地裂縫地層盾構隧道地鐵振動效應試驗研究

楊 覓，宮飛祥，王 鵬

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

當前，我國正在大力進行城市軌道交通建設，在許多城市，地鐵的建設正如火如荼。然而，地鐵線路很多都通過城市主干道，如西安地鐵2號線，沿線不僅有鐘樓、明城墻等古建筑，還有許多學校、醫院、科研院所等單位。地鐵運行引起的振動對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，系統地研究地鐵振動在周圍環境中的傳播衰減特征是很有必要的，這有利于探求防災減振措施。對地鐵振動在地層中傳播規律及減振措施研究的傳統手段主要是數值模擬[1-2]和現場測試[3-4]。但是，數值模擬很難模擬真實的車輛-軌道-隧道-地層相互作用系統，且因計算模型的簡化性及參數取值的主觀性，使其結果一般用于地鐵誘發振動問題的定性分析；現場測試是獲取原始地鐵振動數據的有效手段，但其受周圍環境干擾振動的影響較大，測試結果有時不盡如人意。針對以上不足，國內有一些團隊開展了地鐵誘發環境振動的模型試驗研究[5-6]。在西安，有許多學者針對地鐵振動問題開展了數值模擬[7]和實地測試[8]研究，筆者也針對西安地鐵跨地裂縫帶的馬蹄形隧道車致圍巖動力響應問題開展了數值模擬研究[9]。西安城區地裂縫發育，盾構隧道是西安地鐵建設過程中采用較多的一種結構形式，針對地裂縫場地盾構隧道的地鐵振動效應研究是現有研究鮮有涉及的領域。

基于現有研究的不足，為揭示地裂縫場地盾構隧道的地鐵振動響應特征，本文采用室內縮尺比例模型試驗的方法，設計并開展地鐵動荷載作用下盾構隧道-地裂縫-地層動力響應試驗，分析振動波在地裂縫鄰近土層中的傳播衰減規律，地裂縫及車速對土層振動響應的影響規律，以期為地鐵振動控制問題的理論研究和地鐵工程的減振設計提供參考。

1 試驗設計

本試驗屬于課題研究的一部分，詳細的試驗方案可參看文獻[10]，此處簡要介紹模型試驗概況和測試方案情況。

1.1 試驗概況

試驗為縮尺比例模型試驗，基本物理量中幾何相似比Cl=5，彈性模量相似比CE=2，質量密度相似比Cρ=1。導出物理量中時間、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始，逐層填筑西安地區黃土以模擬地鐵振動傳播的地層環境，模型箱尺寸（縱向×橫向×高度）為8.1 m×6.5 m×6.0 m。在箱體內側鋪貼聚氯乙烯塑料薄膜并涂覆一層工業黃油，以減弱振動波的反射。隧道結構為盾構隧道型式，縱向長度為8.1 m，頂部埋深2.0 m，沿南北方向埋設。隧道與地裂縫90°相交，地裂縫傾角為80°，模型三維結構圖如圖1所示。

圖1 模型三維結構圖（單位：m）

隧道管片每環包括3個標準塊、2個鄰接塊和1個封頂塊，結構圖如圖2所示。管片環寬0.30 m，環向塊與塊之間、縱向環與環之間采用4.8級M8螺栓連接，整個隧道共27環，從上盤至下盤第14、15環管片與地裂縫相交。管片材料為鋼筋混凝土，在預制的鋼模具中澆筑成型，強度等級為C25。管片配筋根據等強度原則確定，標準塊環向配筋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混凝土現場澆筑，鋼軌采用12 kg/m軌，扣件采用特制的Q235鋼片扣件。

圖2 盾構管片結構圖（單位：m）

1.2 地裂縫的模擬

在土層夯填過程中，預設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記。在土層填筑完成，且完成前期對照組試驗相關測試工作后，用洛陽鏟在模型頂部地面沿預設的斜面向下掏挖一道地裂縫，水平向縫寬35 mm，將粉細砂填入縫中以模擬地裂縫介質。

1.3 激振系統

實際的地鐵荷載可認為由車輪靜載和一系列簡諧動荷載疊加而成，室內的模型試驗一般采用簡諧荷載作為激勵。本課題組研制了一套激振系統，由振動設備、牽引裝置、安全裝置和控制系統組成，激振原理為偏心輪的轉動而產生一個正弦激勵荷載，該荷載通過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。牽引裝置可實現變向、變速、即時制動的功能，牽引速度范圍為0～0.5 m/s，激振系統實物圖如圖3所示。

圖3 激振系統實物圖

1.4 采集系統與測點布置

試驗采集土體的振動加速度數據，采用TST5915動態信號測試分析系統和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個測點，編號為T1～T6和T7～T12，上、下盤測點分別形成兩個測點集J1、J2。測點布設圖如圖4所示，加速度傳感器均豎向安置。

