本文摘要：地鐵安全論文對環(huán)境振動敏感區(qū)域進行線位選擇時，隧道埋置深度不宜過淺;在條件允許時，應在埋深因素影響閾值范圍內(nèi)盡量選擇深埋。選擇適當?shù)目奂䦟p少振動作用明顯，但同一區(qū)段不宜選擇兩種及以上的型式，應兼顧養(yǎng)護維修以及軌道合理剛度等因素進行選擇。
地鐵安全論文對環(huán)境振動敏感區(qū)域進行線位選擇時，隧道埋置深度不宜過淺;在條件允許時，應在埋深因素影響閾值范圍內(nèi)盡量選擇深埋。選擇適當?shù)目奂䦟p少振動作用明顯，但同一區(qū)段不宜選擇兩種及以上的型式，應兼顧養(yǎng)護維修以及軌道合理剛度等因素進行選擇。
《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計研究院、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、實用性、系統(tǒng)性和導向性為刊物功能要求，報道軟土地下工程與隧道地鐵設計、施工、設備和管理等各方面經(jīng)實踐檢驗的先進技術和國內(nèi)外信息，總結、研討和交流軟土地下工程技術，使刊物以先進的科學技術成就推動市政工程建設的新發(fā)展，成為該領域科技人員的有力工具和好朋友!主要欄目：設計、施工、設備、管理、計算機應用。
采用4因素3水平正交設計的試驗方法，基于解析的車軌耦合模型的動力學方法計算列車荷載，并建立三維動力有限元數(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)對地表振動影響的顯著性程度，并分析地表響應特性及振動傳播規(guī)律。結果表明:垂向振動是主要動力響應，且存在著傳播較遠的長周期含量，是低頻振動的重要貢獻;正交試驗參數(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;地表振動隨距離的增加逐漸衰減，30Hz以上的頻率分量振動衰減梯度較高，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。
關鍵詞
地鐵;振動;參數(shù)分析;車軌耦合解析模型;正交試驗
隨著我國城市軌道交通建設的發(fā)展，地鐵運行引起的環(huán)境振動問題受到國內(nèi)外學者的廣泛關注。為最大限度地減少振動對沿線居民、建筑及精密儀器等的影響，選擇最佳的地鐵線位、優(yōu)化設計參數(shù)，成為地鐵建設前期研究中不可回避的問題。一般來說，地鐵產(chǎn)生的振動可看作是由振源、傳播路徑和受振體三個系統(tǒng)組成。每個系統(tǒng)中各個參數(shù)的變化，都不同程度地影響著最終觀測到的環(huán)境振動大小。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，是設計人員經(jīng)常遇到的問題。
較早的研究認為:列車以24～113km/h的速度運行時，車速加倍可以使隧道及地表振動增加4～6dB[1]。文獻[2]認為列車車速加倍可引起地表振動增加6dB。近年來在瑞典的測試表明，列車速度超過130km/h時，軌道振動單調(diào)遞增[3]。采用適當?shù)膹椥钥奂�，可以增加整體道床的彈性。我國自行研發(fā)的DT系列扣件在北京地鐵軌道設計中得到廣泛運用，且減振性能逐步提高，DTV型扣件經(jīng)過室內(nèi)試驗比DTI型扣件可減少5～8dB[4]。同時，一批新型的具有較高減振效果的扣件已用于地鐵建設，其中北京地鐵5號線某區(qū)間采用Vanguard扣件更換原DTVI2型扣件取得了良好的減振效果，測試表明，其在50～80Hz減振效果明顯，最大減振量可以達到25dB[5]。
隧道埋深及斷面型式對地面振動也會造成一定影響。Wilson[6]較早地提出了隧道材料及型式對振動的影響程度;其后，Kurzweil[1]和Melke[7]在基于鏈式衰減的預測模型中加入了隧道結構修正系數(shù)。文獻[8-9]采用數(shù)值模擬研究隧道埋深、形狀等因素對振動的影響，結果表明，單純依靠增大埋深難以獲得經(jīng)濟有效的振動衰減量。目前，尚無文獻研究上述多項參數(shù)對振動的綜合影響程度。各因素對振動響應差異較大，為明確振動響應規(guī)律，需進行多參數(shù)研究。本文以正交試驗為基礎，應用車軌耦合模型計算激勵力，采用三維動力有限元模型綜合考慮多因素進行參數(shù)分析，給出了各參數(shù)對振動影響的差異度，為設計人員提供參考。
1正交試驗設計及參數(shù)
