摘 要：【目的】分析預(yù)測運營期城際鐵路地下段振動對古建筑結(jié)構(gòu)性能的影響，提出相應(yīng)減振措施，為古建筑的長期保護(hù)提供參考。【方法】以擬建深惠城際鐵路為工程背景，參照現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定確定古建筑（念婦賢醫(yī)院）振動限值，根據(jù)《古建筑防工業(yè)振動技術(shù)規(guī)范》（GB/T 50452—2008）中推薦模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析?！窘Y(jié)果】結(jié)果顯示，線路運營期的振動對該古建筑的影響遠(yuǎn)低于限值要求。【結(jié)論】在采取一系列減振措施后，可較大程度上減輕運營期城際鐵路振動對古建筑的不利影響。

關(guān)鍵詞：城際鐵路；振動影響；古建筑；減振措施

中圖分類號：TU-87；U211.3 " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " "文章編號：1003-5168（2024）12-0066-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.12.013

Analysis of the Influence of Vibration in the Underground Section of

Intercity Railway on Ancient Buildings

HAO Jingwen " YANG "Zhenhui

（ Henan Provincial Communications Planning amp; Design Institute Co.， Ltd.， Zhengzhou 450000， China）

Abstract： [Purposes] By analyzing and predicting the influence of vibration of underground section of intercity railway on the structural performance of "historic buildings during operation period， the corresponding vibration reduction measures are proposed to provide reference for the long-term protection of "historic buildings. [Methods] Taking the proposed Shenzhen-Huizhou Intercity Railway as the engineering background， the vibration limits of "historic buildings （Nianfuxian Hospital） were determined according to the current national standards， and the numerical simulation analysis was carried out according to the recommended model in the \"Technical Specification for protection of historic buildings against man-made vibration\" （GB/T 50452—2008）. [Findings] The results show that the vibration influence on the ancient building during the line operation period is much lower than the limit requirement. [Conclusions] After taking a series of vibration mitigation measures， the adverse effects of intercity railway vibration on "historic buildings can be mitigated to a large extent.

Keywords： intercity railway; vibration effects; ancient architecture; vibration reduction measures

0 引言

城際鐵路對都市圈經(jīng)濟社會發(fā)展的推動作用日益凸顯。然而，由其引發(fā)的振動污染問題也日益嚴(yán)重。在城市中，一些線路開始穿越或鄰近具有歷史意義的古建筑群。這些古建筑不僅代表著各個歷史時期的文化傳統(tǒng)，也是研究我國歷史、文化、藝術(shù)和社會發(fā)展的重要寶貴資料。因此鐵路的振動可能會對其造成嚴(yán)重的危害，對古建筑的保存和保護(hù)帶來極大的威脅。因此，在鐵路規(guī)劃或建設(shè)過程中，必須采取有效的措施來保護(hù)古建筑，以避免對其造成不可逆轉(zhuǎn)的損害［1］。

1 振動產(chǎn)生機理及影響因素

在動車組列車運行時，車輪與鋼軌之間由于摩擦和撞擊產(chǎn)生振動，經(jīng)過介質(zhì)傳遞，導(dǎo)致周圍建筑物振動。在城際鐵路運行過程中，振動的產(chǎn)生主要受到以下幾方面因素的影響［2］。

1.1 軌道結(jié)構(gòu)

軌道結(jié)構(gòu)在軌道交通系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。軌道的結(jié)構(gòu)類型、材料組成及相應(yīng)的動力特性，都會影響產(chǎn)生振動的特性。

1.2 車輛結(jié)構(gòu)

車輛的結(jié)構(gòu)，如車輛的類型、軸重、軸距、懸掛特性等，都與振動的產(chǎn)生和傳播密切相關(guān)。其中，軸重的大小直接影響振動準(zhǔn)靜態(tài)低頻分量的能量集度，而軸距則會影響振源的頻率特性。如圖1所示，除扣件間距外，其他特征間距構(gòu)成了不同行車速度下產(chǎn)生的四種通過頻率。

1.3 行車速度

列車以恒定速度行駛時，其行車速度與特征距離及特征頻率之間存在以下關(guān)系，見式（1）。

f =V/L （1）

通常情況下，軌道交通的頻率為低頻。在列車進(jìn)出站時經(jīng)常需要加減速，此時加速度較大。研究發(fā)現(xiàn)，速度相同時，變速移動荷載產(chǎn)生的軌道結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)大于勻速荷載。

