減振溝技術在地鐵車輛段上蓋開發中的研究及設計應用

鄭 輝

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

地鐵車輛段上蓋物業開發，不僅可為地鐵建設提供巨大的資金，也是節約土地資源、提高土地使用率、提高社會效益的重要措施。但車輛段物業開發不可避免地對蓋上物業帶來振動影響，降低物業開發品質，如何在上蓋開發時有效解決振動問題成為制約車輛段設計的關鍵因素。

1 車輛段振動研究及減振現狀調查分析

1.1 振動產生的機理[1]

如圖1所示，地鐵車輛運行時對軌道和地面的沖擊作用產生振動，通過結構傳遞到周圍土層，激發臨近物業結構柱產生振動，振動沿結構柱向上傳播，從而對蓋上物業建筑物、結構安全、人們生活工作、儀器設備等產生影響，因此必須采取相應減振措施。

圖1 典型車輛段引起的振動機理示意

鄒超等[2]在分析不同國家和機構振動評價指標、限值的基礎上，提出地鐵車輛段振動控制按照居住區晝間65 dB、夜間62 dB，蓋下區域晝間75 dB、夜間72 dB的振動評價標準。

1.2 減振現狀調查分析

控制振動造成的不利影響，一般可以從降低振源的激勵強度，在傳播途徑上隔振和建筑物基礎和內部隔振三方面入手[3-4]，振源處的隔振可以稱為主動隔振，離開振源后的隔振稱為被動隔振。近場主動隔振與遠場被動隔振的主要區別在于離振源的距離，目前常見減振措施如表1所示[5]。

表1 車輛段減振措施調查分析

目前常規減振措施主要考慮主動減振和建筑基座隔振，傳播路徑隔振雖具備明顯的減振效果，但不能與車輛段設計有效結合，目前尚未有實際應用案例，本文著重從傳播路徑隔振展開研究。

2 車輛段減振技術研究

為進一步研究減振，將地鐵列車荷載、軌道及道床模型、地基土模型、邊界條件等作為輸入條件，利用有限元建立了振動傳播規律數值分析模型[6-8]，為驗證減振模型準確性，選取了廣州某車輛段進行實測分析，列車在50 km/h速度下，在距離試車線6、12、18、25 m共測量了30組地面振動豎向加速度，將其與模型計算值對比分析后，計算的地面振動時程曲線與實測結果呈現出較一致的規律，模型驗證可行。此外在傳播路徑隔振研究中，針對表面振源問題的研究最多，以地面屏障隔振為主，尤其是空溝和填充溝[9]。

2.1 空溝屏障隔振

2.1.1 空溝深度對隔振效果的影響

空溝屏障隔振是在軌道附近的地基開挖溝槽，從而切斷振動波的傳播路徑或使振動波繞過屏障進而降低地面的振動，其振動原理見圖2。

圖2 空溝屏障有限元模型截面

為研究屏障深度對隔振效果的影響，選取了相對深度d分別為0.1、0.3、0.5、0.7、1.0、1.2、1.5、2.0、2.5(1∶6，單位：m)共9種不同的深度進行計算，選取了分別距軌道中心線8、12、16、20、25 m和30 m共6個點進行分析。圖3給出了距離軌道中心線不同距離處的豎向加速度有效值隨著相對深度d增大的衰減規律。

圖3 不同深度空溝對加速度的衰減情況

從圖3可以發現，相對深度d在0.1～1.0的區間內，加速度有效值隨著相對深度d的增大而衰減，衰減幅度達50%左右；當溝深較淺(d<0.3)時，阻隔效果不佳，當d>1.0時，深度的影響也會減小，因為當空溝達到某個深度后，較深部分的變化很難對自由面的行為造成影響。另外，當相對深度d的取值過小時，近振源處的加速度有效值有一定的衰減，但遠振源處的加速度有效值相對于無溝的狀況略有放大。

2.1.2 空溝寬度對隔振效果的影響

為研究屏障寬度對隔振效果的影響，選取了相對寬度w為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6(1∶6，單位：m)共6種不同的寬度進行計算，并選取了分別距軌道中心線12、16、20、25 m和30 m共5個點進行分析，其衰減規律如圖4所示。