為研究變量之間的關系，取得最優(yōu)的觀測數(shù)據(jù)，選取了正交試驗的方法[10-11]。其在減少試驗工作量的同時，能全面反映各個因素的關系�？紤]軌面埋深、隧道型式、行車速度、扣件型式等4個因素進行分析。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、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。以此設計的4因素3水平L9(34)正交表見表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(見圖1)確定地鐵列車荷載。該模型為整車車輛系統(tǒng)，無限長軌道結構的車軌耦合模型[12-15]。據(jù)此理論，采用美國軌道不平順3級軌道譜密度，選取車輛參數(shù)(見表2)，計算出表1中各參數(shù)情況下的輪軌接觸力，再由復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勻速運行時，采用DTVI2扣件、III型軌道減振器及Vanguard先鋒扣件時的枕底反力時程。
2.2動力有限元模型三維動力有限元模型分析采用MIDAS/GTS軟件。模型尺寸為300m×100m×150m，土體采用實體單元，隧道結構采用板單元，振源附近的網(wǎng)格尺寸采用精細單元，逐步過渡到邊界的大單元。采用彈簧-阻尼吸收邊界。瑞利阻尼系數(shù)α=0.853，β=0.003。積分時間步長取0.0025s。采用單一土層，土層及結構的材料參數(shù)見表3。有限元模型見圖3。
3結果分析
3.1動力響應時程提取各方向(X—水平，Y—縱向，Z—垂向)下，振源正上方地表的動力響應(包括位移u、速度v、加速度a)時程曲線，分析其振動響應規(guī)律，并對各影響因素的顯著性進行參數(shù)分析。圖4為正交試驗4動力響應時程曲線。由計算結果可知，列車荷載作用時間內(nèi)，引起垂向為主的地表動力響應，隨著隧道埋深的增加，水平向振動所占比例降低很快。高速行駛列車會使縱向速度和加速度響應超過垂向響應或達到相同量級。位移、速度、加速度的最大動力響應數(shù)量級分別為10-5m，10-4m/s，10-2m/s2，其與類似工程的地面測試數(shù)據(jù)[16-18]吻合，說明計算結果合理可信。時程下的各動力響應曲線很好地反映列車駛入和駛出隧道的全過程，并因為輪對通過出現(xiàn)周期性峰值。圖4a)的凹形曲線(uZ的下凹部分)反映列車準靜態(tài)荷載下垂向位移的長周期含量，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，其動力響應的長周期含量是低頻振動的主要貢獻，是由列車準靜態(tài)荷載產(chǎn)生，其值與行車速度和行車間隔有關。速度曲線呈現(xiàn)類似特性，但不及位移顯著。
3.2參數(shù)顯著性分析對表1的9組試驗結果進行各因素的極差顯著性分析。數(shù)據(jù)分析表明:對于垂向振動響應，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，動力響應降低，且10～20m埋深的衰減率要大于20～30m埋深，說明淺埋時，增大埋深可以有效降低地表振動，但當埋深到達一定程度，對振動的影響趨于平緩。隧道型式中矩形斷面引發(fā)的動力響應最大，其次為圓形盾構和馬蹄型斷面。隨著車速的增加，動力響應的總體趨勢逐漸上升。圖5為垂向位移的時域動力響應，圖6為垂向位移的極差分析柱狀圖。
3.3地表動力響應隨距離的變化規(guī)律以正交試驗4為例，圖7為距線路中心線不同測點的垂向加速度的1/3倍頻程，圖8為Z振級離開振源不同距離的動力響應衰減曲線。(1)圖7表明頻域內(nèi)動力響應規(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以上頻段響應越顯著。隨著距離的增加，動力響應的幅值衰減，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反映了地表振動隨距離的衰減規(guī)律，地表振動在近振源處迅速衰減，超過一定距離后衰減趨于平緩，并出現(xiàn)起伏，存在振動第二峰的放大現(xiàn)象。這與實測結果[17-18]的規(guī)律一致，只是位置有所差別。
4結語
(1)在列車的地表振動影響中，垂向振動是主要響應，且存在動力響應的長周期含量，其傳播較遠，是低頻振動的主要貢獻，應引起充分重視。(2)通過4因素3水平的正交試驗得出，動力響應的影響因素中，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)列車運營時地表振動的衰減規(guī)律為:振動響應在隧道上方地表最強烈，峰值頻率集中在30～80Hz，隨著遠離隧道中心線逐漸衰減，其中30Hz以上頻率分量的振動衰減梯度較高，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，存在振動第二峰的放大現(xiàn)象。
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