jìn)行燃?xì)庹{(diào)壓站設(shè)施振動(dòng)影響分析，首先需要確定準(zhǔn)確的列車荷載，由于地鐵未開通無法進(jìn)行振動(dòng)源強(qiáng)實(shí)測，參考文獻(xiàn)[18]，通過場地土振動(dòng)類比測試數(shù)據(jù)反演列車輪軌力，即首先構(gòu)建由一系列不同幅值正弦力組合而成的列車荷載模型，如公式(2)

(2)

式中,F(t)為列車每個(gè)車輪t時(shí)刻作用力；w為每個(gè)車輪承擔(dān)的列車重力，N；θi為相位差；φ(i)為頻率i正弦力幅值調(diào)整系數(shù)；n為關(guān)注振動(dòng)頻率上限值。

根據(jù)類比測試地鐵線路及場地土資料，建立“鋼軌-道床-隧道-巖土”振動(dòng)測試現(xiàn)狀有限元模型，如圖4所示。以公式(2)列車荷載模型作為激勵(lì)源強(qiáng)進(jìn)行場地土地表振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算分析，通過測點(diǎn)位置實(shí)測數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)比不斷優(yōu)化列車荷載模型，直至模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果吻合。圖5為本文方法測點(diǎn)位置計(jì)算加速度時(shí)程曲線及計(jì)算與實(shí)測頻譜對(duì)比圖，綜合圖3和圖5可知，本文方法計(jì)算得到的加速度峰值及頻譜曲線同實(shí)測結(jié)果吻合很好，驗(yàn)證了本文計(jì)算模型的有效性。文獻(xiàn)[18]給出了列車輪軌力求解的具體步驟，在此不再贅述。

圖4 有限元模型

圖5 數(shù)值仿真模型計(jì)算結(jié)果

在數(shù)值仿真模型有效性計(jì)算分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步搭建“隧道-燃?xì)庹緢龅赝?燃?xì)庠O(shè)施基礎(chǔ)”預(yù)測仿真模型(圖6)，為消除反射波對(duì)振動(dòng)計(jì)算精度的影響，模型四周和底部邊界采用能夠同時(shí)模擬散射波輻射和地基彈性恢復(fù)性能的黏彈性人工邊界[19]。采用上述確定的列車荷載,計(jì)算分析燃?xì)庠O(shè)施基礎(chǔ)位置處的振動(dòng)響應(yīng)。

圖6 地鐵振動(dòng)預(yù)測模型及拾振點(diǎn)位

圖7給出了3個(gè)拾振點(diǎn)位置(3個(gè)燃?xì)庠O(shè)施基礎(chǔ)中心位置)地鐵振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算時(shí)程曲線及典型頻譜圖，由圖7可知設(shè)施基礎(chǔ)位置振動(dòng)頻率集中在30～80 Hz，表3給出了3個(gè)位置計(jì)算加速度峰值及最大加速度Z振級(jí)，3個(gè)燃?xì)庠O(shè)施基礎(chǔ)位置地鐵振動(dòng)最大Z振級(jí)預(yù)測值在78.3～81.4 dB，加速度峰值在0.155～0.22 m/s2。

圖7 計(jì)算加速度時(shí)程及典型頻譜

表3 振動(dòng)影響計(jì)算結(jié)果

3 振動(dòng)控制措施研究

3.1 燃?xì)庹{(diào)壓站設(shè)施振動(dòng)控制限值分析

燃?xì)庹{(diào)壓站設(shè)施地鐵振動(dòng)控制設(shè)計(jì)，需要首先確定燃?xì)庹驹O(shè)施耐振要求限值，結(jié)合地鐵振動(dòng)影響預(yù)測結(jié)果，明確控制措施設(shè)計(jì)需求量，依此進(jìn)行控制方案設(shè)計(jì)。目前，國內(nèi)外尚未見燃?xì)庹{(diào)壓站設(shè)施的相關(guān)振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)限值研究，GB10070—88《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定了城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)值及其適用地帶范圍，見表4，本文以工業(yè)集中區(qū)晝間75dB振動(dòng)限值作為本工程的振動(dòng)控制設(shè)計(jì)限值。根據(jù)地鐵振動(dòng)預(yù)測結(jié)果，燃?xì)庹{(diào)壓站3個(gè)設(shè)施基礎(chǔ)地鐵振動(dòng)均超出標(biāo)準(zhǔn)限值要求，有必要進(jìn)行減振控制設(shè)計(jì)。

