地裂縫地層盾構(gòu)隧道地鐵振動(dòng)效應(yīng)試驗(yàn)研究

楊 覓，宮飛祥，王 鵬

（1.陜西交通控股集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710065；2.西安建筑科技大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710054；3.西安中交公路巖土工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075）

當(dāng)前，我國(guó)正在大力進(jìn)行城市軌道交通建設(shè)，在許多城市，地鐵的建設(shè)正如火如荼。然而，地鐵線路很多都通過(guò)城市主干道，如西安地鐵2號(hào)線，沿線不僅有鐘樓、明城墻等古建筑，還有許多學(xué)校、醫(yī)院、科研院所等單位。地鐵運(yùn)行引起的振動(dòng)對(duì)沿線新老建筑物以及人們的工作和生活都有一定的影響。因此，系統(tǒng)地研究地鐵振動(dòng)在周圍環(huán)境中的傳播衰減特征是很有必要的，這有利于探求防災(zāi)減振措施。對(duì)地鐵振動(dòng)在地層中傳播規(guī)律及減振措施研究的傳統(tǒng)手段主要是數(shù)值模擬[1-2]和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試[3-4]。但是，數(shù)值模擬很難模擬真實(shí)的車輛-軌道-隧道-地層相互作用系統(tǒng)，且因計(jì)算模型的簡(jiǎn)化性及參數(shù)取值的主觀性，使其結(jié)果一般用于地鐵誘發(fā)振動(dòng)問(wèn)題的定性分析；現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試是獲取原始地鐵振動(dòng)數(shù)據(jù)的有效手段，但其受周圍環(huán)境干擾振動(dòng)的影響較大，測(cè)試結(jié)果有時(shí)不盡如人意。針對(duì)以上不足，國(guó)內(nèi)有一些團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了地鐵誘發(fā)環(huán)境振動(dòng)的模型試驗(yàn)研究[5-6]。在西安，有許多學(xué)者針對(duì)地鐵振動(dòng)問(wèn)題開(kāi)展了數(shù)值模擬[7]和實(shí)地測(cè)試[8]研究，筆者也針對(duì)西安地鐵跨地裂縫帶的馬蹄形隧道車致圍巖動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題開(kāi)展了數(shù)值模擬研究[9]。西安城區(qū)地裂縫發(fā)育，盾構(gòu)隧道是西安地鐵建設(shè)過(guò)程中采用較多的一種結(jié)構(gòu)形式，針對(duì)地裂縫場(chǎng)地盾構(gòu)隧道的地鐵振動(dòng)效應(yīng)研究是現(xiàn)有研究鮮有涉及的領(lǐng)域。

基于現(xiàn)有研究的不足，為揭示地裂縫場(chǎng)地盾構(gòu)隧道的地鐵振動(dòng)響應(yīng)特征，本文采用室內(nèi)縮尺比例模型試驗(yàn)的方法，設(shè)計(jì)并開(kāi)展地鐵動(dòng)荷載作用下盾構(gòu)隧道-地裂縫-地層動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)，分析振動(dòng)波在地裂縫鄰近土層中的傳播衰減規(guī)律，地裂縫及車速對(duì)土層振動(dòng)響應(yīng)的影響規(guī)律，以期為地鐵振動(dòng)控制問(wèn)題的理論研究和地鐵工程的減振設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)屬于課題研究的一部分，詳細(xì)的試驗(yàn)方案可參看文獻(xiàn)[10]，此處簡(jiǎn)要介紹模型試驗(yàn)概況和測(cè)試方案情況。

