地表振動受鋼彈簧浮置板的影響研究

趙鵬程

摘要：地鐵運營引起的軌道振動易對周邊環(huán)境產(chǎn)生不利影響，鋼彈簧浮置板作為一種有效的減振措施被廣泛應(yīng)用。以某地鐵隧道為研究對象，通過有限元軟件建立三維軌道系統(tǒng)模型，分析鋼彈簧浮置板對地鐵隧道振動的減振效果，系統(tǒng)探討了剛度、阻尼、軌道平滑程度和隧道深度對加速度振動等級的影響。研究結(jié)果表明，合理使用鋼彈簧浮置板能夠有效降低地表振動，減少對周圍環(huán)境的影響。

關(guān)鍵詞：振動；地鐵；隧道；浮置板

0? ?引言

地表振動是城市地鐵建設(shè)和運營過程中的一個重要問題。隨著人口和城市發(fā)展的不斷增長，地鐵系統(tǒng)的規(guī)模和運行頻率也隨之增加，因此減少地表振動，對于保障周圍居民和建筑物的安全和舒適十分關(guān)鍵。

鋼彈簧浮置板作為一種常見的減振措施，被廣泛應(yīng)用于地鐵隧道和車站的結(jié)構(gòu)設(shè)計中。它通過在鐵軌和地面之間設(shè)置一定數(shù)量的鋼彈簧，來降低地鐵列車行駛引起的振動傳播到地表的程度。

目前，已有眾多學(xué)者對鋼彈簧浮置板的應(yīng)用技術(shù)進行了研究。張曉蕓[1]等對鋼彈簧浮置板的振動聲輻射特性進行了研究，采用聲輻射特性評估了鋼彈簧浮置板減振特性。范先知[2]闡述了城市軌道鋼彈簧浮板隔振器設(shè)置方案，通過優(yōu)化隔振器垂直剛度、整合隔振器選型達到減少隔振器數(shù)量的目的，不僅使得施工更方便，同時還節(jié)約了成本。丁德云[3]等認(rèn)為，隨著列車制造工藝發(fā)展至今，車速對軌道的交通荷載無法忽視，因此研究了鋼彈簧浮置板在不同車速下的減振降噪特性。程曜彥[4]等著重分析了鋼彈簧浮置板阻尼對列車行車過程中的影響，通過錘擊試驗及數(shù)值模擬研究認(rèn)為，鋼彈簧阻尼應(yīng)當(dāng)小于50kN·s/m。周志軍[5]等通過監(jiān)測地鐵行車過程中鋼軌與隧道的振動加速度，對比設(shè)置不同隔振設(shè)計前后振動特性的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鋼彈簧浮置板減振效果最佳。

本文通過對隧道-土進行數(shù)值模擬研究，分析鋼彈簧浮置板的剛度、阻尼、軌道平滑程度和隧道深度對周圍環(huán)境的影響，討論了以上因素對隧道振動特性的作用。研究結(jié)果可為城市地鐵及地下隧道設(shè)計提供了理論依據(jù)。

1? ?三維數(shù)值模型

隧道周圍地質(zhì)條件分為兩種：巖石或土體。從斷面來看，分為極小斷面到特大斷面隧道。從使用功能來看，可以分為水工、地下、道路、鐵路和海底隧道。本文使用數(shù)值模擬分析方法，對地下隧道建立有限元模型，研究地表振動受鋼彈簧浮置板的影響。

目前，城市內(nèi)對豎直方向振級標(biāo)準(zhǔn)值如表1所示。地表荷載通過仰拱和襯砌傳播，使得隧道周圍的土體受到振動影響。尤其是振動荷載在豎直方向的傳導(dǎo)遠大于其他方向，屬于最不利工況。因此在本文進行隧道-土數(shù)值模擬研究過程中，主要研究豎直方向的振動荷載的影響。

地表振動影響范圍受到許多因素的影響，根據(jù)對地鐵線路的大量監(jiān)測數(shù)據(jù)以及觀測結(jié)果來看，道路結(jié)構(gòu)、振動強度和土體類別都起到重要作用。而振源強度衰減隨距離的變化在100m時，滿足環(huán)境監(jiān)測的要求，因此本文數(shù)值模型振源設(shè)置選擇100m范圍內(nèi)較為合理。

