黃 強(qiáng)， 姚湘靜， 黃宏偉， 葛世平

(1. 同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系 上海, 200092)(2. 同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海, 200092) (3.上海申通地鐵集團(tuán)有限公司地鐵維護(hù)保障中心 上海, 201102)

引 言

近年來，我國城市軌道交通建設(shè)快速發(fā)展，運(yùn)營里程持續(xù)增加。與此同時(shí)，地鐵運(yùn)行引起的環(huán)境振動(dòng)問題引起了人們的日益關(guān)注，并成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。地鐵線路常穿過城市中心，兩側(cè)高樓林立，地下管線繁多，列車運(yùn)行引起的振動(dòng)直接影響著建筑物安全、精密儀器的正常使用和居民的日常生活[1]。另外，地鐵振動(dòng)還可能通過影響周圍的軟弱地層，威脅到地鐵列車的運(yùn)行安全[2]。

現(xiàn)場實(shí)測可以真實(shí)了解場地的振動(dòng)規(guī)律，并為理論分析和數(shù)值模擬提供驗(yàn)證依據(jù)，在實(shí)際中常被采用。例如，栗潤德等[3]研究了地鐵引起的地面振動(dòng)及其對(duì)精密儀器的影響，其研究結(jié)果表明地面振動(dòng)存在一個(gè)“等振頻率”，大于“等振頻率”的范圍，地面振動(dòng)主要受距離的影響。閆維明等[4]對(duì)北京地鐵1號(hào)線地表振動(dòng)進(jìn)行了測試，提出了地面振級(jí)的經(jīng)驗(yàn)預(yù)測公式，發(fā)現(xiàn)距離隧道一定處地表存在振動(dòng)放大區(qū)。樓夢麟等[2]對(duì)上海地鐵運(yùn)行引起的地面振動(dòng)進(jìn)行了實(shí)測，認(rèn)為地鐵運(yùn)行引起的地面振動(dòng)頻率主要集中在40～90 Hz，其中60～80 Hz高頻成分對(duì)應(yīng)的振級(jí)最大，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)地表振動(dòng)在衰減過程中存在回升區(qū)。王田友[5]對(duì)上海地鐵1號(hào)線實(shí)測后認(rèn)為地鐵引起地面振動(dòng)頻率在20～80 Hz，加速度振級(jí)高頻部分衰減明顯大于低頻部分，地鐵所致隧道正上方振級(jí)在70～75 dB。袁揚(yáng)等[6]對(duì)小半徑曲線段地鐵線路的地面振動(dòng)進(jìn)行了測試，結(jié)果表明，在曲線段距離隧道50m內(nèi)，水平振動(dòng)是豎向振動(dòng)強(qiáng)度的2～5倍，水平加速度頻率的主要成分在30～120 Hz。此外，文獻(xiàn)[7-8]對(duì)地表列車運(yùn)行周圍臨近建筑物的影響進(jìn)行了實(shí)測，認(rèn)為列車引起的振動(dòng)頻率在30～120 Hz，車速對(duì)地面振動(dòng)有影響，地面振動(dòng)隨著離振源距離增加呈波動(dòng)衰減。劉鵬輝等[9]對(duì)不同軌道結(jié)構(gòu)下地鐵隧道振動(dòng)進(jìn)行了測試，發(fā)現(xiàn)地鐵振動(dòng)源頻譜呈寬頻帶特性，鋼軌的加速度頻譜以630～1 000 Hz為主。

可以看出，現(xiàn)場實(shí)測作為一種了解地鐵環(huán)境振動(dòng)的重要手段被廣泛采用。盡管目前對(duì)地鐵列車引起的環(huán)境振動(dòng)有諸多的現(xiàn)場測試，但這些測試都只在地表或是隧道內(nèi)部進(jìn)行，鮮有對(duì)隧道周圍地層也進(jìn)行實(shí)測，因而無法有效把握列車振動(dòng)全過程的傳播規(guī)律。基于此，筆者以上海飽和軟土地鐵隧道為例，對(duì)地鐵列車運(yùn)行引起的軌道-隧道-地層-地表振動(dòng)全過程進(jìn)行現(xiàn)場測試，分析地鐵振動(dòng)在不同監(jiān)測對(duì)象中的振動(dòng)特征，特別是在周圍飽和軟黏土中的傳播規(guī)律，可為理論分析和數(shù)值計(jì)算提供參照。