圖4 土中各測點布設圖（單位：m）

1.5 加載與測試方案

試驗時，振動設備定點激發出單一頻率的簡諧荷載，加載點為第15環管片處。各激振力參數見表1。

表1 各激振力參數

為了對比有無地裂縫條件下隧道周圍土層的振動響應，模型制作完成后，先進行無地裂縫工況下地層的振動響應測試，然后制作地裂縫，接著進行有地裂縫工況下地層的振動響應測試。

2 試驗結果

對于試驗測試的振動加速度信號，在分析之前先進行去直流、數字濾波和去除趨勢項等預處理。經預處理的測試信號按相似關系還原到原型體系中。第2.1、2.2小節分析數據對應于原型列車的軸重為5.4 t，車速為44.8 km/h。第2.3小節對試驗數據作歸一化處理，對應于原型列車的軸重為14 t。

2.1 振動加速度有效值分析

圖5為土中各測點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點的加速度有效值相差不大，隨著距襯砌距離的增加，兩測點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明顯差異，具體表現為：與無地裂縫時的常規值相比，在襯砌下部，有地裂縫時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 土中各測點豎向加速度有效值分布曲線

可見，地裂縫對地鐵盾構隧道圍巖車致加速度響應影響顯著，會使振動出現增強和減弱的效果，且對上下盤和襯砌上下部地層振動加速度響應的影響有一定差異。考慮到地裂縫對其鄰近一定范圍內土體振動強度的放大效應和上下盤土體振動強度的顯著差異性，建議在進行跨地裂縫地鐵盾構隧道設計時，針對軌道采取有效的減振措施。

2.2 振動加速度級分析

圖6為地裂縫場地土中各測點1/3倍頻程各中心頻率處的振動加速度級分布曲線。分析圖6可知：（1）振動在土中的傳播衰減特征表現為近振源處80 Hz及以上高頻成分的振動加速度級量值明顯大于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衰減速度更快，且100 Hz及以上頻率成分的振動呈現一致衰減的規律。（2）大部分頻率成分的振動加速度級隨距襯砌距離的增加而減小，而襯砌上部1～40 Hz頻率成分的振動加速度級在接近地表處出現了反彈增大現象，襯砌下部5～80 Hz頻率成分的振動加速度級在局部位置出現了顯著的反彈增大現象。襯砌下部土層中振動局部放大的原因是地裂縫介質對振動波的反射和折射，引起波的疊加增強效應，襯砌上部土層中振動局部放大的原因是地裂縫介質或地表對振動波的反射和折射，引起波的疊加增強效應。

圖6 地裂縫場地土中各測點1/3倍頻程各中心頻率處的振動加速度級分布圖

可見，地裂縫對地鐵盾構隧道圍巖車致振動響應中1～80 Hz頻率成分的振動有促進波動疊加相干的效應，導致局部位置振動有所增強。在進行跨地裂縫地鐵盾構隧道工程減隔振設計時，靠近振源區域，各頻段內的振動均不能忽視，遠離振源區域，減隔振的主要考慮頻段為1～80 Hz。

2.3 車速對加速度響應的影響分析

圖7為地裂縫場地土中典型測點的豎向振動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，各測點加速度有效值均呈現遞增趨勢，但增加幅度由快變緩，過渡車速約為67.2 km/h，且在22.4～67.2 km/h和67.2～89.6 km/h兩個區間內，加速度有效值隨車速的增加均呈線性規律增加。（2）各測點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測點的增加幅度較下盤T2測點大，襯砌上部下盤T12測點的增加幅度較上盤T11測點大。可見，跨地裂縫地鐵盾構隧道車致圍巖振動加速度強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，超過臨界速度后車速對振動響應的影響不顯著。該臨界速度接近于目前西安地鐵列車的最高運行速度，可以認為，適當降低車速可以較顯著地減小跨地裂縫盾構隧道圍巖的振動強度。

圖7 地裂縫場地土中典型測點的豎向加速度有效值隨車速的變化曲線

3 結論

根據跨地裂縫盾構隧道圍巖地鐵振動響應的模型試驗數據分析，所得結論如下：

（1）地裂縫場地盾構隧道圍巖對地鐵振動有顯著的衰減作用，且高頻成分振動衰減更快。

（2）地裂縫對襯砌上部土中1～40 Hz和下部土中5～80 Hz頻段內部分成分的振動波產生疊加增強效應，總體振動強度在上下盤地裂縫附近出現放大和縮小的不均勻分布特征，建議在進行跨地裂縫地鐵工程設計時加強軌道處的減振措施。

（3）地鐵盾構隧道圍巖振動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，過渡車速約為67.2 km/h。