地鐵列車引起的振動對鄭州二七塔的影響

徐洪磊 何吉成 衷 平

(交通運(yùn)輸部規(guī)劃研究院環(huán)境資源所，100028，北京∥第一作者，高級工程師)

地鐵交通在帶來出行便利的同時，也正成為新的振動源，地鐵對醫(yī)院、學(xué)校、居民住宅等環(huán)境敏感地段的振動影響及減振措施日益受到人們的關(guān)注［1－6］。當(dāng)前，許多建設(shè)地鐵的城市本身也是國家歷史文化名城，市內(nèi)分布著較多的需保護(hù)文物，部分城市的近現(xiàn)代重要史跡及紀(jì)念性建筑物還被列為國家重點(diǎn)文物保護(hù)單位。考慮到客流和線網(wǎng)的因素，一些地鐵線路不得不穿越或臨近一些文物保護(hù)單位。因此，分析評價地鐵列車振動對文物的影響并采取相應(yīng)的預(yù)防措施十分必要。為防止包括地鐵在內(nèi)的工業(yè)振源引起的地面振動對古建筑結(jié)構(gòu)的危害，文獻(xiàn)［6］對古建筑結(jié)構(gòu)的容許振動、動力特性等方面進(jìn)行了研究，像北京、西安等古建筑較多的城市地鐵建設(shè)部門對古建筑的振動評估和防護(hù)也十分重視［7－11］。為了加強(qiáng)工業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施布局和工業(yè)振動環(huán)境中古建筑的保護(hù)，2009年1月國家出臺了GB/T 50452—2008《古建筑防工業(yè)振動技術(shù)規(guī)范》［12］，并作為評估工業(yè)振動對古建筑結(jié)構(gòu)影響的技術(shù)規(guī)范。文獻(xiàn)［13］基于該規(guī)范評估了京張城際鐵路隧道列車振動對水關(guān)長城的影響。但截至目前，應(yīng)用該規(guī)范來評價地鐵列車振動對古建筑影響的研究報道還較為少見。鄭州二七紀(jì)念塔(簡稱二七塔)位于鄭州市區(qū)中心位置，考慮到客流、線位和換乘等因素，規(guī)劃建設(shè)的鄭州地鐵3號線1期在二七塔附近穿越。本研究以《古建筑防工業(yè)振動技術(shù)規(guī)范》為標(biāo)準(zhǔn)，對地鐵列車振動對二七塔的影響進(jìn)行了預(yù)測和分析，為采取適當(dāng)?shù)臏p振措施來減弱地鐵列車對二七塔的振動影響提供依據(jù)，也為應(yīng)用《古建筑防工業(yè)振動技術(shù)規(guī)范》來評價地鐵振動影響提供一個研究實例。

1 規(guī)劃中的地鐵3號線與二七塔的位置關(guān)系

1.1 規(guī)劃中的地鐵3號線簡介

規(guī)劃建設(shè)的鄭州地鐵3號線1期工程起于興隆鋪路站，止于博學(xué)路站，長20.0 km，均為地下線，共設(shè)車站17座(平均站間距為1.25 km)，其中換乘站6座。二七廣場站為換乘站，因其距火車站近的優(yōu)勢，聚集了大量的區(qū)域級商貿(mào)市場，3號線建設(shè)可以加強(qiáng)二七廣場商務(wù)中心的區(qū)域輻射功能。

1.2 鄭州二七塔概況

二七塔位于鄭州市中心的二七廣場，是為紀(jì)念京漢鐵路工人大罷工而修建的紀(jì)念性建筑物，也是鄭州市標(biāo)志性建筑景觀。它始建于1951年，為15 m高的木制紀(jì)念塔;1971年改建成現(xiàn)今的雙身并聯(lián)式鋼筋混凝土塔(見圖1)，塔高63 m，共14層，每層頂角為仿古挑角飛檐，綠色琉璃瓦覆頂。塔頂建有鐘樓，六面直徑2.7 m的大鐘，整點(diǎn)報時演奏樂曲，鐘樓上高矗一枚紅五星。二七大罷工影響了近現(xiàn)代中國工人運(yùn)動的發(fā)展，二七紀(jì)念塔因此具有重要的紀(jì)念意義和教育意義，2006年被列為全國重點(diǎn)文物保護(hù)單位，成為我國最年輕的全國重點(diǎn)文物保護(hù)單位。

圖1 鄭州二七紀(jì)念塔實景

1.3 鄭州地鐵3號線路與二七塔的位置關(guān)系

規(guī)劃建設(shè)的鄭州地鐵3號線1期工程以地下線形式穿過二七塔臨近區(qū)域，通過埋深來減弱列車振動對二七塔的影響，線路距離塔基的水平距離約20 m左右。規(guī)劃中的鄭州地鐵3號線和二七塔的位置關(guān)系見圖2。

