地鐵線路下穿燃氣調壓站引起的環(huán)境振動影響及控制措施研究

趙富壯,馬 樂,鄔玉斌,宋瑞祥,吳雅南

(1.北京城鄉(xiāng)建設集團有限責任公司,北京 100067； 2.北京市勞動保護科學研究所,北京 100054)

城市軌道交通和城市燃氣管網(wǎng)是現(xiàn)代城市發(fā)展至關重要的基礎工程，近年來，在我國大都市城市建設中得到飛速發(fā)展，地鐵線路同燃氣管網(wǎng)及其調壓站不可避免存在近距離重疊交叉的情況，當?shù)罔F線路下穿燃氣管線或設施時，地鐵施工和列車運行會對上部燃氣設施和管線產生場地土不均勻沉降和環(huán)境振動影響兩方面的安全威脅。關于地鐵施工引起的地層變形及對上部燃氣設施的影響研究已有很多[1-7]，而關于地鐵列車運行對上部燃氣管道及設施產生的振動影響研究相對較少，國內一些學者對燃氣管線受地鐵振動影響進行了測試和數(shù)值仿真分析，如，朱學仁等[8]通過振動監(jiān)測，對列車通過鐵路橋時對鄰近地下天然氣管道振動影響進行了分析評價；賀玉龍、翁多斯、吳昭華等[9-11]采用數(shù)值仿真計算方法，對城際鐵路或地鐵下穿燃氣管道引起的振動影響進行了分析評價。但目前尚無地鐵列車運行對燃氣調壓站設施振動影響方面的研究報道。長期間歇性地鐵列車荷載會對臨近住宅居民生活、精密儀器使用和古建文物安全產生不利影響[12-16]，并引起人們的重視和關注，而燃氣調壓站內設有調壓器、過濾器、安全裝置、旁通管及測量儀表等重要設備和儀器，同樣具有較高的振動環(huán)境要求，當?shù)罔F線路下穿燃氣調壓站時，有必要對其地鐵振動影響情況及控制措施進行專項分析研究，確保燃氣調壓站的安全運行。

以某擬建地鐵線路下穿燃氣調壓站實際工程為例，綜合采用地鐵振動影響類比測試和數(shù)值仿真的研究方法，對擬建地鐵線路對燃氣調壓站的振動響應進行預測分析，并進行減振控制措施效果評估分析，研究成果可為地鐵線路對燃氣設施的振動影響評估及控制措施設計提供參考。

1 項目概況

擬建地鐵線路下穿燃氣調壓站正下方，地鐵線路與燃氣調壓站設備及主要管線平面位置關系如圖1所示，燃氣調壓站占地面積約11 756 m2，設有調壓計量標準箱、燃氣中壓調壓箱及過濾器等3個主要燃氣設施，3個設施基礎平面尺寸分別為6.5 m×3.5 m，3.5 m×3.5 m和6.5 m×3.5 m。調壓站內外埋有D500中壓燃氣管、D300次高壓A燃氣管、D100中壓燃氣管等各種地下管線，管線埋深在3 m以內。圖2為燃氣調壓站主要地面設施現(xiàn)場照片。

擬建地鐵線路采用8節(jié)編組B型車，最高設計時速為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，盾構隧道內半徑2.7 m，地鐵軌面距地面約11 m。本項目地鐵線路未采取軌道減振措施，列車運行對上方燃氣設施勢必會產生安全隱患，為此，在燃氣設施地鐵振動影響預測分析的基礎上，對可采取的振動控制措施及其效果進行了分析研究。

圖1 燃氣調壓站與地鐵線路位置示意

圖2 燃氣調壓站主要地面設施現(xiàn)場

2 燃氣調壓站設施地鐵振動影響預測分析

2.1 地鐵振動影響預測分析方法

燃氣調壓站地鐵振動控制設計需首先進行地鐵振動影響預測，由于地鐵線路尚未開通運行，無法獲取振動實測數(shù)據(jù)，首先選取與本項目地鐵線路條件相似的其他運營地鐵線路進行地表振動響應實測分析，通過類比實測數(shù)據(jù)了解擬建地鐵對燃氣調壓站場地土的振動影響情況。同時采用數(shù)值計算方法對燃氣調壓站3個設施基礎位置地鐵振動響應進行預測分析，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算與場地土實測數(shù)據(jù)對比反演求解列車輪軌力荷載，在此基礎上進一步建立“燃氣調壓站場地土-地鐵-燃氣設施基礎”有限元模型，以求解的列車輪軌力為輸入源，計算分析地鐵列車運行對燃氣設施基礎位置處的地鐵振動影響情況，同時基于該數(shù)值計算模型對控制措施進行效果分析。

