軟土與巖層地質(zhì)下地鐵隧道振動(dòng)傳遞特性分析

蔡子博，鞠龍華，彭克群，王安斌

(上海工程技術(shù)大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院，上海 201620)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和城市建設(shè)不斷發(fā)展，人口集中現(xiàn)象日趨明顯，面對(duì)日益增長(zhǎng)的交通客流量，城市交通運(yùn)輸面臨前所未有的壓力，為緩解城市交通運(yùn)輸?shù)膲毫?，地鐵作為一種高效、安全、環(huán)保的現(xiàn)代化交通運(yùn)輸方式在大中型城市中快速發(fā)展。隨著地鐵建設(shè)的飛速發(fā)展，解決地鐵建設(shè)中出現(xiàn)的問(wèn)題也變得愈發(fā)迫切，由于地鐵線路建設(shè)的特殊性，許多地鐵運(yùn)行區(qū)域與居民的生活和工作區(qū)域有一定的重合，地鐵列車(chē)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)通過(guò)土層及建筑物傳遞至居民的活動(dòng)場(chǎng)所，大大影響居民的日常生活和工作。因此越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始研究地鐵振動(dòng)的傳遞特性以指導(dǎo)地鐵的建設(shè)工作，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、理論分析、數(shù)值模擬等方面對(duì)地鐵運(yùn)行所帶來(lái)的振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行分析研究，得出許多有價(jià)值的結(jié)論。針對(duì)我國(guó)現(xiàn)在高速發(fā)展的鐵路建設(shè)現(xiàn)狀，翟婉明等[1]對(duì)多種軌道線路形式提出了諸如鐵路維護(hù)、建設(shè)運(yùn)營(yíng)安全性等多個(gè)方面的問(wèn)題。為解決目前軌道交通中所存在的問(wèn)題，許多學(xué)者針對(duì)不同的地鐵運(yùn)行工況采集了現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。高萌等[2]通過(guò)測(cè)試對(duì)比了青島地鐵巖層地基和上海地鐵軟土地基的振動(dòng)加速度值，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了時(shí)、頻域分析，得出介質(zhì)阻尼大小與地基振動(dòng)大小具有反相關(guān)性，軟土地基以低頻振動(dòng)為主，巖層地基以高頻振動(dòng)為主，低頻成分較少且其主導(dǎo)頻率大于上海地鐵軟土地基的主頻的結(jié)論。和振興等[3]基于對(duì)上海地鐵和北京地鐵的實(shí)測(cè)振動(dòng)數(shù)據(jù)建立了有限元模型，通過(guò)有限元模型預(yù)測(cè)了地鐵振動(dòng)在不同埋深和不同土層條件下在地面?zhèn)鞑r(shí)多個(gè)方向的振動(dòng)傳遞特性。樓夢(mèng)麟等[4]對(duì)上海某地鐵進(jìn)行測(cè)試，得到振動(dòng)在地面的衰減趨勢(shì)及地面振級(jí)較大的頻段。涂勤明[5]通過(guò)測(cè)試分析了普通整體道床、中等減振扣件、梯形軌枕軌道和鋼彈簧浮置板軌道條件下的鋼軌、道床、隧道壁的振動(dòng)加速度及鋼軌動(dòng)態(tài)變形，從Z振級(jí)和1/3倍頻程的角度分析不同減振措施的減振性能。Zuo 等[6]對(duì)某車(chē)輛段咽喉區(qū)和試車(chē)線臨近地面及車(chē)輛段試車(chē)線的鄰近建筑物進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，得出車(chē)輛段咽喉區(qū)、試車(chē)線的地面振動(dòng)傳播規(guī)律和試車(chē)線鄰近建筑物的振動(dòng)傳播規(guī)律。根據(jù)大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)許多學(xué)者開(kāi)始采用仿真或理論的方式對(duì)不同運(yùn)行工況下地鐵振動(dòng)的傳播規(guī)律進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)估。高廣運(yùn)等[7]利用2.5維建模仿真的方法得到了不同車(chē)速和不同土體條件下的地面位移變化情況。劉維寧等[8]和閆維明等[9－10]分別建立了地鐵車(chē)輛-軌道系統(tǒng)及隧道結(jié)構(gòu)-地層系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，用于研究地鐵列車(chē)振動(dòng)的環(huán)境保護(hù)問(wèn)題，并獲得了1 Hz～10 Hz 的地表振動(dòng)放大區(qū)及主要集中頻率。此外，還通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析了20 m～30 m范圍內(nèi)的地面?zhèn)鞑ヒ?guī)律，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)放大區(qū)能量主要集中在10 Hz 以?xún)?nèi)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)了高頻分量隨距離增大而衰減但在某些地質(zhì)條件下會(huì)出現(xiàn)反彈的情況，并對(duì)35 Hz 以下的地鐵振動(dòng)分量進(jìn)行非線性擬合并給出相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式。Lai 等[11]利用簡(jiǎn)化的數(shù)值模型對(duì)列車(chē)運(yùn)行振動(dòng)所涉及的物理現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值模擬，包括其對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響及預(yù)測(cè)的振動(dòng)譜對(duì)列車(chē)速度的依賴(lài)性。