圖4 不同寬度空溝對加速度的衰減情況

圖4給出了不同溝寬對豎向加速度有效值衰減的影響。總體上看，隨著相對寬度w的增大，加速度有效值呈減小趨勢，但衰減的幅度不大，趨勢較緩。因此可以認為，屏障的寬度對屏障隔振的效果影響不大。

2.1.3 空溝設置位置對隔振效果的影響

為研究屏障位置對隔振效果的影響，選取了相對距離s為0.75、1.0、1.25、1.5(1∶6，單位：m)共4種不同的位置進行計算，選取了分別距軌道中心線12、16、20、25、30 m共5個點進行分析，其衰減規律如圖5所示。

圖5 空溝不同位置對加速度的衰減情況

由圖5可知，當s=1.25(7.5 m)時，空溝對加速度有效值的衰減效果最佳，效果相對較差的是s=1(6 m)的情況，隨著與軌道中心線距離的增大，空溝的隔振效果有所減弱；整體上看，空溝設置位置對加速度有效值的衰減影響相對較小。

2.2 填充溝屏障隔振

2.2.1 不同填充材料的填充溝隔振效果分析

一般填充材料分柔性和剛性兩種。柔性材料多為粉煤灰、橡膠碎片和泡沫塑料；剛性材料多為砂礫石、加氣混凝土和輕骨料混凝土。在填充溝的尺寸的選取上，結合2.1中得出的結論，選取了隔振效果較好的空溝尺寸進行填充溝分析，即深度為6 m，寬度為2 m和距離軌道中心線s為4.5 m的模型進行分析，不同填充材料減振效果如圖6、圖7所示。

圖6 不同柔性材料隔振效果比較

圖7 不同剛性材料隔振效果比較

(1)柔性填充材料隔振效果

粉煤灰隔振效果最差，泡沫塑料隔振效果最好，橡膠材料的隔振效果介于兩者之間。

(2)剛性填充材料隔振效果

砂礫石填充溝幾乎無隔振效果，且隨著與軌道中心線距離的增大，地面振動也有所放大。輕骨料混凝土的隔振效果較好，普通混凝土的隔振效果與輕骨料混凝土相當。

2.2.2 不同形式填充材料隔振效果對比分析

根據2.2.1節的分析，柔性材料選取隔振效果較好的泡沫塑料，剛性材料選取普通混凝土，給出距離軌道中心線8、12、16、20、25 m和30 m處地面振動的加速度有效值衰減系數變化曲線，如圖8所示。

圖8 不同填充材料屏障隔振效果比較

在距離軌道中心線約12 m處，柔性材料(泡沫塑料)的隔振效果和剛性材料(普通混凝土)的隔振效果接近，且兩者的隔振效果與空溝的隔振效果相接近。因此可認為在距離軌道中心線的一定范圍內，柔性材料和剛性材料的隔振效果相當；而隨著距離的增加，柔性材料隔振效果較好；在距離軌道中心線較遠處，柔性材料的隔振效果逐漸減弱，而剛性材料則維持良好的隔振作用。

2.3 減振溝研究結論分析

2.3.1 空溝隔振研究結論

(1)空溝達到一定的深度后才具有明顯隔振效果，某些情況下增加深度對隔振效果影響較小；

(2)空溝寬度變化對隔振效果無明顯影響；

(3)空溝距離軌道中心線有一個臨界位置，根據模擬計算，該距離為6 m。

2.3.2 填充溝隔振研究結論

(1)填充材料的波阻抗比是影響其隔振效果的主要因素，柔性材料的波阻抗比越小，其隔振效果越好，剛性材料與之相反；

(2)剛性材料波阻抗比越大隔振效果越好，但當波阻抗比增大到一定數值時，不會明顯增強隔振效果；柔性材料對距離軌道中心線一定范圍內的隔振效果優于剛性材料，但剛性材料屏障的隔振區域大于柔性材料屏障；

(3)空溝的隔振效果比柔性材料和剛性材料屏障要好，但是屏障達到一定深度后，空溝的施工及維護難度增大，可以將空溝與填充溝進行有效的組合，達到隔振的效果。

3 車輛段減震技術研究設計應用

3.1 車輛段上蓋物業概況

廣州市某地鐵車輛段位于風神大道以北，東臨新華陵園，西側有1條500 kV高壓線，北側為軍事用地及林地，地塊的總用地面積24.09 hm2，凈用地面積17.87 hm2。如圖9所示，擬開發車輛段蓋上共涉及31棟高層住宅、1所小學、1所幼兒園及配套物業，上蓋開發總建筑面積61.85萬m2，容積率(上蓋+白地)2.79，建筑密度18.36%，綠地率35.06%。