1 現(xiàn)場實(shí)測簡介

1.1 測點(diǎn)布置

為測試地鐵運(yùn)行引起的隧道結(jié)構(gòu)及周圍軟黏土的振動(dòng)響應(yīng)，現(xiàn)以上海地鐵9號(hào)線三期醉白池站-松江南站區(qū)間隧道為背景，在隧道內(nèi)部及周圍土層中布置加速度傳感器，測點(diǎn)都位于同一個(gè)橫斷面內(nèi)，水平距離為0～30 m。測試區(qū)段地鐵線路位于一緩和曲線上(相鄰圓曲線半徑R=450 m)，場地開闊，遠(yuǎn)離市中心，周圍有民宅、企事業(yè)單位，建筑物主要為磚混結(jié)構(gòu)。距離測試地點(diǎn)30多米，基本可忽略建筑物對(duì)現(xiàn)場振動(dòng)測試的影響，現(xiàn)場平面圖如圖1所示。

圖1 測試場地線路平面圖(單位：m)Fig.1 Plan of the measured metro line (unit: m)

現(xiàn)場測試對(duì)象為軌道結(jié)構(gòu)(鋼軌和道床)、隧道壁、周圍土層和地表。隧道內(nèi)和周圍地層加速度計(jì)測點(diǎn)布置如圖2和圖3所示。隧道內(nèi)部布置5個(gè)加速度計(jì)，分別位于鋼軌腰部、鋼軌底上部、鋼軌底下部、道床及隧道壁，采樣頻率為5 kHz。周圍土層內(nèi)共布置26個(gè)測點(diǎn)，分別距隧道中心0，4.6，9.3，12.4，15.5 m，豎向平行排列布置，加速度計(jì)的采樣頻率為2 000 Hz。地表布置5個(gè)加速度計(jì)，分別距隧道中心線0，5，10，20，30 m，加速度計(jì)的采樣頻率為300 Hz。隧道周圍土層從上至下依次為：①1雜填土；②1粉質(zhì)黏土；③1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土；④1淤泥質(zhì)黏土；⑤1黏土；⑤2砂質(zhì)粉土；⑦2粉細(xì)砂。

圖2 隧道內(nèi)部測點(diǎn)布置Fig.2 Measurement points inside the tunnel

圖3 土層內(nèi)及地表加速度計(jì)布置圖(單位：m)Fig.3 Arrangement of accelerometers in the soil layers and on the ground surface (unit: m)

加速度計(jì)的測試方向定義如下：隧道縱向?yàn)閄向；隧道橫斷面水平向?yàn)閅向；豎直方向?yàn)閆向。隧道內(nèi)鋼軌底部測點(diǎn)測試方向?yàn)閆向，鋼軌腰部為Y向，隧道壁和道床為Z和Y兩個(gè)方向，土層中測點(diǎn)則為Z，Y，X三個(gè)方向。

1.2 地鐵振動(dòng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

由于地鐵振動(dòng)的頻率范圍較寬，不能只考慮加速度峰值，應(yīng)對(duì)其整個(gè)時(shí)程進(jìn)行評(píng)價(jià)。根據(jù)《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》(GB10071-88)[10]，采用振動(dòng)加速度振級(jí)評(píng)價(jià)地鐵列車運(yùn)行引起的振動(dòng)，加速度振級(jí)的計(jì)算公式如下

(1)

其中：ae為不同頻率下計(jì)權(quán)修正后得到加速度有效值，計(jì)算公式如下

(2)

其中：ai為第i個(gè)中心頻率下的加速度有效值；Ci為第i個(gè)中心頻率對(duì)應(yīng)的計(jì)權(quán)修正值，當(dāng)不需考慮計(jì)權(quán)修正時(shí)，Ci為零；aref為基準(zhǔn)加速度，10-6m/s2。