本文基于列車(chē)通過(guò)軟土地質(zhì)和巖層地質(zhì)時(shí)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，研究?jī)煞N地質(zhì)條件下地鐵列車(chē)運(yùn)行引起的振動(dòng)在隧道壁、距隧道中心線水平距離為0、15 m和30 m隧道上方地面垂向傳遞過(guò)程中的傳遞特性，采用1/3倍頻程對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，揭示4 Hz～200 Hz內(nèi)各頻段的振動(dòng)在兩種地質(zhì)條件下在傳遞過(guò)程中的變化情況。

1 測(cè)試概況

1.1 測(cè)試儀器

本次測(cè)試采用INV3060V采集儀，結(jié)合DASP軟件和PCB 加速度傳感器對(duì)列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)所在測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與儲(chǔ)存。

1.2 測(cè)試方案

如圖1所示本次測(cè)試中共布設(shè)4個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中在隧道壁測(cè)點(diǎn)安裝固定塊，通過(guò)固定塊安裝垂向和水平向兩個(gè)加速度傳感器，在地面上布置距隧道中心線正上方間隔為0、15 m 和30 m 3 個(gè)垂向加速度測(cè)點(diǎn)，在列車(chē)通過(guò)時(shí)同時(shí)記錄4個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)數(shù)據(jù)，為排除隨機(jī)性干擾，本次測(cè)試中選取不同時(shí)間段上的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，對(duì)每個(gè)時(shí)間段至少記錄20 組數(shù)據(jù)，并選取其中的20組數(shù)據(jù)進(jìn)行均值計(jì)算，進(jìn)而進(jìn)行測(cè)試數(shù)據(jù)的整理和分析。

圖1 加速度傳感器位置示意圖

1.3 測(cè)試場(chǎng)地的選取

第一個(gè)測(cè)試場(chǎng)地選在地質(zhì)條件為軟土地質(zhì)的某地鐵運(yùn)行區(qū)段，其地鐵線路埋深約為19.7 m。其具體土層性質(zhì)和物理特性如表1所示。

表1 軟土地質(zhì)土層參數(shù)

第二個(gè)測(cè)試場(chǎng)地選在地質(zhì)條件為巖層地質(zhì)的某地鐵運(yùn)行區(qū)段，其地鐵線路埋深約為20.1 m，其具體土層性質(zhì)和物理特性如表2所示。

表2 巖層地質(zhì)土層參數(shù)

2 軟土地質(zhì)和巖層地質(zhì)下地鐵振動(dòng)傳遞特性

2.1 隧道壁至地面的振動(dòng)傳遞特性分析

圖2為隧道壁至隧道正上方垂向振動(dòng)傳遞損失，其中，振動(dòng)傳遞損失為沿振動(dòng)傳遞路徑上一拾振點(diǎn)振級(jí)與下一拾振點(diǎn)振級(jí)的差值，結(jié)果中正值表示振動(dòng)在傳遞過(guò)程中衰減，負(fù)值表示振動(dòng)在傳遞過(guò)程中增強(qiáng)。