1.4 建筑結(jié)構(gòu)

建筑物周邊地表環(huán)境振動場的改變與建筑物整體重量、高度、建筑平面布局、地基形式和建材種類等因素密切相關(guān)。

隨著軌道交通網(wǎng)的不斷發(fā)展，區(qū)域環(huán)境振動問題日益凸顯且受到眾多因素的影響。除上述因素外，還與列車運行密度和運量、隧道結(jié)構(gòu)類型、車輛與軌道之間的相互作用、軌道和車輛的養(yǎng)護(hù)水平、線路條件、敏感點與線路的距離、地質(zhì)條件、受振動體對交通振動的承受限值和范圍及運行環(huán)境等因素密切相關(guān)。

2 減振措施

城際鐵路運營產(chǎn)生的振動可能會對古建筑的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，造成古建筑內(nèi)部的木結(jié)構(gòu)、梁柱等部件出現(xiàn)裂縫，甚至斷裂。尤其是對那些采用脆性材料或者砌體結(jié)構(gòu)的古建筑，振動的影響更為嚴(yán)重。振動會影響灰縫的黏結(jié)強度，導(dǎo)致石材間的灰泥開裂，進(jìn)而導(dǎo)致石材脫落［3］。因此，在城際鐵路建設(shè)時，必須充分考慮其對周邊古建筑的影響，采取必要的減振措施以降低不利影響。為了減少振動的不利影響，可以從傳播源、傳播途徑和受影響的建筑等三方面進(jìn)行研究。

2.1 傳播源

一般情況下傳播源有以下幾種。①重型鋼軌。重型鋼軌具有更好的抗彎性能，在同等條件下，可以承受更大的荷載，從而降低軌道變形；另外，重型鋼軌的耐磨性能也有助于減少動力不平順現(xiàn)象。②無縫線路。無縫線路的鋪設(shè)，可以減少鋼軌接頭的數(shù)量，保證軌道的連續(xù)和順滑，從而降低振動和噪聲強度。③保持軌頂平順光滑。鋼軌頂面的平順光滑不僅有助于降低輪軌間的動力作用，還可以減小列車運行時的噪聲和振動。④鋼彈簧浮置板。這是一種先進(jìn)的軌道減振技術(shù)，其原理是通過將混凝土道床板以一定的質(zhì)量和剛度浮置于鋼彈簧隔振器上方，形成一個質(zhì)量-彈簧-隔振系統(tǒng)。⑤橡膠浮置板。橡膠浮置板的工作原理與鋼彈簧浮置板大致相同。然而，橡膠浮置板由于存在易老化、橫向剛度低、軟土地基和低頻振源地段減振效果差等缺點，影響了其進(jìn)一步推廣。⑥隔離式減振墊。隔離式減振墊作為一種新型的軌道減振產(chǎn)品，其原理是采用圓錐截頂結(jié)構(gòu)的橡膠組合，使得隔離式減振墊在承受力矩時，能夠有效地將力分散到各個方向，從而大大降低噪聲和振動。⑦其他減振措施有梯形軌枕、彈性短軌枕、減振扣件等。

2.2 傳播途徑

傳播途徑減振措施的實現(xiàn)方式是在大地中設(shè)置一種隔振屏障，以阻擋列車在軌道上運行時所引起的振動波傳播。當(dāng)振動波遇到隔振屏障時，會受到屏障的阻隔，無法直接傳播過去，一部分被反射回來，并在屏障兩端和底部發(fā)生波的繞射。這些反射和繞射過程會使得振動波的能量在一定程度上被分散和削弱，從而降低振動波在大地中的傳播效果。根據(jù)隔振屏障的不同形式，可以將屏障分為連續(xù)屏障和非連續(xù)屏障［4］。另外，阻波塊也是一種有效的隔振屏障，其能夠有效地吸收和散射振動波的能量，從而進(jìn)一步降低振動波的傳播效果［5］。