1.1? ?三維數(shù)值模型

建立半徑為3m的圓形橫斷面的隧道模型，為研究隧道埋深的影響，同時建立3種不同隧道埋深模型，分別為10m、16m、19m。襯砌和仰拱采用素混凝土。素混凝土和周圍土體的相關(guān)參數(shù)如表2所示。

隧道數(shù)值模擬需采用較大范圍模型，以便更真實地反映鋼彈簧浮置板在地基中的傳播效果?？紤]到實際工程情況和數(shù)值模擬建模取值便利，土體尺寸取150m×50m。在地鐵運行過程中，列車與軌道發(fā)生碰撞產(chǎn)生的交通荷載，模型中各構(gòu)件均可被認(rèn)作為在彈性狀態(tài)中運行。所以在二維狀態(tài)下，可用一些四節(jié)點單元來模擬這一效果。

在建模過程中，網(wǎng)格劃分應(yīng)當(dāng)考慮各構(gòu)件實際受力特點。對基礎(chǔ)和襯砌部分，網(wǎng)格應(yīng)當(dāng)布置得更加密集，以便更好地反映局部受力情況。因此，襯砌、基礎(chǔ)和仰拱部分均以0.5m進行劃分，距離中心10m以外的網(wǎng)格以1m進行劃分，以此來保證反映整體受力情況。此外，在建模過程中，可以取對稱部分進行分析，并在中軸線處施加相關(guān)約束，以節(jié)約計算時間。

1.2? ?邊界條件

對于隧道工程在數(shù)值模擬方面的研究，總是把地下空間視作一個半無限空間。在巖土工程數(shù)值模擬過程中，選擇合適的邊界條件，能夠在計算過程中帶來事半功倍的效果。

對于動力學(xué)問題，投射邊界條件是時域局部人工邊界方法較為有效的一種方法。這一種方法需要在振動過程中，對時間點和對應(yīng)的空間位置進行實時監(jiān)測，在技術(shù)方面難以獲得準(zhǔn)確的值。因此在采用這一方法過程中，一般不會追求到高階精度。

一般可通過在邊界設(shè)置阻尼器，模擬波動傳播過程中的衰減。在豎直方向和水平方向上的邊界條件如下。

底部邊界條件計算如下：

σ=ρvpw? ? ? ? ? ? ? ? （1）

τ=ρvs?? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

側(cè)邊邊界條件計算如下：

σ=ρvp?? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

τ=ρvs?? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

在上述表達式中，ρ為介質(zhì)密度，vp為豎向波速，vs為水平向波速，w和u分別為豎向位移和水平位移。σ為正應(yīng)力，τ為剪應(yīng)力。

1.3? 阻尼條件

根據(jù)模態(tài)分析計算結(jié)果，前兩階垂直自振頻率分別為0.143Hz和0.592Hz，經(jīng)過進一步換算，得到Rayleigh阻尼，其中兩個系數(shù)α=0.037，β=1×10-8。

2? ?試驗結(jié)果

2.1? ?剛度影響分析

鋼彈簧浮置板剛度是影響浮置板減振效果的一個重要參數(shù)，因此選擇適當(dāng)?shù)母≈冒鍎偠葘τ诮档偷乇碚駝雍驮肼曈兄匾淖饔谩２煌搹椈蓜偠葪l件下，地表振動沿著線路中線水平方向的變化規(guī)律如圖1所示。

從圖1中可以明顯看出，鋼彈簧剛度越大，浮置板對地表振動的抑制作用越小，具體表現(xiàn)為：當(dāng)鋼彈簧的剛度從1×106N/m增加到100×106N/m時，隧道內(nèi)部的加速度振動等級提高了約16dB，說明剛度的變化對于振動的傳播有著非常顯著的影響。

為了達到較好的減振效果，根據(jù)本文所做的試驗結(jié)果，建議在保證軌道功能正常運行的前提下，盡量選擇剛度較小的浮置板。

2.2? ?阻尼影響分析

鋼彈簧浮置板剛度和阻尼對地表振動的影響是顯著的。不同鋼彈簧阻尼時水平距離與加速度振動等級關(guān)系如圖2所示。從圖2可以看出，隨著阻尼的增大，地表振動特性也隨之增加。這意味著高阻尼鋼彈簧可能不適合作為支撐構(gòu)件。此外，當(dāng)鋼彈簧的剛度高于7.5×106N·s/m時，隧道的加速度振動等級會發(fā)生激增。