圖9 某地鐵車輛段上蓋物業總平面

3.2 蓋下車輛段概況

車輛段出入線最小曲線半徑為220 m，車場線最小曲線半徑150 m。軌道包括出入段線、試車線、車場線、庫內線，車輛采用B型車，采用柔性架空接觸網，出入段線尾部地面與試車線部分均采用有砟軌道，鋪設新Ⅱ型預應力混凝土枕。

3.3 研究區域劃分

對于上蓋物業開發的減振問題，需重點考慮行車速度較高的試車線地段的中低頻振動，以及咽喉區及小半徑地段的高頻噪聲污染，振動控制的主要區域在于試車線、出入線和咽喉區[10-12]。其中，咽喉區道岔多，存在大量的小半徑曲線和鋼軌接頭，車輛通過鋼軌接頭和道岔有害空間引起的振動是振動的主要來源之一。

上蓋物業開發一類為直接建于庫內線、試車線和咽喉區上部的建筑；另一類為臨近庫內線、試車線和咽喉區的建筑。振動控制標準按照晝間(06：00～22：00)為65 dB，夜間(22：00～06：00)為62 dB[13-16]。利用有限元，在車-軌-地基數值模型的基礎上，建立車輛段上蓋建筑不同區域的有限元模型，并對不同減振措施進行模擬分析。

3.4 不同區域列車運行引起建筑物的振動預測

在設置減振溝的前提下，對試車線、出入段線、咽喉區3個區域上蓋平臺振動進行振動模型計算，計算前提條件均為車輛按照60 km/h速度通過，選取試車線上蓋平臺附近18層物業住宅樓進行分析，其不同樓層減振效果如圖10所示。

圖10 18層建筑振級分布

從圖10可以看出，減振溝大約能夠減小結構振動5～7 dB，具有顯著的減振效果，但18層仍然有70～73 dB，不滿足振動限值要求，需要采取其他綜合措施來降低影響。

3.5 減振溝技術在車輛段中的設計應用

采用空溝+剛性材料(普通混凝土或輕骨料混凝土)形成組合減振溝能夠有效降低振動影響。組合隔振屏障的深度需不小于4 m，寬宜設為1.5 m，距離軌道中心線宜為4～4.5 m，空溝的深度宜為2～3 m，但實際過程中，單純建設空溝投資較大，需結合其他功能需要進行建設。

考慮到上述因素后，將空溝與綜合管溝、電纜溝、站場排水溝等結合設置，在保證減振效果的同時，降低工程投資，如圖11所示。

圖11 減振溝技術在車輛段中的設計應用(單位：m)

在試車線北側設置1條深度為2 m的站場排水溝，可兼作雨水排水和空溝減振，在距離試車線南側4 m處設置1條寬1.5 m×深1.6 m的綜合管廊，綜合管廊內主要為給水、中水、消防管以及弱電管線，此外在綜合管溝南側再設置1條寬1.5 m×深1.9 m的電纜隧道，隧道內主要為高壓和低壓電纜，上述設計實際上相當于在結構柱兩側設置1條空溝和2條填充溝屏障的組合形式，能夠將減振與車輛段功能需求有機結合起來。

4 結語

本文依托帶上蓋物業的地鐵車輛段，利用ABAQUS有限元軟件，建立了帶上蓋的地鐵車輛段列車-軌道和路基-土層-建筑物的有限元模型，分別對地鐵車輛段上蓋平臺和上蓋物業不同區域進行振動響應預測分析，通過分析得出了空溝和填充溝組合屏障減振溝模式，并針對車輛段內最主要的振動區域(試車線、出入段線、咽喉區)進行了模擬分析，有效驗證了組合屏障溝的減振效果，將車輛段功能需求與組合屏障溝結合設置，有效節省占地，減少工程投資，目前該車輛段已經投入運營近半年，減振效果顯著。

經分析空溝和填充溝屏障的組合形式能有效降低振動帶來的影響，但仍然存在不滿足晝夜振動限值的要求，需進一步采取其他減振措施，若需達到減振限值的要求，必須考慮多種行之有效的綜合措施來降低振動對蓋上蓋下造成的影響。