圖2 規(guī)劃中的鄭州地鐵3號線與二七塔的位置關(guān)系圖

2 研究方法

根據(jù)HJ 453—2008《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則—城市軌道交通》要求，文物保護(hù)目標(biāo)的評價指標(biāo)為振動速度。本文采用《古建筑防工業(yè)振動技術(shù)規(guī)范》來預(yù)測分析地鐵運(yùn)營期間列車振動對二七塔的影響，以文物承重結(jié)構(gòu)最高處的容許振動速度作為評價標(biāo)準(zhǔn)。需要說明的是，二七塔為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)(其強(qiáng)度和抗振性均強(qiáng)于磚結(jié)構(gòu)，故其容許振速應(yīng)比磚結(jié)構(gòu)大)，但在《古建筑防工業(yè)振動技術(shù)規(guī)范》中沒有針對這類結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，為求嚴(yán)格，現(xiàn)采用規(guī)范中的磚類古建筑標(biāo)準(zhǔn)。在該規(guī)范中，屬于全國重點(diǎn)文物保護(hù)單位的古建筑，其承重結(jié)構(gòu)最高處容許振動速度為0.15～0.20 mm/s。由于目前地鐵線路還屬于規(guī)劃階段，具體埋深(即軌面至地面的豎直距離)尚未確定，因此分15 m、20 m和25 m三種地鐵線路埋深來預(yù)測地鐵列車的振動影響。

地鐵列車振動傳播的計算公式如下:

式中:

Vr——距振源中心水平距離r處的建筑物基礎(chǔ)地面水平向振動速度，mm/s;

V0——矩振源中心水平距離r0處的地面水平向振動速度，mm/s;

r0——振源半徑，m;

r——二七塔建筑物距振源中心的距離，20 m;

ξ0——與振源半徑有關(guān)的幾何衰減系數(shù)，地鐵沿線土類為粉質(zhì)黏土?xí)r，當(dāng)r＞H(地鐵埋深)時ξ0取 0.4，當(dāng) r≤H 時 ξ0取 0.8;

a0——土的能量吸收系數(shù)，s/m，按地鐵沿線粉質(zhì)黏土的土質(zhì)條件，取值為2.175×10－4s/m;

f0——地面振動頻率，Hz。

V0和f0通過建模插值來獲取，具體過程為:在《古建筑防工業(yè)振動技術(shù)規(guī)范》中，對地鐵這種振動源給出了10 m、50 m、100 m、200 m和400 m 5個水平距離下的地面水平向振動速度和地面振動頻率，通過擬合發(fā)現(xiàn)，V0、f0與r0呈明顯的負(fù)指數(shù)關(guān)系。V0與r0之間的負(fù)指數(shù)曲線模型為y=0.047 6+3.768 9/x(決定系數(shù) R2=0.9761，概率值 p ＜0.01);f0與r0之間的負(fù)指數(shù)曲線模型為y=12.238 1+11.703 7/x(R2=0.9921，p ＜ 0.001)。先計算出 r0后，代入上述負(fù)指數(shù)曲線方程即可獲得不同r0處的V0、f0。

對r0的規(guī)定如下:

式中:

B——地鐵單線隧道內(nèi)壁寬度，取4.0 m;

L——頭車長度，取19 m;

δr——隧道埋深影響系數(shù)，當(dāng) H/rm≥3.0 時 δr=1.50，當(dāng) H/rm=2.7 時 δr=1.40，當(dāng) H/rm≤2.5 時δr=1.30。

古建筑承重結(jié)構(gòu)最大速度響應(yīng)按式(3)計算:

式中:

Vmax——結(jié)構(gòu)最大速度響應(yīng);

n——振型疊加數(shù)，取3;

γj——第 j階振型參與系數(shù);

βj——第j階動力放大系數(shù)。

根據(jù)鄭州二七塔的層高、層寬、層數(shù)、底寬、總高等數(shù)據(jù)，γj和βj分別從《古建筑防工業(yè)振動技術(shù)規(guī)范》中的振型參與系數(shù)表和動力放大系數(shù)表選取，在本研究中，γ1、γ2、γ3分別為 1.753、－ 1.216、0.767，β1、β2、β3分別為 1、1、1.41。