1.1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)為縮尺比例模型試驗(yàn)，基本物理量中幾何相似比Cl=5，彈性模量相似比CE=2，質(zhì)量密度相似比Cρ=1。導(dǎo)出物理量中時(shí)間、頻率、加速度、集中力的相似比分別為Ct=3.54，Cf=0.28，Ca=0.4，CF=50。采用自制的模型箱自天然地面開(kāi)始，逐層填筑西安地區(qū)黃土以模擬地鐵振動(dòng)傳播的地層環(huán)境，模型箱尺寸（縱向×橫向×高度）為8.1 m×6.5 m×6.0 m。在箱體內(nèi)側(cè)鋪貼聚氯乙烯塑料薄膜并涂覆一層工業(yè)黃油，以減弱振動(dòng)波的反射。隧道結(jié)構(gòu)為盾構(gòu)隧道型式，縱向長(zhǎng)度為8.1 m，頂部埋深2.0 m，沿南北方向埋設(shè)。隧道與地裂縫90°相交，地裂縫傾角為80°，模型三維結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 模型三維結(jié)構(gòu)圖（單位：m）

隧道管片每環(huán)包括3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊、2個(gè)鄰接塊和1個(gè)封頂塊，結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。管片環(huán)寬0.30 m，環(huán)向塊與塊之間、縱向環(huán)與環(huán)之間采用4.8級(jí)M8螺栓連接，整個(gè)隧道共27環(huán)，從上盤至下盤第14、15環(huán)管片與地裂縫相交。管片材料為鋼筋混凝土，在預(yù)制的鋼模具中澆筑成型，強(qiáng)度等級(jí)為C25。管片配筋根據(jù)等強(qiáng)度原則確定，標(biāo)準(zhǔn)塊環(huán)向配筋2層，每層7根φ4鋼筋，間距40 mm，即2×φ4@40；縱向配筋2層，每層8根φ3鋼筋，間距80 mm，即2×φ3@80。鄰接塊和封頂塊也按此間距布筋。模型道床不安置鋼彈簧，道床采用C20混凝土現(xiàn)場(chǎng)澆筑，鋼軌采用12 kg/m軌，扣件采用特制的Q235鋼片扣件。

圖2 盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)圖（單位：m）

1.2 地裂縫的模擬

在土層夯填過(guò)程中，預(yù)設(shè)地裂縫斜面并在其上涂抹一薄層重晶石粉，用以作為地裂縫斷裂面的標(biāo)記。在土層填筑完成，且完成前期對(duì)照組試驗(yàn)相關(guān)測(cè)試工作后，用洛陽(yáng)鏟在模型頂部地面沿預(yù)設(shè)的斜面向下掏挖一道地裂縫，水平向縫寬35 mm，將粉細(xì)砂填入縫中以模擬地裂縫介質(zhì)。

1.3 激振系統(tǒng)

實(shí)際的地鐵荷載可認(rèn)為由車輪靜載和一系列簡(jiǎn)諧動(dòng)荷載疊加而成，室內(nèi)的模型試驗(yàn)一般采用簡(jiǎn)諧荷載作為激勵(lì)。本課題組研制了一套激振系統(tǒng)，由振動(dòng)設(shè)備、牽引裝置、安全裝置和控制系統(tǒng)組成，激振原理為偏心輪的轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生一個(gè)正弦激勵(lì)荷載，該荷載通過(guò)車輪和軌道傳遞于基底。激振頻率范圍為0～50 Hz，激振力幅值變化范圍為0～10.36 kN。牽引裝置可實(shí)現(xiàn)變向、變速、即時(shí)制動(dòng)的功能，牽引速度范圍為0～0.5 m/s，激振系統(tǒng)實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 激振系統(tǒng)實(shí)物圖

1.4 采集系統(tǒng)與測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)采集土體的振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)，采用TST5915動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)和TST121A-100型壓電式加速度傳感器。在隧道正下方和正上方土中各選取6個(gè)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)為T1～T6和T7～T12，上、下盤測(cè)點(diǎn)分別形成兩個(gè)測(cè)點(diǎn)集J1、J2。測(cè)點(diǎn)布設(shè)圖如圖4所示，加速度傳感器均豎向安置。