上述振動(dòng)加速度有效值即為加速度均方根值，按下式計(jì)算

(3)

其中：T為時(shí)長；a為任一時(shí)刻的加速度。

對(duì)于離散的加速度時(shí)程數(shù)據(jù)，則用頻域幅值譜各離散頻率的加速度有效值計(jì)算，即采用第i個(gè)中心頻率所在頻帶內(nèi)m個(gè)離散點(diǎn)的加速度值求得

(4)

2 振動(dòng)實(shí)測結(jié)果

測試段地鐵列車為6節(jié)編組，A型車，每節(jié)車長22.8 m，時(shí)速約50～60 km/h，列車駛過測點(diǎn)時(shí)間約8～10 s。地鐵采用UIC60鋼軌，“科隆蛋”減振扣件，現(xiàn)澆整體式道床。每個(gè)測點(diǎn)采集21組振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計(jì)21組加速度數(shù)據(jù)的峰值及其振級(jí)，最后得到每個(gè)測點(diǎn)的加速度平均峰值和振級(jí)，同時(shí)，對(duì)加速度時(shí)程數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析。

2.1 鋼軌-隧道振動(dòng)規(guī)律

在本研究中，Z向、Y向、X向加速度分別表示為aX,aY和aZ；對(duì)應(yīng)的振級(jí)分別為IZ,IY和IX。

鋼軌、道床、隧道壁Z向和Y向的加速度平均峰值與振級(jí)如表1所示。鋼軌、道床和隧道壁的振級(jí)屬于工程振動(dòng)，不需要考慮人體的感受，這里不對(duì)其振級(jí)計(jì)權(quán)考慮。從加速度統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，鋼軌的振動(dòng)以Z向?yàn)橹?，但由于測試段位于曲線段，Y向振動(dòng)也較明顯。鋼軌振動(dòng)傳至道床時(shí)加速度振幅急劇減少，Z向加速度從112.54 m/s2降至0.184 m/s2，兩者相差幾個(gè)數(shù)量級(jí)。由于道床和隧道連接為整體，故振動(dòng)由道床傳至隧道壁時(shí)，振動(dòng)強(qiáng)度只有輕微的降低，Z向加速度由0.18 m/s2降至0.11 m/s2。同時(shí)，Y向加速度由0.20 m/s2變?yōu)?.105 m/s2，兩者相差不大。與加速度峰值變化規(guī)律類似，由鋼軌傳至道床時(shí)加速度振級(jí)也會(huì)急劇減少，Z振級(jí)由140.42 dB降至89.21 dB，Y振級(jí)由135.06 dB降至88.26 dB，下降幅度分別高達(dá)37%和35%。從道床傳至隧道壁時(shí)，加速度振級(jí)只有輕微減少。選擇其中有代表性加速度實(shí)測數(shù)據(jù)，鋼軌、道床、隧道壁的Z向加速度時(shí)程如圖4所示。

表1隧道內(nèi)部測點(diǎn)加速度平均峰值及振級(jí)

Tab.1Averageaccelerationpeakandaccelerationlevelofmeasurementpointsinthetunnel

測點(diǎn)aZ/(m·s-2)IZ/dBaY/(m·s-1)IY/dB鋼軌上139.340141.63鋼軌下112.540140.42道床 0.18489.21 0.20088.260隧道壁0.11084.21 0.10583.600鋼軌腰103.070135.060

圖4 隧道內(nèi)部測點(diǎn)Z向加速度時(shí)程Fig.4 Time history of vertical acceleration of measurement points in the tunnel