2.2 地鐵振動影響類比測試

根據(jù)燃氣調壓站地鐵線路條件選取相似地鐵線路進行振動響應實測，類比測試條件對比情況見表1。在地鐵線路正上方地表布設了加速度傳感器，依據(jù)GB10070-88《城市區(qū)域環(huán)境振動標準》[17]，采用最大值Z振級VLZmax作為評價量，其評價頻率范圍為1～80 Hz，Z振級實質為加速度級的計權值，加速度級的計算公式如下

VAL=20log10(a/a0)

(1)

式中，VAL為加速度振級，dB；a為振動加速度有效值，m/s2；a0為基準加速度，a0=10-6m/s2。

表2給出了測點位置連續(xù)10輛列車通過時的VLZmax實測值，結果顯示：地鐵列車運行時正上方場地土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地表豎向振動加速度時程曲線，類比實測數(shù)據(jù)可知地鐵列車運行將會對上方燃氣設施產生不可忽略的環(huán)境振動影響。

表1 預測線路與類比線路參數(shù)對比

表2 地鐵正上方地表VLZmax實測值 dB

圖3 地鐵隧道上方地表振動實測加速度時程曲線

2.3 地鐵振動影響數(shù)值仿真分析

采用數(shù)值仿真計算方法進行燃氣調壓站設施振動影響分析，首先需要確定準確的列車荷載，由于地鐵未開通無法進行振動源強實測，參考文獻[18]，通過場地土振動類比測試數(shù)據(jù)反演列車輪軌力，即首先構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)為列車每個車輪t時刻作用力；w為每個車輪承擔的列車重力，N；θi為相位差；φ(i)為頻率i正弦力幅值調整系數(shù)；n為關注振動頻率上限值。

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源強進行場地土地表振動響應計算分析，通過測點位置實測數(shù)據(jù)與計算數(shù)據(jù)對比不斷優(yōu)化列車荷載模型，直至模型計算結果與實測結果吻合。圖5為本文方法測點位置計算加速度時程曲線及計算與實測頻譜對比圖，綜合圖3和圖5可知，本文方法計算得到的加速度峰值及頻譜曲線同實測結果吻合很好，驗證了本文計算模型的有效性。文獻[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)值仿真模型計算結果

在數(shù)值仿真模型有效性計算分析的基礎上，進一步搭建“隧道-燃氣站場地土-燃氣設施基礎”預測仿真模型(圖6)，為消除反射波對振動計算精度的影響，模型四周和底部邊界采用能夠同時模擬散射波輻射和地基彈性恢復性能的黏彈性人工邊界[19]。采用上述確定的列車荷載,計算分析燃氣設施基礎位置處的振動響應。

圖6 地鐵振動預測模型及拾振點位

圖7給出了3個拾振點位置(3個燃氣設施基礎中心位置)地鐵振動響應計算時程曲線及典型頻譜圖，由圖7可知設施基礎位置振動頻率集中在30～80 Hz，表3給出了3個位置計算加速度峰值及最大加速度Z振級，3個燃氣設施基礎位置地鐵振動最大Z振級預測值在78.3～81.4 dB，加速度峰值在0.155～0.22 m/s2。

圖7 計算加速度時程及典型頻譜

表3 振動影響計算結果

3 振動控制措施研究

3.1 燃氣調壓站設施振動控制限值分析

燃氣調壓站設施地鐵振動控制設計，需要首先確定燃氣站設施耐振要求限值，結合地鐵振動影響預測結果，明確控制措施設計需求量，依此進行控制方案設計。目前，國內外尚未見燃氣調壓站設施的相關振動標準限值研究，GB10070—88《城市區(qū)域環(huán)境振動標準》規(guī)定了城市區(qū)域環(huán)境振動的標準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振動限值作為本工程的振動控制設計限值。根據(jù)地鐵振動預測結果，燃氣調壓站3個設施基礎地鐵振動均超出標準限值要求，有必要進行減振控制設計。

表 4 城市各類區(qū)域鉛垂向Z振級標準值 dB

3.2 振動控制措施及隔振原理

目前常用的地鐵振動控制措施主要包括軌道源強減振、傳播途徑隔振和受振體自身防護3種。本項目軌道結構已設計完成，較難采用更高級別的軌道減振措施；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，對于地下列車振源其減振效果受埋深參數(shù)影響較大，實際工程應用較少，且本項目燃氣設施位于地鐵線路正上方，實施空間受限；本項目燃氣調壓站在地鐵隧道下穿施工過程中將進行搬遷重建，因此有進行燃氣設施自身振動控制設計和實施條件。

