本文摘要：地鐵安全論文對(duì)環(huán)境振動(dòng)敏感區(qū)域進(jìn)行線位選擇時(shí)，隧道埋置深度不宜過(guò)淺;在條件允許時(shí)，應(yīng)在埋深因素影響閾值范圍內(nèi)盡量選擇深埋。選擇適當(dāng)?shù)目奂䦟?duì)減少振動(dòng)作用明顯，但同一區(qū)段不宜選擇兩種及以上的型式，應(yīng)兼顧養(yǎng)護(hù)維修以及軌道合理剛度等因素進(jìn)行選擇。
地鐵安全論文對(duì)環(huán)境振動(dòng)敏感區(qū)域進(jìn)行線位選擇時(shí)，隧道埋置深度不宜過(guò)淺;在條件允許時(shí)，應(yīng)在埋深因素影響閾值范圍內(nèi)盡量選擇深埋。選擇適當(dāng)?shù)目奂䦟?duì)減少振動(dòng)作用明顯，但同一區(qū)段不宜選擇兩種及以上的型式，應(yīng)兼顧養(yǎng)護(hù)維修以及軌道合理剛度等因素進(jìn)行選擇。
《地下工程與隧道》(季刊)創(chuàng)刊于1991年，是上海市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院、上海市地鐵總公司和上海隧道工程股份有限公司合辦，上海中信隧道發(fā)展有限公司協(xié)辦的技術(shù)性科技期刊。《地下工程與隧道》始終遵循辦刊宗旨，貫徹以創(chuàng)新性、實(shí)用性、系統(tǒng)性和導(dǎo)向性為刊物功能要求，報(bào)道軟土地下工程與隧道地鐵設(shè)計(jì)、施工、設(shè)備和管理等各方面經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)的先進(jìn)技術(shù)和國(guó)內(nèi)外信息，總結(jié)、研討和交流軟土地下工程技術(shù)，使刊物以先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)成就推動(dòng)市政工程建設(shè)的新發(fā)展，成為該領(lǐng)域科技人員的有力工具和好朋友!主要欄目：設(shè)計(jì)、施工、設(shè)備、管理、計(jì)算機(jī)應(yīng)用。
采用4因素3水平正交設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方法，基于解析的車軌耦合模型的動(dòng)力學(xué)方法計(jì)算列車荷載，并建立三維動(dòng)力有限元數(shù)值模型，討論了不同影響因素(軌面埋深、扣件型式、行車速度、隧道型式)對(duì)地表振動(dòng)影響的顯著性程度，并分析地表響應(yīng)特性及振動(dòng)傳播規(guī)律。結(jié)果表明:垂向振動(dòng)是主要?jiǎng)恿憫?yīng)，且存在著傳播較遠(yuǎn)的長(zhǎng)周期含量，是低頻振動(dòng)的重要貢獻(xiàn);正交試驗(yàn)參數(shù)影響的顯著性程度上，軌面埋深和扣件型式最顯著，其次為行車速度和隧道型式，因此應(yīng)在埋深因素影響閾值范圍內(nèi)盡量選擇深埋，并選擇合理的扣件以減少振動(dòng);地表振動(dòng)隨距離的增加逐漸衰減，30Hz以上的頻率分量振動(dòng)衰減梯度較高，反映出土層的阻尼和濾波作用，衰減曲線并非單調(diào)遞減，有一定起伏。
關(guān)鍵詞
地鐵;振動(dòng);參數(shù)分析;車軌耦合解析模型;正交試驗(yàn)
隨著我國(guó)城市軌道交通建設(shè)的發(fā)展，地鐵運(yùn)行引起的環(huán)境振動(dòng)問(wèn)題受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。為最大限度地減少振動(dòng)對(duì)沿線居民、建筑及精密儀器等的影響，選擇最佳的地鐵線位、優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，成為地鐵建設(shè)前期研究中不可回避的問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，地鐵產(chǎn)生的振動(dòng)可看作是由振源、傳播路徑和受振體三個(gè)系統(tǒng)組成。每個(gè)系統(tǒng)中各個(gè)參數(shù)的變化，都不同程度地影響著最終觀測(cè)到的環(huán)境振動(dòng)大小。其中，行車速度、扣件型式、軌面埋深，以及隧道型式的分析和比選，是設(shè)計(jì)人員經(jīng)常遇到的問(wèn)題。