圖2 軟土地質(zhì)和巖層地質(zhì)條件下的振動(dòng)傳遞損失

從圖2可以看出由隧道壁至軌道中心線的傳遞過(guò)程中，軟土地質(zhì)條件下的最大傳遞損失頻率為200 Hz，振動(dòng)損失值高達(dá)38.7 dB，巖層地質(zhì)條件下的最大傳遞損失頻率為4 Hz，振動(dòng)損失值為20.4 dB。巖層地質(zhì)對(duì)6.3 Hz以下的低頻振動(dòng)的衰減要大于軟土地質(zhì)，而除6.3 Hz以下頻段的振動(dòng)，軟土地質(zhì)對(duì)6.3 Hz 至200 Hz 頻段的振動(dòng)衰減均大于巖層地質(zhì)，兩種地質(zhì)條件下12.5 Hz 至40 Hz 頻段的衰減量較小，總體在10 dB 以下。在振動(dòng)從隧道壁傳至距軌道中心線的過(guò)程中，巖層地質(zhì)條件下16 Hz～20 Hz 頻段的振動(dòng)有一定增強(qiáng)?？傮w上振動(dòng)在軟土地質(zhì)中衰減更明顯。

2.2 地面振動(dòng)傳遞特性分析

圖3為軟土地質(zhì)條件下距隧道中心水平0 m、15 m、30 m處地面垂向振動(dòng)水平，從圖3可看出軟土地質(zhì)條件下的振動(dòng)頻段主要集中在63 Hz 以下，在12.5 Hz和40 Hz頻帶存在振動(dòng)峰值，0 m測(cè)點(diǎn)處的垂向振動(dòng)Z 振級(jí)為54.8 dB，15 m 測(cè)點(diǎn)處的垂向振動(dòng)Z振級(jí)為57.1 dB，30 m 測(cè)點(diǎn)處的垂向振動(dòng)Z 振級(jí)為54.7 dB。圖4為軟土地質(zhì)條件隧道上方距隧道中心0～15 m 和15 m～30 m 地面垂向振動(dòng)傳遞損失，從圖4可看出振動(dòng)在從0至15 m的傳遞過(guò)程中在4 Hz～8 Hz和25 Hz～200 Hz頻段內(nèi)振級(jí)增大，總振級(jí)增大，在由15 m 至30 m 的傳遞過(guò)程中除8 Hz 以下的低頻振動(dòng)外其余頻段振級(jí)減小，總振級(jí)減小。

圖3 軟土地質(zhì)條件下距軌道中心線0、15 m、30 m處振動(dòng)加速度級(jí)

圖4 軟土地質(zhì)條件下距軌道中心線0至15 m、15 m至30 m處振動(dòng)傳遞損失

圖5為巖層地質(zhì)條件下距隧道中心水平0 m、15 m、30 m處地面垂向振動(dòng)水平，從圖5可看出巖層地質(zhì)條件下的主要振動(dòng)頻段在8 Hz～100 Hz 之間，在16 Hz 至63 Hz 頻帶內(nèi)存在振動(dòng)峰值，0 m 測(cè)點(diǎn)處的垂向振動(dòng)Z振級(jí)為41.2 dB，15 m測(cè)點(diǎn)處的垂向振動(dòng)Z振級(jí)為40.8 dB，30 m 測(cè)點(diǎn)處下的垂向振動(dòng)Z 振級(jí)為39.4 dB。圖6為巖層地質(zhì)條件下隧道上方距隧道中心0～15 m 和15 m～30 m 地面垂向振動(dòng)傳遞損失，從圖6可看出振動(dòng)在從0 m 至15 m 的傳遞過(guò)程中在25 Hz 以下的頻段內(nèi)隨距離增加而衰減，25 Hz至200 Hz 頻段內(nèi)振級(jí)有一定的增加，總振級(jí)減小，在由15 m 至30 m 的傳遞過(guò)程中除低頻4 Hz、5 Hz處振級(jí)增強(qiáng)外其余頻段減小，總振級(jí)減小。

圖5 巖層地質(zhì)距軌道中心線0 m、15 m、30 m振動(dòng)加速度級(jí)曲線

圖6 巖層地質(zhì)距軌道中心線0 m至15 m、15 m至30 m振動(dòng)傳遞損失曲線

對(duì)比軟土地質(zhì)和巖層地質(zhì)中的振動(dòng)傳遞特性可知，在隧道埋深相似的情況下，軟土地質(zhì)條件下的振動(dòng)峰值所處的頻帶要低于巖層地質(zhì)，這種現(xiàn)象出現(xiàn)的原因可能是體波在兩種地質(zhì)條件下的傳遞介質(zhì)不同，一是軟土地質(zhì)條件下土層阻尼大，其對(duì)高頻振動(dòng)的衰減效果較巖層地質(zhì)較好，二是軟土地質(zhì)條件下體波波速較小，橫波波速和縱波波速在土體中的傳播與土層彈性模量、泊松比和土體密度有直接關(guān)系。其中橫波波速Cs、縱波波速CP與彈性模量E、泊松比ν和土體密度ρ的關(guān)系如式⑴、式(2)所示。

