城际铁路地下段振动对古建筑的影响分析

摘 要：【目的】分析预测运营期城际铁路地下段振动对古建筑结构性能的影响，提出相应减振措施，为古建筑的长期保护提供参考。【方法】以拟建深惠城际铁路为工程背景，参照现行国家标准的规定确定古建筑（念妇贤医院）振动限值，根据《古建筑防工业振动技术规范》（GB/T 50452—2008）中推荐模型进行数值模拟分析。【结果】结果显示，线路运营期的振动对该古建筑的影响远低于限值要求。【结论】在采取一系列减振措施后，可较大程度上减轻运营期城际铁路振动对古建筑的不利影响。

关键词：城际铁路；振动影响；古建筑；减振措施

中图分类号：TU-87；U211.3 " 文献标志码：A " "文章编号：1003-5168（2024）12-0066-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.12.013

Analysis of the Influence of Vibration in the Underground Section of

Intercity Railway on Ancient Buildings

HAO Jingwen " YANG "Zhenhui

（ Henan Provincial Communications Planning amp; Design Institute Co.， Ltd.， Zhengzhou 450000， China）

Abstract： [Purposes] By analyzing and predicting the influence of vibration of underground section of intercity railway on the structural performance of "historic buildings during operation period， the corresponding vibration reduction measures are proposed to provide reference for the long-term protection of "historic buildings. [Methods] Taking the proposed Shenzhen-Huizhou Intercity Railway as the engineering background， the vibration limits of "historic buildings （Nianfuxian Hospital） were determined according to the current national standards， and the numerical simulation analysis was carried out according to the recommended model in the \"Technical Specification for protection of historic buildings against man-made vibration\" （GB/T 50452—2008）. [Findings] The results show that the vibration influence on the ancient building during the line operation period is much lower than the limit requirement. [Conclusions] After taking a series of vibration mitigation measures， the adverse effects of intercity railway vibration on "historic buildings can be mitigated to a large extent.

Keywords： intercity railway; vibration effects; ancient architecture; vibration reduction measures

0 引言

城际铁路对都市圈经济社会发展的推动作用日益凸显。然而，由其引发的振动污染问题也日益严重。在城市中，一些线路开始穿越或邻近具有历史意义的古建筑群。这些古建筑不仅代表着各个历史时期的文化传统，也是研究我国历史、文化、艺术和社会发展的重要宝贵资料。因此铁路的振动可能会对其造成严重的危害，对古建筑的保存和保护带来极大的威胁。因此，在铁路规划或建设过程中，必须采取有效的措施来保护古建筑，以避免对其造成不可逆转的损害［1］。

1 振动产生机理及影响因素

在动车组列车运行时，车轮与钢轨之间由于摩擦和撞击产生振动，经过介质传递，导致周围建筑物振动。在城际铁路运行过程中，振动的产生主要受到以下几方面因素的影响［2］。

1.1 轨道结构

轨道结构在轨道交通系统中起着至关重要的作用。轨道的结构类型、材料组成及相应的动力特性，都会影响产生振动的特性。

1.2 车辆结构

车辆的结构，如车辆的类型、轴重、轴距、悬挂特性等，都与振动的产生和传播密切相关。其中，轴重的大小直接影响振动准静态低频分量的能量集度，而轴距则会影响振源的频率特性。如图1所示，除扣件间距外，其他特征间距构成了不同行车速度下产生的四种通过频率。

1.3 行车速度

列车以恒定速度行驶时，其行车速度与特征距离及特征频率之间存在以下关系，见式（1）。

f =V/L （1）

通常情况下，轨道交通的频率为低频。在列车进出站时经常需要加减速，此时加速度较大。研究发现，速度相同时，变速移动荷载产生的轨道结构动力响应大于匀速荷载。

1.4 建筑结构

建筑物周边地表环境振动场的改变与建筑物整体重量、高度、建筑平面布局、地基形式和建材种类等因素密切相关。

随着轨道交通网的不断发展，区域环境振动问题日益凸显且受到众多因素的影响。除上述因素外，还与列车运行密度和运量、隧道结构类型、车辆与轨道之间的相互作用、轨道和车辆的养护水平、线路条件、敏感点与线路的距离、地质条件、受振动体对交通振动的承受限值和范围及运行环境等因素密切相关。

2 减振措施

城际铁路运营产生的振动可能会对古建筑的结构产生不利影响，造成古建筑内部的木结构、梁柱等部件出现裂缝，甚至断裂。尤其是对那些采用脆性材料或者砌体结构的古建筑，振动的影响更为严重。振动会影响灰缝的黏结强度，导致石材间的灰泥开裂，进而导致石材脱落［3］。因此，在城际铁路建设时，必须充分考虑其对周边古建筑的影响，采取必要的减振措施以降低不利影响。为了减少振动的不利影响，可以从传播源、传播途径和受影响的建筑等三方面进行研究。