圖4 土中各測(cè)點(diǎn)布設(shè)圖（單位：m）

1.5 加載與測(cè)試方案

試驗(yàn)時(shí)，振動(dòng)設(shè)備定點(diǎn)激發(fā)出單一頻率的簡(jiǎn)諧荷載，加載點(diǎn)為第15環(huán)管片處。各激振力參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 各激振力參數(shù)

為了對(duì)比有無(wú)地裂縫條件下隧道周圍土層的振動(dòng)響應(yīng)，模型制作完成后，先進(jìn)行無(wú)地裂縫工況下地層的振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試，然后制作地裂縫，接著進(jìn)行有地裂縫工況下地層的振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于試驗(yàn)測(cè)試的振動(dòng)加速度信號(hào)，在分析之前先進(jìn)行去直流、數(shù)字濾波和去除趨勢(shì)項(xiàng)等預(yù)處理。經(jīng)預(yù)處理的測(cè)試信號(hào)按相似關(guān)系還原到原型體系中。第2.1、2.2小節(jié)分析數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)于原型列車的軸重為5.4 t，車速為44.8 km/h。第2.3小節(jié)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)作歸一化處理，對(duì)應(yīng)于原型列車的軸重為14 t。

2.1 振動(dòng)加速度有效值分析

圖5為土中各測(cè)點(diǎn)豎向加速度有效值的分布曲線。分析圖5可知，緊貼襯砌底部和頂部各測(cè)點(diǎn)的加速度有效值相差不大，隨著距襯砌距離的增加，兩測(cè)點(diǎn)集加速度有效值衰減顯著，但不同條件下加速度有效值出現(xiàn)明顯差異，具體表現(xiàn)為：與無(wú)地裂縫時(shí)的常規(guī)值相比，在襯砌下部，有地裂縫時(shí)上盤土中加速度有效值有所增大，最大增幅為48.8%；下盤土中加速度有效值有所減小，最大減幅為22.7%；在襯砌上部，上盤加速度有效值有所減小，最大減幅為15.4%；下盤加速度有效值有所增大，最大增幅為17.5%。

圖5 土中各測(cè)點(diǎn)豎向加速度有效值分布曲線

可見(jiàn)，地裂縫對(duì)地鐵盾構(gòu)隧道圍巖車致加速度響應(yīng)影響顯著，會(huì)使振動(dòng)出現(xiàn)增強(qiáng)和減弱的效果，且對(duì)上下盤和襯砌上下部地層振動(dòng)加速度響應(yīng)的影響有一定差異?？紤]到地裂縫對(duì)其鄰近一定范圍內(nèi)土體振動(dòng)強(qiáng)度的放大效應(yīng)和上下盤土體振動(dòng)強(qiáng)度的顯著差異性，建議在進(jìn)行跨地裂縫地鐵盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)軌道采取有效的減振措施。

2.2 振動(dòng)加速度級(jí)分析

圖6為地裂縫場(chǎng)地土中各測(cè)點(diǎn)1/3倍頻程各中心頻率處的振動(dòng)加速度級(jí)分布曲線。分析圖6可知：（1）振動(dòng)在土中的傳播衰減特征表現(xiàn)為近振源處80 Hz及以上高頻成分的振動(dòng)加速度級(jí)量值明顯大于80 Hz以下頻率成分的量值，但沿豎向隨距襯砌距離的增加，80 Hz及以上頻率成分的振動(dòng)衰減速度更快，且100 Hz及以上頻率成分的振動(dòng)呈現(xiàn)一致衰減的規(guī)律。（2）大部分頻率成分的振動(dòng)加速度級(jí)隨距襯砌距離的增加而減小，而襯砌上部1～40 Hz頻率成分的振動(dòng)加速度級(jí)在接近地表處出現(xiàn)了反彈增大現(xiàn)象，襯砌下部5～80 Hz頻率成分的振動(dòng)加速度級(jí)在局部位置出現(xiàn)了顯著的反彈增大現(xiàn)象。襯砌下部土層中振動(dòng)局部放大的原因是地裂縫介質(zhì)對(duì)振動(dòng)波的反射和折射，引起波的疊加增強(qiáng)效應(yīng)，襯砌上部土層中振動(dòng)局部放大的原因是地裂縫介質(zhì)或地表對(duì)振動(dòng)波的反射和折射，引起波的疊加增強(qiáng)效應(yīng)。