由于軟土地質(zhì)和巖層地質(zhì)中波速不同，振動(dòng)波從振源傳遞到地面振動(dòng)觀察點(diǎn)處對(duì)于某個(gè)相同頻率的振動(dòng)的波數(shù)就不同，波數(shù)n與波長(zhǎng)λ和波速C及波傳播的距離d在某個(gè)頻率f的關(guān)系如下式(3)和式(4)所示。

從式(3)式(4)可知軟土地質(zhì)中的波速要小于巖層地質(zhì)，由式(1)和式(2)可知，波速與材料模量的開(kāi)方成正比，材料模量大的波速大，低模量的軟土地質(zhì)對(duì)應(yīng)的波速要小于高模量的巖層地質(zhì)。在相同的頻率和振動(dòng)波傳播距離條件下波速越小，波數(shù)越大。由此說(shuō)明，相同距離、同一阻尼介質(zhì)條件下，振動(dòng)在波數(shù)大的軟土地質(zhì)中傳播比在波數(shù)小的巖層地質(zhì)中衰減更多。兩種地質(zhì)條件下在從0 m至15 m的振動(dòng)傳遞過(guò)程中在部分頻段有振動(dòng)增大的情況，可能是由于此時(shí)表面波對(duì)傳遞過(guò)程的影響增大，軟土地質(zhì)條件下在10 Hz 以下和25 Hz～200 Hz 頻段振動(dòng)增大，巖層地質(zhì)條件下增大頻段在25 Hz～200 Hz；振動(dòng)在兩種地質(zhì)條件下在地面從15 m至30 m傳遞時(shí)，40 Hz以上頻段的高頻振動(dòng)明顯衰減，在20 Hz以下頻段振動(dòng)衰減較少，部分頻段出現(xiàn)了增強(qiáng)。兩種地質(zhì)條件下振動(dòng)在地表的傳遞過(guò)程中在部分頻段都有一定的增強(qiáng)，這可能是由于兩種地質(zhì)條件下各層土層性質(zhì)的不同使振動(dòng)波在土層中的傳遞出現(xiàn)差異導(dǎo)致的，因?yàn)檎駝?dòng)波在土體中傳播時(shí)不僅是在單一土體介質(zhì)中的傳播，也有從一種土體傳播至另一土體的過(guò)程，通過(guò)兩土體接觸面時(shí)，振動(dòng)波會(huì)發(fā)生折射與反射，振動(dòng)波在介質(zhì)中傳播時(shí)經(jīng)過(guò)不斷地折射和反射，其傳遞角度也會(huì)不斷發(fā)生變化，此種傳遞方式會(huì)對(duì)振動(dòng)波在土體中的傳播過(guò)程產(chǎn)生明顯的影響[12]，但其中各土層參數(shù)對(duì)各頻段振動(dòng)傳遞的影響還需要進(jìn)一步的研究。

