減振溝技術(shù)在地鐵車(chē)輛段上蓋開(kāi)發(fā)中的研究及設(shè)計(jì)應(yīng)用

鄭 輝

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

地鐵車(chē)輛段上蓋物業(yè)開(kāi)發(fā)，不僅可為地鐵建設(shè)提供巨大的資金，也是節(jié)約土地資源、提高土地使用率、提高社會(huì)效益的重要措施。但車(chē)輛段物業(yè)開(kāi)發(fā)不可避免地對(duì)蓋上物業(yè)帶來(lái)振動(dòng)影響，降低物業(yè)開(kāi)發(fā)品質(zhì)，如何在上蓋開(kāi)發(fā)時(shí)有效解決振動(dòng)問(wèn)題成為制約車(chē)輛段設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。

1 車(chē)輛段振動(dòng)研究及減振現(xiàn)狀調(diào)查分析

1.1 振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)理[1]

如圖1所示，地鐵車(chē)輛運(yùn)行時(shí)對(duì)軌道和地面的沖擊作用產(chǎn)生振動(dòng)，通過(guò)結(jié)構(gòu)傳遞到周?chē)翆?，激發(fā)臨近物業(yè)結(jié)構(gòu)柱產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)沿結(jié)構(gòu)柱向上傳播，從而對(duì)蓋上物業(yè)建筑物、結(jié)構(gòu)安全、人們生活工作、儀器設(shè)備等產(chǎn)生影響，因此必須采取相應(yīng)減振措施。

圖1 典型車(chē)輛段引起的振動(dòng)機(jī)理示意

鄒超等[2]在分析不同國(guó)家和機(jī)構(gòu)振動(dòng)評(píng)價(jià)指標(biāo)、限值的基礎(chǔ)上，提出地鐵車(chē)輛段振動(dòng)控制按照居住區(qū)晝間65 dB、夜間62 dB，蓋下區(qū)域晝間75 dB、夜間72 dB的振動(dòng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 減振現(xiàn)狀調(diào)查分析

控制振動(dòng)造成的不利影響，一般可以從降低振源的激勵(lì)強(qiáng)度，在傳播途徑上隔振和建筑物基礎(chǔ)和內(nèi)部隔振三方面入手[3-4]，振源處的隔振可以稱(chēng)為主動(dòng)隔振，離開(kāi)振源后的隔振稱(chēng)為被動(dòng)隔振。近場(chǎng)主動(dòng)隔振與遠(yuǎn)場(chǎng)被動(dòng)隔振的主要區(qū)別在于離振源的距離，目前常見(jiàn)減振措施如表1所示[5]。

表1 車(chē)輛段減振措施調(diào)查分析

目前常規(guī)減振措施主要考慮主動(dòng)減振和建筑基座隔振，傳播路徑隔振雖具備明顯的減振效果，但不能與車(chē)輛段設(shè)計(jì)有效結(jié)合，目前尚未有實(shí)際應(yīng)用案例，本文著重從傳播路徑隔振展開(kāi)研究。

2 車(chē)輛段減振技術(shù)研究

為進(jìn)一步研究減振，將地鐵列車(chē)荷載、軌道及道床模型、地基土模型、邊界條件等作為輸入條件，利用有限元建立了振動(dòng)傳播規(guī)律數(shù)值分析模型[6-8]，為驗(yàn)證減振模型準(zhǔn)確性，選取了廣州某車(chē)輛段進(jìn)行實(shí)測(cè)分析，列車(chē)在50 km/h速度下，在距離試車(chē)線(xiàn)6、12、18、25 m共測(cè)量了30組地面振動(dòng)豎向加速度，將其與模型計(jì)算值對(duì)比分析后，計(jì)算的地面振動(dòng)時(shí)程曲線(xiàn)與實(shí)測(cè)結(jié)果呈現(xiàn)出較一致的規(guī)律，模型驗(yàn)證可行。此外在傳播路徑隔振研究中，針對(duì)表面振源問(wèn)題的研究最多，以地面屏障隔振為主，尤其是空溝和填充溝[9]。

2.1 空溝屏障隔振

2.1.1 空溝深度對(duì)隔振效果的影響

空溝屏障隔振是在軌道附近的地基開(kāi)挖溝槽，從而切斷振動(dòng)波的傳播路徑或使振動(dòng)波繞過(guò)屏障進(jìn)而降低地面的振動(dòng)，其振動(dòng)原理見(jiàn)圖2。