隔振措施效果通常用隔振系數(shù)表示，也稱為振動傳遞系數(shù)，即經過隔振系統(tǒng)后的振動幅值與輸入振動幅值之比，隔振系數(shù)計算公式如下[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 燃氣調壓站設施隔振方案

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，燃氣設施采用“厚重筏板共用基礎+箱形基礎”形式，筏板基礎底部、箱形基礎底部及其側壁鋪設彈性減振墊層，通過降低“燃氣設施-基礎-彈性減振層”系統(tǒng)豎向固有頻率避開地鐵振動主頻的方式達到隔振目的，同時將新建燃氣調壓站設施位置盡量遠離地鐵線路，圖8給出了回遷新建燃氣設施基礎隔振方案示意。

圖8 燃氣設施隔振方案示意(單位：m)

如圖8所示，厚重共用筏板基礎厚1 m、寬12 m、長42.8 m，筏板基礎下方鋪設彈性減振墊層，筏板基礎上方設有3個燃氣設施箱形基礎，箱形基礎上方及四周鋪設彈性減振材料，通過雙層減振墊層系統(tǒng)降低地鐵列車對上部燃氣設施的振動影響。

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)基礎基底壓應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，另一方面基礎壓應力相對于材料承載力強度又不能太小，確保材料負載后處于最佳工作應力狀態(tài)。經計算，調壓箱基礎壓力荷載為145 kPa、計量箱基礎壓力荷載為140 kPa、過濾器基礎壓力荷載為125～142 kPa、筏板基礎壓力荷載為122～148 kPa；由于基礎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側壁土壓力不同，根據(jù)土壓力計算值，本文側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(側墊一)、地下1.5～2.9 m采用一種材料(側墊二)。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

本文筏板基礎與箱形基礎底部壓應力在122～148 kPa，由圖9可知，減振墊越厚，系統(tǒng)固有頻率越低，當基礎底部減振厚度>3.75 cm，系統(tǒng)固有頻率理論計算<10 Hz，減振墊厚度為2.5 cm時，系統(tǒng)固有頻率<15 Hz，由圖7可知，地鐵振動預測頻率主要集中在30～80 Hz，依據(jù)隔振設計原理，本項目基礎底部鋪設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

為了驗證隔振方案的有效性，建立“隧道-巖土-減振墊-筏板基礎-減振墊-箱形基礎”數(shù)值仿真有限元模型，采用預測模型中相同的列車荷載作為輸入源強，計算分析了實施減振措施后燃氣設施基礎位置處的地鐵振動響應情況。

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

圖10 整體有限元模型及基礎模型細節(jié)

圖11 實施措施后典型加速度計算時程曲線

選取3個箱形基礎頂板靠近地鐵線路一側4個節(jié)點的計算結果進行效果分析(圖10)，圖11為4個位置處的加速度計算時程曲線，表6為4個位置處的計算加速度峰值及最大加速度Z振級，對比表3可知，實施減振措施后，燃氣設施基礎位置地鐵振動響應有明顯的降低，最大加速度Z振級降至69.9～73.4 dB，4個位置加速度峰值降為0.061～0.093 m/s2，4個位置平均加速度峰值為0.075 m/s2，無減振措施時3個位置處的平均加速度峰值為0.191 m/s2，實施隔振措施后，平均加速度峰值相比下降61%。

表6 實施措施后振動影響計算結果

4 結論

地鐵線路下穿燃氣調壓站會對上方設施產生長期間歇性環(huán)境振動影響，在地鐵列車荷載作用下地面燃氣設施的振動響應特性、控制要求及措施值得研究，以某擬建地鐵線路下穿燃氣調壓站實際工程為分析對象，采用地鐵振動影響類比測試和數(shù)值仿真計算分析方法，對燃氣調壓站地面燃氣設施振動影響情況和控制措施進行了分析研究，研究結論如下。

(1)計算結果表明：未采取振動控制措施時，燃氣調壓站3個設備基礎位置處的最大加速度Z振級為78.3～81.4 dB，加速度峰值為0.155～0.22 m/s2，地鐵對上方燃氣設施基礎產生較明顯的振動影響。

(2)綜合考慮地鐵施工場地變形和列車運行振動影響，提出了“減振墊層-厚重共用筏板基礎-減振墊層-箱形基礎”的隔振方案，計算結果表明：實施控制措施后，3個燃氣設施基礎位置最大加速度Z振級降為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)境振動影響預測評估及控制措施設計提供指導和借鑒。