2.3 地面低頻振動(dòng)傳遞特性分析

圖7為軟土地質(zhì)和巖層地質(zhì)條件下距隧道中心線水平距離為0 m、15 m、30 m 處在不同1/3 倍頻程中心頻率的地面振動(dòng)加速度級(jí)。如圖7所示，由地鐵列車(chē)運(yùn)行引起的振動(dòng)在軟土地質(zhì)中傳播時(shí)4 Hz、5 Hz、6.3 Hz 和8 Hz 的振動(dòng)在15 m 處出現(xiàn)了不同程度的增強(qiáng)，其中5 Hz、6.3 Hz 和8 Hz 的振動(dòng)在30 m處衰減，4 Hz的振動(dòng)在30 m處仍繼續(xù)增強(qiáng)，10 Hz和12.5 Hz的振動(dòng)在15 m處衰減，在30 m處出現(xiàn)增強(qiáng)；在巖土地質(zhì)中4 Hz和5 Hz的振動(dòng)在15 m處衰減，在30 m處出現(xiàn)增強(qiáng)，其余頻帶的振動(dòng)隨距離增大而減小。上述數(shù)據(jù)顯示振動(dòng)在地面的傳遞時(shí)軟土地質(zhì)和巖層地質(zhì)對(duì)于12.5 Hz 以下低頻振動(dòng)的衰減能力都較差，部分頻段的振動(dòng)在地面?zhèn)鬟f時(shí)在軟土地質(zhì)條件下出現(xiàn)在15 m 和30 m 處連續(xù)增強(qiáng)的現(xiàn)象。低頻振動(dòng)在地面?zhèn)鬟f時(shí)在巖層地質(zhì)條件下較軟土地質(zhì)出現(xiàn)增強(qiáng)的頻段較少，但整體上對(duì)低頻振動(dòng)部分的衰減依然較小。綜上所述，12.5 Hz以下頻段的振動(dòng)在地面?zhèn)鬟f時(shí)的衰減總體較弱，尤其是在軟土地質(zhì)條件下低頻振動(dòng)的振級(jí)較高，且在30 m的傳遞距離內(nèi)有部分低頻振動(dòng)出現(xiàn)隨距離增大振動(dòng)持續(xù)增強(qiáng)的現(xiàn)象，需重點(diǎn)關(guān)注。

圖7 軟土地質(zhì)和巖層地質(zhì)條件下地面0 m、15 m、30 m 處低頻振動(dòng)加速度級(jí)

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)軟土與巖層地質(zhì)條件下地鐵振動(dòng)傳遞特性進(jìn)行研究，通過(guò)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行1/3 倍頻程處理，對(duì)兩種地質(zhì)條件下不同頻段振動(dòng)的傳遞特性進(jìn)行分析得出以下結(jié)論。

（1）在兩種地質(zhì)條件下振動(dòng)在傳遞過(guò)程中在4 Hz～200 Hz頻段內(nèi)都存在兩個(gè)振動(dòng)波峰，其中軟土地質(zhì)條件下振動(dòng)波峰所處頻率小于巖層地質(zhì)。

（2）振動(dòng)由隧道壁傳至地表時(shí)，軟土地質(zhì)對(duì)高頻振動(dòng)的衰減效果較好，巖層地質(zhì)對(duì)低頻振動(dòng)的衰減效果較好。巖層地質(zhì)條件下在16 Hz～20 Hz頻段內(nèi)的振動(dòng)有輕微增強(qiáng)。

（3）在地面從0 m處至30 m處的振動(dòng)傳遞過(guò)程中，軟土地質(zhì)條件下在15 m 處的總振級(jí)出現(xiàn)增強(qiáng)，巖層地質(zhì)條件下總振級(jí)隨距離增加持續(xù)衰減，軟土地質(zhì)條件下部分12.5 Hz 以下頻段的振動(dòng)隨距離增加持續(xù)增大，巖層地質(zhì)條件下部分低頻振動(dòng)在30 m處出現(xiàn)增強(qiáng)。簡(jiǎn)而言之，兩種地質(zhì)形式對(duì)20 Hz 以下的低頻振動(dòng)的衰減效果都較差，在傳遞距離達(dá)到15 m以上時(shí)，其對(duì)40 Hz以上振動(dòng)的衰減效果較好，總體上軟土地質(zhì)條件下衰減效果更好。

（4）進(jìn)行周邊建筑物減振及選址時(shí)，軟土地質(zhì)條件下除要關(guān)注兩個(gè)振動(dòng)峰值處的頻段，對(duì)于20 Hz以下頻段的振動(dòng)也需關(guān)注，在巖層地質(zhì)條件下則可重點(diǎn)關(guān)注兩個(gè)振動(dòng)峰值所處的頻段，距軌道中心線30 m 以上的建筑物受到地鐵振動(dòng)的影響將大幅減小。對(duì)于較高頻率振動(dòng)的減振，可以通過(guò)對(duì)道床進(jìn)行減振改造來(lái)實(shí)現(xiàn)，如將普通道床替換為減振道床或?qū)⑵胀奂鎿Q為減振扣件，對(duì)于低頻振動(dòng)的減振，可以通過(guò)地基加固等方式實(shí)現(xiàn)。