圖2 空溝屏障有限元模型截面

為研究屏障深度對(duì)隔振效果的影響，選取了相對(duì)深度d分別為0.1、0.3、0.5、0.7、1.0、1.2、1.5、2.0、2.5(1∶6，單位：m)共9種不同的深度進(jìn)行計(jì)算，選取了分別距軌道中心線(xiàn)8、12、16、20、25 m和30 m共6個(gè)點(diǎn)進(jìn)行分析。圖3給出了距離軌道中心線(xiàn)不同距離處的豎向加速度有效值隨著相對(duì)深度d增大的衰減規(guī)律。

圖3 不同深度空溝對(duì)加速度的衰減情況

從圖3可以發(fā)現(xiàn)，相對(duì)深度d在0.1～1.0的區(qū)間內(nèi)，加速度有效值隨著相對(duì)深度d的增大而衰減，衰減幅度達(dá)50%左右；當(dāng)溝深較淺(d<0.3)時(shí)，阻隔效果不佳，當(dāng)d>1.0時(shí)，深度的影響也會(huì)減小，因?yàn)楫?dāng)空溝達(dá)到某個(gè)深度后，較深部分的變化很難對(duì)自由面的行為造成影響。另外，當(dāng)相對(duì)深度d的取值過(guò)小時(shí)，近振源處的加速度有效值有一定的衰減，但遠(yuǎn)振源處的加速度有效值相對(duì)于無(wú)溝的狀況略有放大。

2.1.2 空溝寬度對(duì)隔振效果的影響

為研究屏障寬度對(duì)隔振效果的影響，選取了相對(duì)寬度w為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6(1∶6，單位：m)共6種不同的寬度進(jìn)行計(jì)算，并選取了分別距軌道中心線(xiàn)12、16、20、25 m和30 m共5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行分析，其衰減規(guī)律如圖4所示。

圖4 不同寬度空溝對(duì)加速度的衰減情況

圖4給出了不同溝寬對(duì)豎向加速度有效值衰減的影響?？傮w上看，隨著相對(duì)寬度w的增大，加速度有效值呈減小趨勢(shì)，但衰減的幅度不大，趨勢(shì)較緩。因此可以認(rèn)為，屏障的寬度對(duì)屏障隔振的效果影響不大。

2.1.3 空溝設(shè)置位置對(duì)隔振效果的影響

為研究屏障位置對(duì)隔振效果的影響，選取了相對(duì)距離s為0.75、1.0、1.25、1.5(1∶6，單位：m)共4種不同的位置進(jìn)行計(jì)算，選取了分別距軌道中心線(xiàn)12、16、20、25、30 m共5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行分析，其衰減規(guī)律如圖5所示。

圖5 空溝不同位置對(duì)加速度的衰減情況

由圖5可知，當(dāng)s=1.25(7.5 m)時(shí)，空溝對(duì)加速度有效值的衰減效果最佳，效果相對(duì)較差的是s=1(6 m)的情況，隨著與軌道中心線(xiàn)距離的增大，空溝的隔振效果有所減弱；整體上看，空溝設(shè)置位置對(duì)加速度有效值的衰減影響相對(duì)較小。

2.2 填充溝屏障隔振

2.2.1 不同填充材料的填充溝隔振效果分析

一般填充材料分柔性和剛性?xún)煞N。柔性材料多為粉煤灰、橡膠碎片和泡沫塑料；剛性材料多為砂礫石、加氣混凝土和輕骨料混凝土。在填充溝的尺寸的選取上，結(jié)合2.1中得出的結(jié)論，選取了隔振效果較好的空溝尺寸進(jìn)行填充溝分析，即深度為6 m，寬度為2 m和距離軌道中心線(xiàn)s為4.5 m的模型進(jìn)行分析，不同填充材料減振效果如圖6、圖7所示。

圖6 不同柔性材料隔振效果比較

圖7 不同剛性材料隔振效果比較

(1)柔性填充材料隔振效果

粉煤灰隔振效果最差，泡沫塑料隔振效果最好，橡膠材料的隔振效果介于兩者之間。

(2)剛性填充材料隔振效果

砂礫石填充溝幾乎無(wú)隔振效果，且隨著與軌道中心線(xiàn)距離的增大，地面振動(dòng)也有所放大。輕骨料混凝土的隔振效果較好，普通混凝土的隔振效果與輕骨料混凝土相當(dāng)。

2.2.2 不同形式填充材料隔振效果對(duì)比分析

根據(jù)2.2.1節(jié)的分析，柔性材料選取隔振效果較好的泡沫塑料，剛性材料選取普通混凝土，給出距離軌道中心線(xiàn)8、12、16、20、25 m和30 m處地面振動(dòng)的加速度有效值衰減系數(shù)變化曲線(xiàn)，如圖8所示。

