李博言　李子昂　聶佳　白天琦

【摘? ? 要】：針對(duì)地鐵列車運(yùn)行所誘發(fā)的高頻次振動(dòng)對(duì)高架橋及周邊環(huán)境產(chǎn)生的影響，通過室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬獲取地鐵列車運(yùn)行過程中的振動(dòng)信息，構(gòu)建不同結(jié)構(gòu)形態(tài)的隧道模型，揭示地鐵列車運(yùn)行過程中振動(dòng)波在高架橋及周邊環(huán)境的傳播規(guī)律。

【關(guān)鍵詞】：地鐵；振動(dòng)；高架橋

Study on Vibration Change Law of Viaduct and Surrounding Environment

Induced by Subway Operation

LI Boyan1， LI Ziang1， NIE Jia2， BAI Tianqi 2

（1.Beijing Municipal Third Construction Engineering Co. Ltd.， Beijing 100062， China；

2.Beijing Construction Engineering Quality Third Test Institute Co. Ltd.， Bejing 100037， China）

【Abstract】：With the continuous expansion of urban subway network， the constant improvement of the speed of subway trains and people's requirements for living quality， the high-frequency vibration induced by the operation of subway trains has a certain impact on the viaduct and the surrounding environment of urban residents. Therefore， the study use different structural forms of tunnel models to reveal the propagation law of vibration waves in the viaduct and surrounding environment during the subway operation with the vibration information obtained by means of laboratory tests， on-site monitoring and numerical simulation.

【Key words】：subway； vibration； viaduct

隨著城市規(guī)模擴(kuò)大，流動(dòng)人口增加，交通問題日益突出，城市軌道交通以速度快、運(yùn)量大、運(yùn)行可靠等特點(diǎn)成為解決城市地面交通擁堵問題的最有效手段[1～3]。超大、大型城市未來交通的發(fā)展必須依靠地鐵[4]。振動(dòng)是國際上公認(rèn)的七大公害之一[5]，地鐵列車運(yùn)行所誘發(fā)的高頻次振動(dòng)不僅對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)和圍巖體造成損傷，而且對(duì)高架區(qū)間的穩(wěn)定性和城市居民生活舒適性產(chǎn)生了一定的影響[6～8]。本文采用數(shù)值模擬方法獲取地鐵列車運(yùn)行過程中的振動(dòng)信息，揭示地鐵列車運(yùn)行過程中振動(dòng)波在地面及高架橋內(nèi)的傳播規(guī)律，建立以振源距、振動(dòng)強(qiáng)度為指標(biāo)的振動(dòng)預(yù)測模型，為地面和結(jié)構(gòu)物的振動(dòng)安全評(píng)估提供參考。

1 振動(dòng)模擬結(jié)構(gòu)參數(shù)

高架線區(qū)間地層土主要由雜填土、砂質(zhì)粉土、細(xì)中砂和卵石構(gòu)成。見表1。

2 模型建立

考慮空間效應(yīng)，模型取長400 m，寬150 m，自地表50 m厚的土體作為計(jì)算范圍。周圍土體采用實(shí)體單元，不同的土層采用不同的材料本構(gòu)，模型頂面設(shè)置為自由邊界，其他臨空面均采取法向約束。見圖1。

模型邊界條件：模型側(cè)面和底面邊界設(shè)置位移約束，地層邊界設(shè)置為透射邊界，其他臨空面均設(shè)置為反射邊界。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 振動(dòng)波與監(jiān)測方案

振動(dòng)波振幅為0.01 m/s，振動(dòng)時(shí)長π/10 s ，振動(dòng)周期為π/300 s。振動(dòng)波加載至橋面軌道相應(yīng)位置。見圖2。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

3.2.1 橋面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度

水平方向質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度隨距離的增加呈近似線性函數(shù)形式降低，隨振中距離逐漸加大質(zhì)點(diǎn)水平方向峰值振速速度趨于0，振動(dòng)波在高程相同的橋面上引發(fā)的振動(dòng)只呈現(xiàn)出隨距離增加的衰減效應(yīng)。相比水平方向振動(dòng)速度變化曲線，豎直振動(dòng)速度隨振源距增加不斷衰減，但衰減幅度明顯小于水平方向且當(dāng)振源距超過50 m，豎直方向振動(dòng)速度隨距離的衰減幅度進(jìn)一步減小。見表2和圖3。

3.2.2 橋墩柱質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度

水平方向質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度隨距離的增加仍呈近似線性降低，但振動(dòng)波在到達(dá)橋墩底部時(shí)振動(dòng)速度衰減幅度明顯增加，由于地表和橋墩結(jié)構(gòu)對(duì)底部質(zhì)點(diǎn)起到了夾制限制作用，振動(dòng)速度急速降低；與橋墩內(nèi)部相比，位于橋墩表面的QTM1#和QTM2#質(zhì)點(diǎn)的水平方向振動(dòng)速度明顯增大，表面質(zhì)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)制約作用降低。豎直方向質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度隨距離的增加仍呈近似線性降低，振動(dòng)波到達(dá)橋墩底部時(shí)，振動(dòng)速度衰減幅度與水平方向相比明顯減緩，地表和橋墩結(jié)構(gòu)對(duì)底部質(zhì)點(diǎn)豎直方向振動(dòng)速度的夾制限制作用較小，結(jié)構(gòu)夾制用于主要影響水平方向振動(dòng)速度；橋墩表面質(zhì)點(diǎn)豎直方向振動(dòng)速度與內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)沒有明顯差異。見表3和圖4。

3.2.3 地面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度

水平方向峰值振動(dòng)速度隨距離的增加呈指數(shù)衰減，振源距越大振動(dòng)速度衰減速率降低，振源遠(yuǎn)區(qū)，低頻振動(dòng)波成為引起周圍環(huán)境振動(dòng)的主要來源。與水平方向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度相比，豎直方向峰值振動(dòng)速度隨距離的增加衰減速度較慢，相同振源距位置質(zhì)點(diǎn)的豎直振動(dòng)速度普遍大于水平方向。見表4和圖5。

3.3 振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律

3.3.1 橋面

質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度衰減規(guī)律可以用指數(shù)函數(shù)進(jìn)行描述。見圖6。

3.3.2 橋墩柱

水平方向質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度隨距離的增加呈近似線性降低；同時(shí)，豎直方向質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度隨距離的增加也呈近似線性降低。見圖7。

3.3.3 地面

高架橋附近地面質(zhì)點(diǎn)水平方向和豎直方向峰值振動(dòng)速度隨距離的增加均呈比較明顯的指數(shù)衰減形式。見圖8。

4 結(jié)語

計(jì)算結(jié)果表明，高架橋附近的地面質(zhì)點(diǎn)水平方向和豎直方向峰值振動(dòng)速度隨距離的增加均呈指數(shù)衰減，通過指數(shù)函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合系數(shù)超過0.9，指數(shù)函數(shù)能夠準(zhǔn)確描述地鐵周邊地面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的變化規(guī)律，可以為地鐵周圍地面和地表建筑物的振動(dòng)安全評(píng)估提供參考，為提高地鐵運(yùn)營能力，實(shí)現(xiàn)以安全高效、和諧共贏為目標(biāo)的綠色發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

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收稿日期：2022-03-16

作者簡介：李博言（1995 - ）， 男， 北京市人， 助理工程師， 從事基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工作。