2.3 受影響的建筑

針對古建筑的防護(hù)措施，可以從以下幾方面進(jìn)行：一是在工程選線選址階段，應(yīng)盡量遠(yuǎn)離敏感建筑，并確保與古建筑保持一定的距離；二是在古建筑結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險評估方面，需要根據(jù)評估結(jié)果采取必要的修繕措施，以避免該損傷進(jìn)一步發(fā)展而導(dǎo)致文物受損到不可修復(fù)的情況的發(fā)生。根據(jù)古建筑的結(jié)構(gòu)形式，在鐵路建設(shè)過程中應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)加固支護(hù)，并開展振動監(jiān)測。針對古建筑的保護(hù)，應(yīng)明確各方責(zé)任和義務(wù)，加大對文物保護(hù)單位的監(jiān)管力度，確保古建筑得到有效的保護(hù)和管理。

3 項目背景

3.1 深惠城際鐵路概況

深圳至惠州城際鐵路，簡稱“深惠城際”，是我國廣東省南部一條重要的城際鐵路線路。深惠城際前海保稅區(qū)至坪地段正線長約58 km，建設(shè)前保、怡海、平湖等11座車站，其中擬建平湖站，將發(fā)展為集國家鐵路、城際鐵路、城市軌道、常規(guī)配套交通于一體的綜合交通樞紐。深惠城際鐵路為新建城際鐵路，開行城際動車組列車，8輛編組；設(shè)計速度為160 km/h；正線數(shù)目為雙線；采用電力牽引。

3.2 古建筑念婦賢醫(yī)院概況

念婦賢醫(yī)院位于廣東省深圳市龍崗區(qū)，占地面積194 m2，為三間一進(jìn)兩層的建筑。建筑面寬17.35 m，最大進(jìn)深11.2 m。大門門額鑲匾“念婦賢醫(yī)院”和“樂善好施”兩塊。墻體用三合土夯筑而成，硬山頂。念婦賢醫(yī)院為深圳市龍崗區(qū)第一批區(qū)級重點文物保護(hù)單位。

3.3 深惠城際與念婦賢醫(yī)院位置關(guān)系

深惠城際建設(shè)工程未侵入念婦賢醫(yī)院文物本體及保護(hù)范圍。線路在DYK36+420～DYK36+470段以隧道形式穿越念婦賢醫(yī)院舊址區(qū)級文物保護(hù)單位建設(shè)控制地帶，長度約50 m；擬建平湖站工程主體結(jié)構(gòu)侵入建設(shè)控制地帶面積（工程與建控重疊區(qū)）約295 m2，保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)無地面工程，文物本體距離隧道最近點在文物建筑的西北角，距隧道中心線43.40 m，距隧道壁外側(cè)39 m，建設(shè)工程與文物位置關(guān)系示意如圖2所示。

4 鐵路運營對文物本體的影響分析

4.1 振動控制標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)鐵路建設(shè)工程對古建筑的振動控制，一般參照《古建筑防工業(yè)振動技術(shù)規(guī)范》（GB/T 50452—2008）執(zhí)行［6］。該規(guī)范規(guī)定了各類古建筑結(jié)構(gòu)的容許振動標(biāo)準(zhǔn)值（振動速度值），詳見表1、表2。

依據(jù)《古建筑防工業(yè)振動技術(shù)規(guī)范》，工業(yè)振源引起不同距離的地面振動速度，可根據(jù)振源類型和場地土類別進(jìn)行選用、演算。念婦賢醫(yī)院墻體采用三合土夯筑，屋頂木結(jié)構(gòu)采用梁板式，以三合土夯筑墻體為承重骨架。經(jīng)現(xiàn)場檢測，夯土墻的波速值為1 500 m/s；木結(jié)構(gòu)構(gòu)件波速平均值為5 100 m/s。參照磚結(jié)構(gòu)選用規(guī)范中磚砌體（Vplt;1 600 m/s）；市縣級文物保護(hù)單位，墻體容許振動速度安全限值為0.45 mm/s；參照木結(jié)構(gòu)選用規(guī)范中順木紋（4 600 m/s lt;Vplt;5 600 m/s），市縣級文物保護(hù)單位容許振動速度安全限值為0.29～0.35 mm/s。按照插值法計算，則屋面木結(jié)構(gòu)容許振動速度安全限值為0.32 mm/s。