表 4 城市各類區(qū)域鉛垂向Z振級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值 dB

3.2 振動(dòng)控制措施及隔振原理

目前常用的地鐵振動(dòng)控制措施主要包括軌道源強(qiáng)減振、傳播途徑隔振和受振體自身防護(hù)3種。本項(xiàng)目軌道結(jié)構(gòu)已設(shè)計(jì)完成，較難采用更高級(jí)別的軌道減振措施；傳播途徑隔振主要包括隔振溝、隔振墻、排樁等，適用于地面列車振源，對(duì)于地下列車振源其減振效果受埋深參數(shù)影響較大，實(shí)際工程應(yīng)用較少，且本項(xiàng)目燃?xì)庠O(shè)施位于地鐵線路正上方，實(shí)施空間受限；本項(xiàng)目燃?xì)庹{(diào)壓站在地鐵隧道下穿施工過程中將進(jìn)行搬遷重建，因此有進(jìn)行燃?xì)庠O(shè)施自身振動(dòng)控制設(shè)計(jì)和實(shí)施條件。

隔振措施效果通常用隔振系數(shù)表示，也稱為振動(dòng)傳遞系數(shù)，即經(jīng)過隔振系統(tǒng)后的振動(dòng)幅值與輸入振動(dòng)幅值之比，隔振系數(shù)計(jì)算公式如下[20]

(3)

式中,ξ為阻尼比；ω為激振頻率；ω0為系統(tǒng)固有頻率。

3.3 燃?xì)庹{(diào)壓站設(shè)施隔振方案

基于上述隔振原理，綜合考慮隧道施工引起的場地不均勻沉降問題，燃?xì)庠O(shè)施采用“厚重筏板共用基礎(chǔ)+箱形基礎(chǔ)”形式，筏板基礎(chǔ)底部、箱形基礎(chǔ)底部及其側(cè)壁鋪設(shè)彈性減振墊層，通過降低“燃?xì)庠O(shè)施-基礎(chǔ)-彈性減振層”系統(tǒng)豎向固有頻率避開地鐵振動(dòng)主頻的方式達(dá)到隔振目的，同時(shí)將新建燃?xì)庹{(diào)壓站設(shè)施位置盡量遠(yuǎn)離地鐵線路，圖8給出了回遷新建燃?xì)庠O(shè)施基礎(chǔ)隔振方案示意。

圖8 燃?xì)庠O(shè)施隔振方案示意(單位：m)

如圖8所示，厚重共用筏板基礎(chǔ)厚1 m、寬12 m、長42.8 m，筏板基礎(chǔ)下方鋪設(shè)彈性減振墊層，筏板基礎(chǔ)上方設(shè)有3個(gè)燃?xì)庠O(shè)施箱形基礎(chǔ)，箱形基礎(chǔ)上方及四周鋪設(shè)彈性減振材料，通過雙層減振墊層系統(tǒng)降低地鐵列車對(duì)上部燃?xì)庠O(shè)施的振動(dòng)影響。

3.4 彈性減振材料選型

為獲得理想的減振效果，需要根據(jù)基礎(chǔ)基底壓應(yīng)力選取合理的減振材料，減振材料承載力極限一方面要小于基底壓應(yīng)力，以免喪失彈性或影響使用壽命，無法起到較好的減振效果，另一方面基礎(chǔ)壓應(yīng)力相對(duì)于材料承載力強(qiáng)度又不能太小，確保材料負(fù)載后處于最佳工作應(yīng)力狀態(tài)。經(jīng)計(jì)算，調(diào)壓箱基礎(chǔ)壓力荷載為145 kPa、計(jì)量箱基礎(chǔ)壓力荷載為140 kPa、過濾器基礎(chǔ)壓力荷載為125～142 kPa、筏板基礎(chǔ)壓力荷載為122～148 kPa；由于基礎(chǔ)底部各位置壓力相差不大，本文采用同一種聚氨酯彈性材料；由于不同埋深位置箱形基礎(chǔ)側(cè)壁土壓力不同，根據(jù)土壓力計(jì)算值，本文側(cè)壁選用了兩種聚氨酯減振材料，地面以下1.5m范圍采用一種材料(側(cè)墊一)、地下1.5～2.9 m采用一種材料(側(cè)墊二)。表5給出了3種減振材料基本物理參數(shù)。圖9給出了底墊減振材料固有頻率曲線。

表5 減振材料物理參數(shù)