2.2 隧道周圍地層振動(dòng)規(guī)律

由于周圍土層內(nèi)部測點(diǎn)較多，這里只給出隧道正下方1#測點(diǎn)及隧道一側(cè)A024測點(diǎn)的結(jié)果，測點(diǎn)加速度平均峰值及振級(jí)如表2所示?？梢钥闯?，在隧道正下方，土層的振動(dòng)以Z向?yàn)橹鳎琗向與Y向振動(dòng)加速度則較接近。在隧道側(cè)向近處，如A024側(cè)點(diǎn)，土體仍以Z向振動(dòng)為主，但Y向加速度明顯增大，表明Y向振動(dòng)在隧道側(cè)面較為明顯，這可能和線路為曲線段有關(guān)。需要提到的是，在隧道正下方，Z向加速度理應(yīng)隨著深度增加而減少，但表2中2#測點(diǎn)垂向加速度小于3#測點(diǎn)，這可能是2#測點(diǎn)位于不同土層交界面上，測試誤差導(dǎo)致。對(duì)比隧道近處土層和隧道壁的加速度值，發(fā)現(xiàn)土層中Z向加速度振幅值有所增加。給出隧道下方測點(diǎn)的Z向加速度時(shí)程曲線，如圖5所示。

表2土層測點(diǎn)加速度平均峰值和振級(jí)

Tab.2Averageaccelerationpeakandaccelerationlevelofmeasurementpointsinthesoillayers

測點(diǎn)加速度/(m·s-2)振級(jí)/dBaZaYaXIZIYIX1#0.2870.0720.07995.383.885.42#0.1350.0970.09291.487.288.83#0.1670.0710.07392.284.685.2A0240.2960.1860.03595.592.879.8

圖5 隧道正下方測點(diǎn)Z向加速度時(shí)程Fig.5 Time history of vertical acceleration of measurement points below the tunnel invert

根據(jù)隧道周圍土層中26個(gè)測點(diǎn)的加速度平均峰值及計(jì)權(quán)加速度振級(jí)(土體振動(dòng)屬于環(huán)境，采用計(jì)權(quán))，繪制出隧道周圍土層Z向加速度和加速度振級(jí)等值線圖，如圖6、圖7所示。土層的加速度呈弧形輻射狀向外衰減，隧道周圍30 m范圍內(nèi)的Z向加速度幅值為0.002～0.300 m/s2。Z向加速度最大值在隧道正下方，加速度振幅基本隨著離隧道距離增加而衰減，局部有放大效應(yīng)。在離隧道15 m范圍，Z向振級(jí)在68～96 dB，距離隧道30 m時(shí)，Z向振級(jí)可降至58 dB。

圖6 周圍地層Z向加速度等值線Fig.6 Contour of vertical acceleration in the soil layers

圖7 周圍地層Z向加速度振級(jí)等值線Fig.7 Contour of vertical acceleration level in the soil layers

2.3 地表振動(dòng)規(guī)律

地表橫向布置5個(gè)測點(diǎn)，得到地表測點(diǎn)的加速度平均峰值和振級(jí)如表3所示。從實(shí)測的地表加速度看，地表Y向加速度幅值大于Z向，比值可達(dá)2～3倍，與文獻(xiàn)[6]中曲線段振動(dòng)測試結(jié)果一致，表明曲線段會(huì)使得地表水平振動(dòng)明顯大于垂向振動(dòng)。可見，對(duì)于曲線段，只用豎向振級(jí)來評(píng)價(jià)環(huán)境振動(dòng)是不夠的。隨著測點(diǎn)遠(yuǎn)離隧道水平距離增加，Z向和Y向的加速度峰值快速衰減。對(duì)比地表的加速度振級(jí)，隨著水平距離的增加，振級(jí)呈下降的趨勢，但30 m處振級(jí)比20 m處的稍大，表明在20～30 m地表會(huì)有一個(gè)加速度放大區(qū)，振級(jí)在20～30 m先增加再衰減，這種現(xiàn)象在一些振動(dòng)監(jiān)測現(xiàn)場中也發(fā)現(xiàn)過[2,4,6-8]。地表振動(dòng)中的局部放大現(xiàn)象與波傳播過程中振動(dòng)疊加效應(yīng)有關(guān)，導(dǎo)致在遠(yuǎn)離隧道中心方向上地表振動(dòng)響應(yīng)并非單調(diào)衰減，而是以波浪形衰減。這種衰減規(guī)律與隧道埋深、振動(dòng)荷載頻率、體波波速與瑞利波速不同等因素都有關(guān)。另外，可以發(fā)現(xiàn)，隧道正上方地表測點(diǎn)Z，Y振級(jí)分別為93.4和97.6 dB，大于隧道壁的84.2和83.6 dB，可見，地層振動(dòng)傳至地表時(shí)加速度振級(jí)還會(huì)有增大的現(xiàn)象。