較早的研究認(rèn)為:列車以24～113km/h的速度運(yùn)行時(shí)，車速加倍可以使隧道及地表振動(dòng)增加4～6dB[1]。文獻(xiàn)[2]認(rèn)為列車車速加倍可引起地表振動(dòng)增加6dB。近年來(lái)在瑞典的測(cè)試表明，列車速度超過(guò)130km/h時(shí)，軌道振動(dòng)單調(diào)遞增[3]。采用適當(dāng)?shù)膹椥钥奂�，可以增加整體道床的彈性。我國(guó)自行研發(fā)的DT系列扣件在北京地鐵軌道設(shè)計(jì)中得到廣泛運(yùn)用，且減振性能逐步提高，DTV型扣件經(jīng)過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)比DTI型扣件可減少5～8dB[4]。同時(shí)，一批新型的具有較高減振效果的扣件已用于地鐵建設(shè)，其中北京地鐵5號(hào)線某區(qū)間采用Vanguard扣件更換原DTVI2型扣件取得了良好的減振效果，測(cè)試表明，其在50～80Hz減振效果明顯，最大減振量可以達(dá)到25dB[5]。
隧道埋深及斷面型式對(duì)地面振動(dòng)也會(huì)造成一定影響。Wilson[6]較早地提出了隧道材料及型式對(duì)振動(dòng)的影響程度;其后，Kurzweil[1]和Melke[7]在基于鏈?zhǔn)剿p的預(yù)測(cè)模型中加入了隧道結(jié)構(gòu)修正系數(shù)。文獻(xiàn)[8-9]采用數(shù)值模擬研究隧道埋深、形狀等因素對(duì)振動(dòng)的影響，結(jié)果表明，單純依靠增大埋深難以獲得經(jīng)濟(jì)有效的振動(dòng)衰減量。目前，尚無(wú)文獻(xiàn)研究上述多項(xiàng)參數(shù)對(duì)振動(dòng)的綜合影響程度。各因素對(duì)振動(dòng)響應(yīng)差異較大，為明確振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律，需進(jìn)行多參數(shù)研究。本文以正交試驗(yàn)為基礎(chǔ)，應(yīng)用車軌耦合模型計(jì)算激勵(lì)力，采用三維動(dòng)力有限元模型綜合考慮多因素進(jìn)行參數(shù)分析，給出了各參數(shù)對(duì)振動(dòng)影響的差異度，為設(shè)計(jì)人員提供參考。
1正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及參數(shù)
為研究變量之間的關(guān)系，取得最優(yōu)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，選取了正交試驗(yàn)的方法[10-11]。其在減少試驗(yàn)工作量的同時(shí)，能全面反映各個(gè)因素的關(guān)系�？紤]軌面埋深、隧道型式、行車速度、扣件型式等4個(gè)因素進(jìn)行分析。各因素均考慮3水平:軌面埋深選取10m、20m、30m;隧道型式考慮盾構(gòu)、矩形、馬蹄形;行車速度為40km/h、60km/h、80km/h;扣件選取DTVI2型扣件、III型軌道減振器和Vanguard扣件。以此設(shè)計(jì)的4因素3水平L9(34)正交表見(jiàn)表1。
2分析模型
2.1地鐵列車荷載采用基于解析的車軌耦合模型(見(jiàn)圖1)確定地鐵列車荷載。該模型為整車車輛系統(tǒng)，無(wú)限長(zhǎng)軌道結(jié)構(gòu)的車軌耦合模型[12-15]。據(jù)此理論，采用美國(guó)軌道不平順3級(jí)軌道譜密度，選取車輛參數(shù)(見(jiàn)表2)，計(jì)算出表1中各參數(shù)情況下的輪軌接觸力，再由復(fù)合剛度和鋼軌位移得到枕底反力解析解。圖2為列車以80km/h勻速運(yùn)行時(shí)，采用DTVI2扣件、III型軌道減振器及Vanguard先鋒扣件時(shí)的枕底反力時(shí)程。
2.2動(dòng)力有限元模型三維動(dòng)力有限元模型分析采用MIDAS/GTS軟件。模型尺寸為300m×100m×150m，土體采用實(shí)體單元，隧道結(jié)構(gòu)采用板單元，振源附近的網(wǎng)格尺寸采用精細(xì)單元，逐步過(guò)渡到邊界的大單元。采用彈簧-阻尼吸收邊界。瑞利阻尼系數(shù)α=0.853，β=0.003。積分時(shí)間步長(zhǎng)取0.0025s。采用單一土層，土層及結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)見(jiàn)表3。有限元模型見(jiàn)圖3。
3結(jié)果分析