圖9 底墊材料固有頻率曲線

本文筏板基礎(chǔ)與箱形基礎(chǔ)底部壓應(yīng)力在122～148 kPa，由圖9可知，減振墊越厚，系統(tǒng)固有頻率越低，當(dāng)基礎(chǔ)底部減振厚度>3.75 cm，系統(tǒng)固有頻率理論計(jì)算<10 Hz，減振墊厚度為2.5 cm時(shí)，系統(tǒng)固有頻率<15 Hz，由圖7可知，地鐵振動(dòng)預(yù)測頻率主要集中在30～80 Hz，依據(jù)隔振設(shè)計(jì)原理，本項(xiàng)目基礎(chǔ)底部鋪設(shè)2.5 cm厚以上的減振墊即可起到減振效果。

3.5 控制效果分析

為了驗(yàn)證隔振方案的有效性，建立“隧道-巖土-減振墊-筏板基礎(chǔ)-減振墊-箱形基礎(chǔ)”數(shù)值仿真有限元模型，采用預(yù)測模型中相同的列車荷載作為輸入源強(qiáng)，計(jì)算分析了實(shí)施減振措施后燃?xì)庠O(shè)施基礎(chǔ)位置處的地鐵振動(dòng)響應(yīng)情況。

圖10為控制措施計(jì)算模型，模型采用阻尼彈簧單元模擬減振墊層，本文按系統(tǒng)設(shè)計(jì)固有頻率為8 Hz進(jìn)行效果計(jì)算分析，基于數(shù)值模型中減振墊上部實(shí)際負(fù)重荷載及減振材料相關(guān)物理參數(shù)進(jìn)行彈簧單元參數(shù)賦值。

圖10 整體有限元模型及基礎(chǔ)模型細(xì)節(jié)

圖11 實(shí)施措施后典型加速度計(jì)算時(shí)程曲線

選取3個(gè)箱形基礎(chǔ)頂板靠近地鐵線路一側(cè)4個(gè)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行效果分析(圖10)，圖11為4個(gè)位置處的加速度計(jì)算時(shí)程曲線，表6為4個(gè)位置處的計(jì)算加速度峰值及最大加速度Z振級(jí)，對(duì)比表3可知，實(shí)施減振措施后，燃?xì)庠O(shè)施基礎(chǔ)位置地鐵振動(dòng)響應(yīng)有明顯的降低，最大加速度Z振級(jí)降至69.9～73.4 dB，4個(gè)位置加速度峰值降為0.061～0.093 m/s2，4個(gè)位置平均加速度峰值為0.075 m/s2，無減振措施時(shí)3個(gè)位置處的平均加速度峰值為0.191 m/s2，實(shí)施隔振措施后，平均加速度峰值相比下降61%。

表6 實(shí)施措施后振動(dòng)影響計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

地鐵線路下穿燃?xì)庹{(diào)壓站會(huì)對(duì)上方設(shè)施產(chǎn)生長期間歇性環(huán)境振動(dòng)影響，在地鐵列車荷載作用下地面燃?xì)庠O(shè)施的振動(dòng)響應(yīng)特性、控制要求及措施值得研究，以某擬建地鐵線路下穿燃?xì)庹{(diào)壓站實(shí)際工程為分析對(duì)象，采用地鐵振動(dòng)影響類比測試和數(shù)值仿真計(jì)算分析方法，對(duì)燃?xì)庹{(diào)壓站地面燃?xì)庠O(shè)施振動(dòng)影響情況和控制措施進(jìn)行了分析研究，研究結(jié)論如下。

(1)計(jì)算結(jié)果表明：未采取振動(dòng)控制措施時(shí)，燃?xì)庹{(diào)壓站3個(gè)設(shè)備基礎(chǔ)位置處的最大加速度Z振級(jí)為78.3～81.4 dB，加速度峰值為0.155～0.22 m/s2，地鐵對(duì)上方燃?xì)庠O(shè)施基礎(chǔ)產(chǎn)生較明顯的振動(dòng)影響。

(2)綜合考慮地鐵施工場地變形和列車運(yùn)行振動(dòng)影響，提出了“減振墊層-厚重共用筏板基礎(chǔ)-減振墊層-箱形基礎(chǔ)”的隔振方案，計(jì)算結(jié)果表明：實(shí)施控制措施后，3個(gè)燃?xì)庠O(shè)施基礎(chǔ)位置最大加速度Z振級(jí)降為69.9～73.4 dB，加速度峰值降為0.061～0.093 m/s2，相比加速度峰值平均值下降61%，說明控制措施具有明顯的減振效果，本文研究成果可為類似工程的地鐵環(huán)境振動(dòng)影響預(yù)測評(píng)估及控制措施設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和借鑒。