2.1 传播源

一般情况下传播源有以下几种。①重型钢轨。重型钢轨具有更好的抗弯性能，在同等条件下，可以承受更大的荷载，从而降低轨道变形；另外，重型钢轨的耐磨性能也有助于减少动力不平顺现象。②无缝线路。无缝线路的铺设，可以减少钢轨接头的数量，保证轨道的连续和顺滑，从而降低振动和噪声强度。③保持轨顶平顺光滑。钢轨顶面的平顺光滑不仅有助于降低轮轨间的动力作用，还可以减小列车运行时的噪声和振动。④钢弹簧浮置板。这是一种先进的轨道减振技术，其原理是通过将混凝土道床板以一定的质量和刚度浮置于钢弹簧隔振器上方，形成一个质量-弹簧-隔振系统。⑤橡胶浮置板。橡胶浮置板的工作原理与钢弹簧浮置板大致相同。然而，橡胶浮置板由于存在易老化、横向刚度低、软土地基和低频振源地段减振效果差等缺点，影响了其进一步推广。⑥隔离式减振垫。隔离式减振垫作为一种新型的轨道减振产品，其原理是采用圆锥截顶结构的橡胶组合，使得隔离式减振垫在承受力矩时，能够有效地将力分散到各个方向，从而大大降低噪声和振动。⑦其他减振措施有梯形轨枕、弹性短轨枕、减振扣件等。

2.2 传播途径

传播途径减振措施的实现方式是在大地中设置一种隔振屏障，以阻挡列车在轨道上运行时所引起的振动波传播。当振动波遇到隔振屏障时，会受到屏障的阻隔，无法直接传播过去，一部分被反射回来，并在屏障两端和底部发生波的绕射。这些反射和绕射过程会使得振动波的能量在一定程度上被分散和削弱，从而降低振动波在大地中的传播效果。根据隔振屏障的不同形式，可以将屏障分为连续屏障和非连续屏障［4］。另外，阻波块也是一种有效的隔振屏障，其能够有效地吸收和散射振动波的能量，从而进一步降低振动波的传播效果［5］。

2.3 受影响的建筑

针对古建筑的防护措施，可以从以下几方面进行：一是在工程选线选址阶段，应尽量远离敏感建筑，并确保与古建筑保持一定的距离；二是在古建筑结构安全风险评估方面，需要根据评估结果采取必要的修缮措施，以避免该损伤进一步发展而导致文物受损到不可修复的情况的发生。根据古建筑的结构形式，在铁路建设过程中应进行相应的结构加固支护，并开展振动监测。针对古建筑的保护，应明确各方责任和义务，加大对文物保护单位的监管力度，确保古建筑得到有效的保护和管理。

3 项目背景

3.1 深惠城际铁路概况

深圳至惠州城际铁路，简称“深惠城际”，是我国广东省南部一条重要的城际铁路线路。深惠城际前海保税区至坪地段正线长约58 km，建设前保、怡海、平湖等11座车站，其中拟建平湖站，将发展为集国家铁路、城际铁路、城市轨道、常规配套交通于一体的综合交通枢纽。深惠城际铁路为新建城际铁路，开行城际动车组列车，8辆编组；设计速度为160 km/h；正线数目为双线；采用电力牵引。

3.2 古建筑念妇贤医院概况

念妇贤医院位于广东省深圳市龙岗区，占地面积194 m2，为三间一进两层的建筑。建筑面宽17.35 m，最大进深11.2 m。大门门额镶匾“念妇贤医院”和“乐善好施”两块。墙体用三合土夯筑而成，硬山顶。念妇贤医院为深圳市龙岗区第一批区级重点文物保护单位。

3.3 深惠城际与念妇贤医院位置关系

深惠城际建设工程未侵入念妇贤医院文物本体及保护范围。线路在DYK36+420～DYK36+470段以隧道形式穿越念妇贤医院旧址区级文物保护单位建设控制地带，长度约50 m；拟建平湖站工程主体结构侵入建设控制地带面积（工程与建控重叠区）约295 m2，保护区范围内无地面工程，文物本体距离隧道最近点在文物建筑的西北角，距隧道中心线43.40 m，距隧道壁外侧39 m，建设工程与文物位置关系示意如图2所示。

