地铁运行诱发高架桥及周边环境振动规律研究

李博言　李子昂　聂佳　白天琦

【摘    要】：针对地铁列车运行所诱发的高频次振动对高架桥及周边环境产生的影响，通过室内试验、现场监测和数值模拟获取地铁列车运行过程中的振动信息，构建不同结构形态的隧道模型，揭示地铁列车运行过程中振动波在高架桥及周边环境的传播规律。

【关键词】：地铁；振动；高架桥

Study on Vibration Change Law of Viaduct and Surrounding Environment

Induced by Subway Operation

LI Boyan1， LI Ziang1， NIE Jia2， BAI Tianqi 2

（1.Beijing Municipal Third Construction Engineering Co. Ltd.， Beijing 100062， China；

2.Beijing Construction Engineering Quality Third Test Institute Co. Ltd.， Bejing 100037， China）

【Abstract】：With the continuous expansion of urban subway network， the constant improvement of the speed of subway trains and people's requirements for living quality， the high-frequency vibration induced by the operation of subway trains has a certain impact on the viaduct and the surrounding environment of urban residents. Therefore， the study use different structural forms of tunnel models to reveal the propagation law of vibration waves in the viaduct and surrounding environment during the subway operation with the vibration information obtained by means of laboratory tests， on-site monitoring and numerical simulation.

【Key words】：subway； vibration； viaduct

随着城市规模扩大，流动人口增加，交通问题日益突出，城市轨道交通以速度快、运量大、运行可靠等特点成为解决城市地面交通拥堵问题的最有效手段[1～3]。超大、大型城市未来交通的发展必须依靠地铁[4]。振动是国际上公认的七大公害之一[5]，地铁列车运行所诱发的高频次振动不仅对隧道衬砌结构和围岩体造成损伤，而且对高架区间的稳定性和城市居民生活舒适性产生了一定的影响[6～8]。本文采用数值模拟方法获取地铁列车运行过程中的振动信息，揭示地铁列车运行过程中振动波在地面及高架桥内的传播规律，建立以振源距、振动强度为指标的振动预测模型，为地面和结构物的振动安全评估提供参考。

1 振动模拟结构参数

高架线区间地层土主要由杂填土、砂质粉土、细中砂和卵石构成。见表1。

2 模型建立

考虑空间效应，模型取长400 m，宽150 m，自地表50 m厚的土体作为计算范围。周围土体采用实体单元，不同的土层采用不同的材料本构，模型顶面设置为自由边界，其他临空面均采取法向约束。见图1。

模型边界条件：模型侧面和底面边界设置位移约束，地层边界设置为透射边界，其他临空面均设置为反射边界。

3 计算结果

3.1 振动波与监测方案

振动波振幅为0.01 m/s，振动时长π/10 s ，振动周期为π/300 s。振动波加载至桥面轨道相应位置。见图2。

3.2 计算结果分析

3.2.1 桥面质点振动速度

水平方向质点峰值振动速度随距离的增加呈近似线性函数形式降低，随振中距离逐渐加大质点水平方向峰值振速速度趋于0，振动波在高程相同的桥面上引发的振动只呈现出随距离增加的衰减效应。相比水平方向振动速度变化曲线，竖直振动速度随振源距增加不断衰减，但衰减幅度明显小于水平方向且当振源距超过50 m，竖直方向振动速度随距离的衰减幅度进一步减小。见表2和图3。

3.2.2 桥墩柱质点振动速度

水平方向质点峰值振动速度随距离的增加仍呈近似线性降低，但振动波在到达桥墩底部时振动速度衰减幅度明显增加，由于地表和桥墩结构对底部质点起到了夹制限制作用，振动速度急速降低；与桥墩内部相比，位于桥墩表面的QTM1#和QTM2#质点的水平方向振动速度明显增大，表面质点的结构制约作用降低。竖直方向质点峰值振动速度随距离的增加仍呈近似线性降低，振动波到达桥墩底部时，振动速度衰减幅度与水平方向相比明显减缓，地表和桥墩结构对底部质点竖直方向振动速度的夹制限制作用较小，结构夹制用于主要影响水平方向振动速度；桥墩表面质点竖直方向振动速度与内部质点没有明显差异。见表3和图4。

3.2.3 地面质点振动速度

水平方向峰值振动速度随距离的增加呈指数衰减，振源距越大振动速度衰减速率降低，振源遠区，低频振动波成为引起周围环境振动的主要来源。与水平方向质点振动速度相比，竖直方向峰值振动速度随距离的增加衰减速度较慢，相同振源距位置质点的竖直振动速度普遍大于水平方向。见表4和图5。

3.3 振动响应规律

3.3.1 桥面

质点振动速度衰减规律可以用指数函数进行描述。见图6。

3.3.2 桥墩柱

水平方向质点峰值振动速度随距离的增加呈近似线性降低；同时，竖直方向质点峰值振动速度随距离的增加也呈近似线性降低。见图7。

3.3.3 地面

高架桥附近地面质点水平方向和竖直方向峰值振动速度随距离的增加均呈比较明显的指数衰减形式。见图8。

4 结语

計算结果表明，高架桥附近的地面质点水平方向和竖直方向峰值振动速度随距离的增加均呈指数衰减，通过指数函数对数据进行拟合，拟合系数超过0.9，指数函数能够准确描述地铁周边地面质点振动速度的变化规律，可以为地铁周围地面和地表建筑物的振动安全评估提供参考，为提高地铁运营能力，实现以安全高效、和谐共赢为目标的绿色发展奠定基础。

参考文献：

[1]赵方鸽.地铁运行诱发振动的现场实测及建筑物数值模拟分析[D].广州：广东工业大学， 2014.

[2]崔高航，陶夏新，陈宪麦.城轨交通引起的环境振动问题综述研究[J].地震工程与工程振动，2008，（1）：38-43.

[3]郑金贤.城市轨道交通振动在土层中的传播规律的研究[D]. 北京：北京建筑大学，2017.

[4]李明明.地铁地下线及高架线的振动传播和长期沉降研究[D].合肥：安徽建筑大学，2017.

[5]夏禾，曹艳梅.轨道交通引起的环境振动问题[J].铁道科学与工程学报，2004，（1）：44-51.

[6]张丽媛.地铁8号线瀛海站高架桥地铁振动响应规律分析[J].黑龙江交通科技，2021，44（9）：178-179.

[7]冯立力，许永富，尹铁锋，等.宁波轨道交通高架线路现场振动测试与分析[J].都市快轨交通，2018，31（4）：92-97.

[8]宋波，张辉，呼延辰昭，等.基于调研与实测的高架地铁轨道的振动影响研究[J].机车电传动，2019，（4）：72-76+130.

收稿日期：2022-03-16

作者简介：李博言（1995 - ）， 男， 北京市人， 助理工程师， 从事基础设施建设工作。