3 研究結(jié)果與建議

地鐵列車沿軌道運(yùn)行時，由于車輪與鋼軌的碰撞以及線路不平順等原因，使軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動。這種振動傳入大地后，引起大地振動波。當(dāng)振動波到達(dá)建筑物基礎(chǔ)時就會誘發(fā)建筑物的二次振動。在本研究中地鐵列車振動傳播過程為:車輪振動→鋼軌→扣件→軌枕→道床→隧道襯砌結(jié)構(gòu)→圍護(hù)地層→到達(dá)二七塔基部地面→引發(fā)二七塔承重結(jié)構(gòu)振動。影響振動傳播的主要因素有:列車質(zhì)量，運(yùn)行速度，輪軌，扣件，道床，隧道等的結(jié)構(gòu)。表1、表2分別為15 m、20 m和25 m 3種埋深條件下地鐵列車振動傳播的計算參數(shù)和對二七塔的振動影響。從表1中可知，3種埋深條件下地鐵列車振動傳播到二七塔地面的振動速度分別為0.379 mm/s、0.312 mm/s和0.260 mm/s。從表2中可知，地鐵振動引發(fā)的二七塔承重結(jié)構(gòu)最大速度響應(yīng)分別達(dá)到0.907 mm/s、0.747 mm/s 和 0.623 mm/s，均超過國家重點(diǎn)保護(hù)文物承重結(jié)構(gòu)的容許振動速度，超標(biāo)量分別為0.757 mm/s、0.597 mm/s 和 0.473 mm/s。為確保二七塔建筑結(jié)構(gòu)的安全，必須采取相應(yīng)的減振措施來減弱地鐵列車振動對其結(jié)構(gòu)的影響。

表1 不同埋深的地鐵列車振動計算參數(shù)

表2 不同埋深的地鐵列車振動對二七塔的振動影響

根據(jù)地鐵振動的產(chǎn)生機(jī)理，可在車輛類型、線路條件、軌道結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行減振設(shè)計，來降低輪軌撞擊產(chǎn)生的振動源強(qiáng)度值，從而減輕地鐵振動的影響。如采用長鋼軌和打磨鋼軌來增加平順度、運(yùn)用防振型鋼軌等［4］。對軌道結(jié)構(gòu)采取振動控制措施是目前軌道交通振動控制的主流方向。我國地鐵既有的振動控制措施主要有:采用彈性扣件、軌道減振器、浮置板道床等。其中浮置板道床減振效果最佳［14］，有研究表明在50 m范圍內(nèi)浮置板減振效果十分明顯［15］。浮置板道床結(jié)構(gòu)一般由鋼筋混凝土浮置板、彈性支座、混凝土底座及配套扣件等組成。該結(jié)構(gòu)是用扣件把鋼軌固定在鋼筋混凝土浮置板上，浮置板置于可調(diào)的彈性支座上，浮置板兩側(cè)用彈性材料固定，形成一種質(zhì)量－彈簧隔振系統(tǒng)［3］。

在采用浮置板道床的減振措施中，鋼彈簧浮置板是現(xiàn)行輪軌接觸式軌道交通中最先進(jìn)的減振措施。從國外已采取鋼彈簧浮置板道床的地鐵運(yùn)營情況看，被保護(hù)建筑均未受地鐵列車運(yùn)營所產(chǎn)生振動的影響［16］。文獻(xiàn)［9］用三維動力有限元數(shù)值模擬表明，采用鋼彈簧浮置板減振后，列車振動引起的西安鐘樓地基振動速度可明顯減少，減少量達(dá)到87.25%。因此，建議鄭州地鐵3號線1期工程在建設(shè)過程中，在二七塔臨近區(qū)域采用不低于25m的埋深并設(shè)置鋼彈簧浮置板道床，以確保二七塔的結(jié)構(gòu)安全。

本研究只是基于《古建筑防工業(yè)振動技術(shù)規(guī)范》對地鐵振動影響進(jìn)行的初步分析。振動在土壤介質(zhì)中的傳播規(guī)律非常復(fù)雜，與振源、地質(zhì)條件等諸多因素有關(guān)，由于鄭州目前尚無運(yùn)營的地鐵，沒有振動的實測數(shù)據(jù)進(jìn)行測定和類比，因此難于對地鐵運(yùn)營期間引發(fā)二七塔的振動速度進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測。為確保二七塔建筑結(jié)構(gòu)的安全，建議在地鐵運(yùn)營期及施工期應(yīng)加強(qiáng)對二七塔振動響應(yīng)的跟蹤監(jiān)測，如發(fā)現(xiàn)問題，應(yīng)及時采取措施(如設(shè)置減振隔離樁)加以解決。

4 結(jié)語

本文采用《古建筑防工業(yè)振動技術(shù)規(guī)范》中給出的計算方法，預(yù)測分析了15 m、20 m和25 m 3種埋深下地鐵列車振動對二七塔的影響。預(yù)測結(jié)果表明，3種埋深條件下地鐵振動引發(fā)的二七塔承重結(jié)構(gòu)最大速度響應(yīng)分別達(dá)到 0.907 mm/s、0.747 mm/s 和 0.623 mm/s，已超過國家重點(diǎn)保護(hù)文物承重結(jié)構(gòu)的容許振動速度。為確保二七塔建筑結(jié)構(gòu)的安全，建議鄭州地鐵3號線1期工程在建設(shè)過程中，在二七塔臨近區(qū)域采用不淺于25 m的埋深并設(shè)置鋼彈簧浮置板道床。建議在地鐵運(yùn)營期及施工期加強(qiáng)對二七塔振動響應(yīng)的跟蹤監(jiān)測，如發(fā)現(xiàn)問題，應(yīng)及時采取安全措施。

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