因此，選擇適當(dāng)阻尼的浮置板對于其作為支撐的減振效果是有益的。這一點在本文試驗中得到了證實，鋼彈簧浮置板剛度和阻尼是影響其減振性能的重要因素，需要進一步討論其動力瞬態(tài)特性。選擇適當(dāng)阻尼的浮置板有助于提高其作為支撐構(gòu)件的減振效果。

2.3? ?軌道平滑程度影響分析

軌道平滑程度會導(dǎo)致鋼軌整體產(chǎn)生碰撞，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動傳導(dǎo)至地表，給周邊環(huán)境造成較為明顯的作用。圖3為4種軌道平滑程度等級下，相應(yīng)反應(yīng)譜下地表振動沿線路中線水平方向的分布特性。

從圖3可以看出，軌道不平順等級的提升對隧道加速度振動等級的影響相當(dāng)顯著。相較于6級不平順等級，3級不平順等級所對應(yīng)的加速度振動等級要大約16dB。同時衰減效果也較為明顯，100m水平距離下衰減了約15dB。從這一結(jié)果中可以認(rèn)為，盡可能確保軌道平整，能夠有效減少振動對地表和周圍環(huán)境的影響。

2.4? ?隧道深度影響分析

隧道位置越深，其產(chǎn)生的振動傳至地表的距離越大，因此隧道深度對周邊環(huán)境產(chǎn)生的影響同樣重要。設(shè)計地鐵線路時，應(yīng)根據(jù)上方建筑分布密度、水文地質(zhì)條件來選取合理的地鐵隧道設(shè)計深度。選取3種不同的隧道埋深，得到水平距離與加速度振動等級的關(guān)系如圖4所示。

從圖4可知，隨著隧道埋深從10m增加到22m，隧道加速度振動等級從路中心到100m范圍內(nèi)平均值顯著降低。且加速度隨水平距離的增加呈現(xiàn)“減少―增加―減少”的趨勢。綜上可以認(rèn)為，在路中心到100m范圍內(nèi)存在一個振動強化區(qū)間，位于15～25m左右，隧道埋深對該區(qū)間的振動特性具有顯著影響。為避免地鐵隧道振動對地表產(chǎn)生影響，在線路設(shè)計時應(yīng)盡可能選擇較深的區(qū)域。

3? ?結(jié)束語

本文建立了隧道-土的數(shù)值模擬模型，研究了剛度、阻尼、軌道平滑程度和隧道深度對加速度振動等級的作用，討論了地表振動受鋼彈簧浮置板的影響。根據(jù)研究結(jié)果可知：

在地鐵設(shè)計過程中，合理使用鋼彈簧浮置板能夠得到更好的減振降噪效果。具體表現(xiàn)為從振源沿水平方向逐漸遠離，地表振動特性整體上是逐漸降低的。本文研究結(jié)果中，100m范圍內(nèi)存在振動特性強化區(qū)間，位于15～25m左右。在以上區(qū)間內(nèi)，振動在衰減趨勢下會突然升高，隨即降低。

鋼彈簧浮置板的剛度對于減振效果來說具有重要意義。在實際工程中，盡可能選擇較小的鋼彈簧剛度，能夠使得浮置板對地鐵運行產(chǎn)生的振動效果產(chǎn)生更好的減振效果。

鋼彈簧浮置板的阻尼是決定鋼彈簧減振性能的另一重要因素。選擇適中的阻尼，既能夠使得浮置板對環(huán)境影響的作用降到最低，又能保證地鐵運行的振動特性下降到最小。

軌道平滑程度是地鐵運行過程中產(chǎn)生振動的主要原因。其平滑程度越大，振動特性越強。因此在地鐵線路設(shè)計過程中，要盡可能將軌道越平滑越好。

隧道設(shè)計深度越深，地鐵運行時對地表振動特性的作用越小，且在強化區(qū)間內(nèi)，振動衰減更加明顯。為減小地鐵運行對地表周圍環(huán)境的影響，應(yīng)盡可能加大地鐵隧道深度。

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