圖6 地裂縫場(chǎng)地土中各測(cè)點(diǎn)1/3倍頻程各中心頻率處的振動(dòng)加速度級(jí)分布圖

可見(jiàn)，地裂縫對(duì)地鐵盾構(gòu)隧道圍巖車致振動(dòng)響應(yīng)中1～80 Hz頻率成分的振動(dòng)有促進(jìn)波動(dòng)疊加相干的效應(yīng)，導(dǎo)致局部位置振動(dòng)有所增強(qiáng)。在進(jìn)行跨地裂縫地鐵盾構(gòu)隧道工程減隔振設(shè)計(jì)時(shí)，靠近振源區(qū)域，各頻段內(nèi)的振動(dòng)均不能忽視，遠(yuǎn)離振源區(qū)域，減隔振的主要考慮頻段為1～80 Hz。

2.3 車速對(duì)加速度響應(yīng)的影響分析

圖7為地裂縫場(chǎng)地土中典型測(cè)點(diǎn)的豎向振動(dòng)加速度有效值隨車速的變化曲線。

從圖7中可知：（1）隨著車速的增加，各測(cè)點(diǎn)加速度有效值均呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，但增加幅度由快變緩，過(guò)渡車速約為67.2 km/h，且在22.4～67.2 km/h和67.2～89.6 km/h兩個(gè)區(qū)間內(nèi)，加速度有效值隨車速的增加均呈線性規(guī)律增加。（2）各測(cè)點(diǎn)加速度有效值隨車速的增加幅度有一定差異，襯砌下部上盤T1測(cè)點(diǎn)的增加幅度較下盤T2測(cè)點(diǎn)大，襯砌上部下盤T12測(cè)點(diǎn)的增加幅度較上盤T11測(cè)點(diǎn)大。可見(jiàn)，跨地裂縫地鐵盾構(gòu)隧道車致圍巖振動(dòng)加速度強(qiáng)度隨行車速度的增加而增加，但上、下盤的增加幅度有一定差異，且存在臨界速度，約為67.2 km/h，超過(guò)臨界速度后車速對(duì)振動(dòng)響應(yīng)的影響不顯著。該臨界速度接近于目前西安地鐵列車的最高運(yùn)行速度，可以認(rèn)為，適當(dāng)降低車速可以較顯著地減小跨地裂縫盾構(gòu)隧道圍巖的振動(dòng)強(qiáng)度。

圖7 地裂縫場(chǎng)地土中典型測(cè)點(diǎn)的豎向加速度有效值隨車速的變化曲線

3 結(jié)論

根據(jù)跨地裂縫盾構(gòu)隧道圍巖地鐵振動(dòng)響應(yīng)的模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，所得結(jié)論如下：

（1）地裂縫場(chǎng)地盾構(gòu)隧道圍巖對(duì)地鐵振動(dòng)有顯著的衰減作用，且高頻成分振動(dòng)衰減更快。

（2）地裂縫對(duì)襯砌上部土中1～40 Hz和下部土中5～80 Hz頻段內(nèi)部分成分的振動(dòng)波產(chǎn)生疊加增強(qiáng)效應(yīng)，總體振動(dòng)強(qiáng)度在上下盤地裂縫附近出現(xiàn)放大和縮小的不均勻分布特征，建議在進(jìn)行跨地裂縫地鐵工程設(shè)計(jì)時(shí)加強(qiáng)軌道處的減振措施。

（3）地鐵盾構(gòu)隧道圍巖振動(dòng)加速度隨行車速度的增加呈先迅速增加后緩慢增加的趨勢(shì)，過(guò)渡車速約為67.2 km/h。