4.2 振動影響分析

根據(jù)公式（2），進(jìn)行振動預(yù)測計算。在此，主要關(guān)注距離振源中心r處地面的水平向振動速度。

[Vr=V0r0r1-ξ01-r0rexp-α0f0r-r0] （2）

式中：Vr為距振源中心r處地面振動速度，mm/s；V0為r0處地面振動速度，mm/s；r0為振源半徑，m；ξ0為幾何衰減系數(shù)，本工程所處區(qū)域取值0.8；α0為土的能量吸收系數(shù)，s/m，本次取1.15×10-4；f0為地面振動頻率，Hz。

列車運行速度與其造成的地面振動速度之間的關(guān)系計算方法見式（3）。

[v1v2=V1V20.4] " " " " "（3）

式中：V為列車運行速度，本次預(yù)測按140 km/h考慮。?為列車運行造成的地面振動速度。

參考同類工程環(huán)境振動速度實測值，計算得到本工程振動預(yù)測值，具體見表3。

4.3 振動監(jiān)測與控制措施

按照《古建筑防工業(yè)振動技術(shù)規(guī)范》（GB/T 50452—2008）中推薦的模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析得出，振動速度為0.101 mm/s，即在線路運營期的振動對該建筑（區(qū)級文物保護(hù)單位—念婦賢醫(yī)院）的影響，遠(yuǎn)低于限值要求。基于古建筑損壞不可逆性及歷史文化的特殊性，為進(jìn)一步加強對古建筑的保護(hù)，在該線路區(qū)段及兩側(cè)一定范圍內(nèi)設(shè)置減振型無砟軌道-隔離式減振墊浮置板軌道。為保障該建筑的安全性，宜在施工結(jié)束后線路運營1年內(nèi)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測。

由于平湖樞紐站位于文物保護(hù)單位北側(cè)，鄰近文物建筑一側(cè)為列車由西向東減速進(jìn)入車站停靠段。列車進(jìn)入文物振動影響范圍區(qū)間時速度需由原160 km/h降至0 km/h進(jìn)站?？俊Ｏ匏倏奢^大程度減輕對文物建筑的振動影響。

5 結(jié)論與建議

城際鐵路車輛目前一般采用CRH6 型動車組列車，相較于普通客車，動車組屬于結(jié)構(gòu)優(yōu)良、振動值低的環(huán)保型車輛，從根源上減輕了振動影響。重型鋼軌及無縫線路的鋪設(shè)及彈性扣件、柔性砂漿等有效減振措施的應(yīng)用，使得城際鐵路本身具有一定的減振效果。

我國城際鐵路運營仍處于初級階段、起步階段，對于運營時期的振動源強缺乏足夠的測試研究數(shù)據(jù)。減振型無砟軌道（橡膠隔振墊）在鐵路上尚未取得上道許可，且暫無在鐵路上大規(guī)模應(yīng)用的先例，在實際實施過程中，存在安裝手續(xù)無法辦理的問題。建議以后對已運營的城際鐵路產(chǎn)生的振動影響及減振措施進(jìn)行系統(tǒng)研究，并根據(jù)研究成果調(diào)整相應(yīng)減振措施。

參考文獻(xiàn)：

［1］毛順茂，熊超華，雷曉燕.地鐵運營對古建筑物振動響應(yīng)影響分析［J］.城市軌道交通研究，2016（10）：13-17.

［2］軌道科技網(wǎng).軌道交通環(huán)境振動的主要影響因素［EB/OL］.（2021-12-09）［2023-11-08］.http：//www.rail-stdaily.com/newsinfo/2211694.html.

［3］陳建琪，孫勇，王暉，等.城市軌道交通環(huán)境振動影響研究綜述［J］.世界科技研究與發(fā)展.2018，40（3）：270-280.

［4］WOODS R D.Screening of surface waves in soils［J］.Am Soc Civil Engr J Soil Mech， 1968：407-435.

［5］趙悅，肖新標(biāo)，關(guān)慶華，等.鐵路及城市軌道交通減振措施研究綜述［J］.聲學(xué)與振動，2013（1）：20-31.

［6］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.古建筑防工業(yè)振動技術(shù)規(guī)范：GB/T 50452—2008［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.