4 铁路运营对文物本体的影响分析

4.1 振动控制标准

国内铁路建设工程对古建筑的振动控制，一般参照《古建筑防工业振动技术规范》（GB/T 50452—2008）执行［6］。该规范规定了各类古建筑结构的容许振动标准值（振动速度值），详见表1、表2。

依据《古建筑防工业振动技术规范》，工业振源引起不同距离的地面振动速度，可根据振源类型和场地土类别进行选用、演算。念妇贤医院墙体采用三合土夯筑，屋顶木结构采用梁板式，以三合土夯筑墙体为承重骨架。经现场检测，夯土墙的波速值为1 500 m/s；木结构构件波速平均值为5 100 m/s。参照砖结构选用规范中砖砌体（Vplt;1 600 m/s）；市县级文物保护单位，墙体容许振动速度安全限值为0.45 mm/s；参照木结构选用规范中顺木纹（4 600 m/s lt;Vplt;5 600 m/s），市县级文物保护单位容许振动速度安全限值为0.29～0.35 mm/s。按照插值法计算，则屋面木结构容许振动速度安全限值为0.32 mm/s。

4.2 振动影响分析

根据公式（2），进行振动预测计算。在此，主要关注距离振源中心r处地面的水平向振动速度。

[Vr=V0r0r1-ξ01-r0rexp-α0f0r-r0] （2）

式中：Vr为距振源中心r处地面振动速度，mm/s；V0为r0处地面振动速度，mm/s；r0为振源半径，m；ξ0为几何衰减系数，本工程所处区域取值0.8；α0为土的能量吸收系数，s/m，本次取1.15×10-4；f0为地面振动频率，Hz。

列车运行速度与其造成的地面振动速度之间的关系计算方法见式（3）。

[v1v2=V1V20.4] " " " " "（3）

式中：V为列车运行速度，本次预测按140 km/h考虑。ʋ为列车运行造成的地面振动速度。

参考同类工程环境振动速度实测值，计算得到本工程振动预测值，具体见表3。

4.3 振动监测与控制措施

按照《古建筑防工业振动技术规范》（GB/T 50452—2008）中推荐的模型进行数值模拟分析得出，振动速度为0.101 mm/s，即在线路运营期的振动对该建筑（区级文物保护单位—念妇贤医院）的影响，远低于限值要求。基于古建筑损坏不可逆性及历史文化的特殊性，为进一步加强对古建筑的保护，在该线路区段及两侧一定范围内设置减振型无砟轨道-隔离式减振垫浮置板轨道。为保障该建筑的安全性，宜在施工结束后线路运营1年内进行持续监测。

由于平湖枢纽站位于文物保护单位北侧，邻近文物建筑一侧为列车由西向东减速进入车站停靠段。列车进入文物振动影响范围区间时速度需由原160 km/h降至0 km/h进站停靠。限速可较大程度减轻对文物建筑的振动影响。

5 结论与建议

城际铁路车辆目前一般采用CRH6 型动车组列车，相较于普通客车，动车组属于结构优良、振动值低的环保型车辆，从根源上减轻了振动影响。重型钢轨及无缝线路的铺设及弹性扣件、柔性砂浆等有效减振措施的应用，使得城际铁路本身具有一定的减振效果。

我国城际铁路运营仍处于初级阶段、起步阶段，对于运营时期的振动源强缺乏足够的测试研究数据。减振型无砟轨道（橡胶隔振垫）在铁路上尚未取得上道许可，且暂无在铁路上大规模应用的先例，在实际实施过程中，存在安装手续无法办理的问题。建议以后对已运营的城际铁路产生的振动影响及减振措施进行系统研究，并根据研究成果调整相应减振措施。

参考文献：

［1］毛顺茂，熊超华，雷晓燕.地铁运营对古建筑物振动响应影响分析［J］.城市轨道交通研究，2016（10）：13-17.

［2］轨道科技网.轨道交通环境振动的主要影响因素［EB/OL］.（2021-12-09）［2023-11-08］.http：//www.rail-stdaily.com/newsinfo/2211694.html.

［3］陈建琪，孙勇，王晖，等.城市轨道交通环境振动影响研究综述［J］.世界科技研究与发展.2018，40（3）：270-280.

［4］WOODS R D.Screening of surface waves in soils［J］.Am Soc Civil Engr J Soil Mech， 1968：407-435.

［5］赵悦，肖新标，关庆华，等.铁路及城市轨道交通减振措施研究综述［J］.声学与振动，2013（1）：20-31.

［6］中华人民共和国住房和城乡建设部.古建筑防工业振动技术规范：GB/T 50452—2008［S］.北京：中国标准出版社，2008.