圖8 不同填充材料屏障隔振效果比較

在距離軌道中心線(xiàn)約12 m處，柔性材料(泡沫塑料)的隔振效果和剛性材料(普通混凝土)的隔振效果接近，且兩者的隔振效果與空溝的隔振效果相接近。因此可認(rèn)為在距離軌道中心線(xiàn)的一定范圍內(nèi)，柔性材料和剛性材料的隔振效果相當(dāng)；而隨著距離的增加，柔性材料隔振效果較好；在距離軌道中心線(xiàn)較遠(yuǎn)處，柔性材料的隔振效果逐漸減弱，而剛性材料則維持良好的隔振作用。

2.3 減振溝研究結(jié)論分析

2.3.1 空溝隔振研究結(jié)論

(1)空溝達(dá)到一定的深度后才具有明顯隔振效果，某些情況下增加深度對(duì)隔振效果影響較?。?/p>

(2)空溝寬度變化對(duì)隔振效果無(wú)明顯影響；

(3)空溝距離軌道中心線(xiàn)有一個(gè)臨界位置，根據(jù)模擬計(jì)算，該距離為6 m。

2.3.2 填充溝隔振研究結(jié)論

(1)填充材料的波阻抗比是影響其隔振效果的主要因素，柔性材料的波阻抗比越小，其隔振效果越好，剛性材料與之相反；

(2)剛性材料波阻抗比越大隔振效果越好，但當(dāng)波阻抗比增大到一定數(shù)值時(shí)，不會(huì)明顯增強(qiáng)隔振效果；柔性材料對(duì)距離軌道中心線(xiàn)一定范圍內(nèi)的隔振效果優(yōu)于剛性材料，但剛性材料屏障的隔振區(qū)域大于柔性材料屏障；

(3)空溝的隔振效果比柔性材料和剛性材料屏障要好，但是屏障達(dá)到一定深度后，空溝的施工及維護(hù)難度增大，可以將空溝與填充溝進(jìn)行有效的組合，達(dá)到隔振的效果。

3 車(chē)輛段減震技術(shù)研究設(shè)計(jì)應(yīng)用

3.1 車(chē)輛段上蓋物業(yè)概況

廣州市某地鐵車(chē)輛段位于風(fēng)神大道以北，東臨新華陵園，西側(cè)有1條500 kV高壓線(xiàn)，北側(cè)為軍事用地及林地，地塊的總用地面積24.09 hm2，凈用地面積17.87 hm2。如圖9所示，擬開(kāi)發(fā)車(chē)輛段蓋上共涉及31棟高層住宅、1所小學(xué)、1所幼兒園及配套物業(yè)，上蓋開(kāi)發(fā)總建筑面積61.85萬(wàn)m2，容積率(上蓋+白地)2.79，建筑密度18.36%，綠地率35.06%。

圖9 某地鐵車(chē)輛段上蓋物業(yè)總平面

3.2 蓋下車(chē)輛段概況

車(chē)輛段出入線(xiàn)最小曲線(xiàn)半徑為220 m，車(chē)場(chǎng)線(xiàn)最小曲線(xiàn)半徑150 m。軌道包括出入段線(xiàn)、試車(chē)線(xiàn)、車(chē)場(chǎng)線(xiàn)、庫(kù)內(nèi)線(xiàn)，車(chē)輛采用B型車(chē)，采用柔性架空接觸網(wǎng)，出入段線(xiàn)尾部地面與試車(chē)線(xiàn)部分均采用有砟軌道，鋪設(shè)新Ⅱ型預(yù)應(yīng)力混凝土枕。

3.3 研究區(qū)域劃分

對(duì)于上蓋物業(yè)開(kāi)發(fā)的減振問(wèn)題，需重點(diǎn)考慮行車(chē)速度較高的試車(chē)線(xiàn)地段的中低頻振動(dòng)，以及咽喉區(qū)及小半徑地段的高頻噪聲污染，振動(dòng)控制的主要區(qū)域在于試車(chē)線(xiàn)、出入線(xiàn)和咽喉區(qū)[10-12]。其中，咽喉區(qū)道岔多，存在大量的小半徑曲線(xiàn)和鋼軌接頭，車(chē)輛通過(guò)鋼軌接頭和道岔有害空間引起的振動(dòng)是振動(dòng)的主要來(lái)源之一。