3.1動(dòng)力響應(yīng)時(shí)程提取各方向(X—水平，Y—縱向，Z—垂向)下，振源正上方地表的動(dòng)力響應(yīng)(包括位移u、速度v、加速度a)時(shí)程曲線，分析其振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律，并對(duì)各影響因素的顯著性進(jìn)行參數(shù)分析。圖4為正交試驗(yàn)4動(dòng)力響應(yīng)時(shí)程曲線。由計(jì)算結(jié)果可知，列車荷載作用時(shí)間內(nèi)，引起垂向?yàn)橹鞯牡乇韯?dòng)力響應(yīng)，隨著隧道埋深的增加，水平向振動(dòng)所占比例降低很快。高速行駛列車會(huì)使縱向速度和加速度響應(yīng)超過(guò)垂向響應(yīng)或達(dá)到相同量級(jí)。位移、速度、加速度的最大動(dòng)力響應(yīng)數(shù)量級(jí)分別為10-5m，10-4m/s，10-2m/s2，其與類似工程的地面測(cè)試數(shù)據(jù)[16-18]吻合，說(shuō)明計(jì)算結(jié)果合理可信。時(shí)程下的各動(dòng)力響應(yīng)曲線很好地反映列車駛?cè)牒婉偝鏊淼赖娜^(guò)程，并因?yàn)檩唽?duì)通過(guò)出現(xiàn)周期性峰值。圖4a)的凹形曲線(uZ的下凹部分)反映列車準(zhǔn)靜態(tài)荷載下垂向位移的長(zhǎng)周期含量，而曲線中的鋸齒狀(uZ位移峰值段)為列車輪軌不平順引起的位移變化，凹形曲線的幅值約10倍于鋸齒線的幅值。由此表明，其動(dòng)力響應(yīng)的長(zhǎng)周期含量是低頻振動(dòng)的主要貢獻(xiàn)，是由列車準(zhǔn)靜態(tài)荷載產(chǎn)生，其值與行車速度和行車間隔有關(guān)。速度曲線呈現(xiàn)類似特性，但不及位移顯著。
3.2參數(shù)顯著性分析對(duì)表1的9組試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行各因素的極差顯著性分析。數(shù)據(jù)分析表明:對(duì)于垂向振動(dòng)響應(yīng)，扣件型式和軌面埋深是主要的影響因素，其次為隧道型式和行車速度。因此，選擇優(yōu)良扣件可以起到較好的減振效果。三種型號(hào)的減振效果為:Vanguard先鋒扣件最好，III型軌道減振器次之，再次是DTVI2型普通扣件。隨著軌面埋深的增加，動(dòng)力響應(yīng)降低，且10～20m埋深的衰減率要大于20～30m埋深，說(shuō)明淺埋時(shí)，增大埋深可以有效降低地表振動(dòng)，但當(dāng)埋深到達(dá)一定程度，對(duì)振動(dòng)的影響趨于平緩。隧道型式中矩形斷面引發(fā)的動(dòng)力響應(yīng)最大，其次為圓形盾構(gòu)和馬蹄型斷面。隨著車速的增加，動(dòng)力響應(yīng)的總體趨勢(shì)逐漸上升。圖5為垂向位移的時(shí)域動(dòng)力響應(yīng)，圖6為垂向位移的極差分析柱狀圖。
3.3地表動(dòng)力響應(yīng)隨距離的變化規(guī)律以正交試驗(yàn)4為例，圖7為距線路中心線不同測(cè)點(diǎn)的垂向加速度的1/3倍頻程，圖8為Z振級(jí)離開(kāi)振源不同距離的動(dòng)力響應(yīng)衰減曲線。(1)圖7表明頻域內(nèi)動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，近源處峰值頻率集中在30～80Hz。其中30Hz的峰值反映Vanguard扣件的自振頻率，距中心線越近，30Hz以上頻段響應(yīng)越顯著。隨著距離的增加，動(dòng)力響應(yīng)的幅值衰減，其高頻成分被抑制，反映出土層的阻尼和濾波作用，頻譜主要由低頻控制。(2)圖8反映了地表振動(dòng)隨距離的衰減規(guī)律，地表振動(dòng)在近振源處迅速衰減，超過(guò)一定距離后衰減趨于平緩，并出現(xiàn)起伏，存在振動(dòng)第二峰的放大現(xiàn)象。這與實(shí)測(cè)結(jié)果[17-18]的規(guī)律一致，只是位置有所差別。
4結(jié)語(yǔ)
(1)在列車的地表振動(dòng)影響中，垂向振動(dòng)是主要響應(yīng)，且存在動(dòng)力響應(yīng)的長(zhǎng)周期含量，其傳播較遠(yuǎn)，是低頻振動(dòng)的主要貢獻(xiàn)，應(yīng)引起充分重視。(2)通過(guò)4因素3水平的正交試驗(yàn)得出，動(dòng)力響應(yīng)的影響因素中，軌面埋深和扣件型式的顯著性程度最明顯，其次是行車速度和隧道型式。(3)列車運(yùn)營(yíng)時(shí)地表振動(dòng)的衰減規(guī)律為:振動(dòng)響應(yīng)在隧道上方地表最強(qiáng)烈，峰值頻率集中在30～80Hz，隨著遠(yuǎn)離隧道中心線逐漸衰減，其中30Hz以上頻率分量的振動(dòng)衰減梯度較高，反映出土層的阻尼和濾波作用。衰減曲線并非單調(diào)，而是有一定起伏，存在振動(dòng)第二峰的放大現(xiàn)象。
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