表3地表測點(diǎn)加速度平均峰值及振級(jí)

Tab.3Averageaccelerationpeakandaccelerationlevelofmeasurementpointsonthegroundsurface

測點(diǎn)aZ/(m·s-2)aY/(m·s-2)IZ/dBIY/dBA010.1820.25993.3697.62A020.1330.13492.3091.43A030.0340.06979.7985.08A040.0020.00755.8063.67A050.0030.00957.0566.95

3 地鐵全過程振動(dòng)中的頻率特征

對(duì)不同測點(diǎn)加速度時(shí)程曲線進(jìn)行頻譜分析，得到地鐵振動(dòng)傳播過程中的振動(dòng)頻率特征，以Z向?yàn)槔l譜曲線如圖8所示?？梢钥吹?，列車振動(dòng)從鋼軌、道床、隧道壁傳至到周圍土層時(shí)，振動(dòng)頻率高頻成分不斷衰減，到y(tǒng)=15.5 m處(測點(diǎn)A052)，Z向振動(dòng)主頻已降至30 Hz左右。同樣，Y方向頻譜曲線也有類似規(guī)律。綜合而言，鋼軌振動(dòng)主頻在50～350 Hz，1 000～1 400 Hz，以高頻振動(dòng)為主；道床和隧道壁主頻在30～500 Hz，為中頻振動(dòng)；周圍土層主頻在20～200 Hz。振動(dòng)傳播中高頻成分衰減快于低頻成分，在土層中仍進(jìn)一步衰減，到距離隧道15.5 m的A052處，中心頻率降至31.5 Hz附近，當(dāng)傳至地表時(shí)，振動(dòng)主頻會(huì)降至20～80 Hz。

圖8 Z向加速度頻譜曲線Fig.8 Frequency spectrum of vertical acceleration

4 結(jié) 論

1) 鋼軌加速度以垂向振動(dòng)為主，曲線段水平向振動(dòng)也較為明顯。振動(dòng)經(jīng)扣件傳至道床時(shí)會(huì)極大地衰減，加速度振級(jí)下降高達(dá)37%。振動(dòng)從道床傳遞至隧道壁時(shí)振動(dòng)強(qiáng)度只有輕微下降，差別不大，此時(shí)隧道結(jié)構(gòu)的Z向和Y向加速度也差別不大。

2) 隧道近處周圍土層仍以Z向振動(dòng)為主，特別是隧道下方區(qū)域，Z向振動(dòng)較X，Y向要大得多；隧道側(cè)向和頂部，隨著離隧道距離增加，Z向振動(dòng)減弱，隧道側(cè)向水平向振動(dòng)表現(xiàn)更為明顯。振動(dòng)加速度以弧形輻射狀向外衰減，隧道的正下方和正上方區(qū)域是振動(dòng)比較劇烈部位。

3) 地層振動(dòng)傳至地表過程中，地表的振級(jí)有所增大，可能與地表邊界面的反射有關(guān)。本研究中地表Y向振級(jí)大于Z向，這與測試段為曲線段有關(guān)，在離隧道中心約20～30 m范圍內(nèi)存在加速度放大區(qū)。

4) 鋼軌的振動(dòng)頻率較寬，以中高頻為主，主頻在50～1 400 Hz；道床和隧道壁的振動(dòng)主頻為30～500 Hz，周圍地層中振動(dòng)主頻進(jìn)一步衰減，主頻在20～200 Hz，傳至地表時(shí)衰減至20～80 Hz。

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