上蓋物業(yè)開(kāi)發(fā)一類(lèi)為直接建于庫(kù)內(nèi)線(xiàn)、試車(chē)線(xiàn)和咽喉區(qū)上部的建筑；另一類(lèi)為臨近庫(kù)內(nèi)線(xiàn)、試車(chē)線(xiàn)和咽喉區(qū)的建筑。振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)按照晝間(06：00～22：00)為65 dB，夜間(22：00～06：00)為62 dB[13-16]。利用有限元，在車(chē)-軌-地基數(shù)值模型的基礎(chǔ)上，建立車(chē)輛段上蓋建筑不同區(qū)域的有限元模型，并對(duì)不同減振措施進(jìn)行模擬分析。

3.4 不同區(qū)域列車(chē)運(yùn)行引起建筑物的振動(dòng)預(yù)測(cè)

在設(shè)置減振溝的前提下，對(duì)試車(chē)線(xiàn)、出入段線(xiàn)、咽喉區(qū)3個(gè)區(qū)域上蓋平臺(tái)振動(dòng)進(jìn)行振動(dòng)模型計(jì)算，計(jì)算前提條件均為車(chē)輛按照60 km/h速度通過(guò)，選取試車(chē)線(xiàn)上蓋平臺(tái)附近18層物業(yè)住宅樓進(jìn)行分析，其不同樓層減振效果如圖10所示。

圖10 18層建筑振級(jí)分布

從圖10可以看出，減振溝大約能夠減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)5～7 dB，具有顯著的減振效果，但18層仍然有70～73 dB，不滿(mǎn)足振動(dòng)限值要求，需要采取其他綜合措施來(lái)降低影響。

3.5 減振溝技術(shù)在車(chē)輛段中的設(shè)計(jì)應(yīng)用

采用空溝+剛性材料(普通混凝土或輕骨料混凝土)形成組合減振溝能夠有效降低振動(dòng)影響。組合隔振屏障的深度需不小于4 m，寬宜設(shè)為1.5 m，距離軌道中心線(xiàn)宜為4～4.5 m，空溝的深度宜為2～3 m，但實(shí)際過(guò)程中，單純建設(shè)空溝投資較大，需結(jié)合其他功能需要進(jìn)行建設(shè)。

考慮到上述因素后，將空溝與綜合管溝、電纜溝、站場(chǎng)排水溝等結(jié)合設(shè)置，在保證減振效果的同時(shí)，降低工程投資，如圖11所示。

圖11 減振溝技術(shù)在車(chē)輛段中的設(shè)計(jì)應(yīng)用(單位：m)

在試車(chē)線(xiàn)北側(cè)設(shè)置1條深度為2 m的站場(chǎng)排水溝，可兼作雨水排水和空溝減振，在距離試車(chē)線(xiàn)南側(cè)4 m處設(shè)置1條寬1.5 m×深1.6 m的綜合管廊，綜合管廊內(nèi)主要為給水、中水、消防管以及弱電管線(xiàn)，此外在綜合管溝南側(cè)再設(shè)置1條寬1.5 m×深1.9 m的電纜隧道，隧道內(nèi)主要為高壓和低壓電纜，上述設(shè)計(jì)實(shí)際上相當(dāng)于在結(jié)構(gòu)柱兩側(cè)設(shè)置1條空溝和2條填充溝屏障的組合形式，能夠?qū)p振與車(chē)輛段功能需求有機(jī)結(jié)合起來(lái)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文依托帶上蓋物業(yè)的地鐵車(chē)輛段，利用ABAQUS有限元軟件，建立了帶上蓋的地鐵車(chē)輛段列車(chē)-軌道和路基-土層-建筑物的有限元模型，分別對(duì)地鐵車(chē)輛段上蓋平臺(tái)和上蓋物業(yè)不同區(qū)域進(jìn)行振動(dòng)響應(yīng)預(yù)測(cè)分析，通過(guò)分析得出了空溝和填充溝組合屏障減振溝模式，并針對(duì)車(chē)輛段內(nèi)最主要的振動(dòng)區(qū)域(試車(chē)線(xiàn)、出入段線(xiàn)、咽喉區(qū))進(jìn)行了模擬分析，有效驗(yàn)證了組合屏障溝的減振效果，將車(chē)輛段功能需求與組合屏障溝結(jié)合設(shè)置，有效節(jié)省占地，減少工程投資，目前該車(chē)輛段已經(jīng)投入運(yùn)營(yíng)近半年，減振效果顯著。

經(jīng)分析空溝和填充溝屏障的組合形式能有效降低振動(dòng)帶來(lái)的影響，但仍然存在不滿(mǎn)足晝夜振動(dòng)限值的要求，需進(jìn)一步采取其他減振措施，若需達(dá)到減振限值的要求，必須考慮多種行之有效的綜合措施來(lái)降低振動(dòng)對(duì)蓋上蓋下造成的影響。