1、地鐵振動(dòng)荷載作用下隧道周圍飽和軟黏土動(dòng)力響應(yīng)研究 以上海地鐵二號(hào)線靜安寺站- 江蘇路站區(qū)間隧道四周飽和軟黏土為討論對(duì)象, 通過(guò)對(duì)隧道四周不同位置、不同深度土體中預(yù)埋土壓力盒和孔壓計(jì), 進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè), 對(duì)地鐵振動(dòng)荷載作用下飽和軟黏土的響應(yīng)頻率、土體響應(yīng)應(yīng)力幅值隨距離地鐵隧道遠(yuǎn)近以及土體響應(yīng)應(yīng)力幅值隨深度的變化規(guī)律進(jìn)行討論, 并提出了土體動(dòng)力響應(yīng)衰減計(jì)算公式, 利用該式可以計(jì)算出地鐵列車經(jīng)過(guò)時(shí)的影響范圍及其動(dòng)力響應(yīng)值的大小, 可以猜測(cè)與估算地鐵列車振動(dòng)荷載對(duì)四周建筑物的影響狀況, 為地鐵設(shè)計(jì)、施工以及平安運(yùn)營(yíng)供應(yīng)有價(jià)值的節(jié)車廂有前后兩組車輪, 地鐵列車荷載通過(guò)輪軌- 管片系統(tǒng)將振動(dòng)荷載傳遞

2、到隧道管片外土層, 當(dāng)?shù)罔F接近和經(jīng)過(guò)測(cè)點(diǎn)時(shí), 產(chǎn)生振動(dòng)荷載并以波的形式傳播出去, 土體將對(duì)此作出響應(yīng)。圖 4 中,水平軸為時(shí)間軸, 豎直軸為應(yīng)力響應(yīng)值, 可以特別明顯的看到當(dāng)?shù)罔F列車經(jīng)過(guò)測(cè)點(diǎn)時(shí)的波形。由于每節(jié)車廂中的荷重不同 ( 乘客多少不同) , 不同荷重引起的土體響應(yīng)的幅度不同; 荷重的間距 ( 即輪組間距) 不同引起土體響應(yīng)的頻率不一樣, 因而從圖中可看到兩種頻率 ( 圖 4) , 稱為高頻 fh 和低頻 fl, 高頻的產(chǎn)生主要是由于前一節(jié)車廂的后輪和后一節(jié)車廂的前輪經(jīng)過(guò)測(cè)點(diǎn)時(shí), 由于間距較短, 土體響應(yīng)時(shí)間較短引起的。低頻的產(chǎn)生主要是由于每節(jié)車廂的前后輪經(jīng)過(guò)測(cè)點(diǎn)時(shí)引起的, 由于間距相對(duì)

3、較大, 所以頻率較低。在響應(yīng)波形圖中, 可以很清晰的找出每組車輪經(jīng)過(guò)測(cè)點(diǎn)時(shí),引起的土體振動(dòng)響應(yīng)。 <CENTER</CENTER通過(guò)連續(xù)的現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè), 采集到了大量的數(shù)據(jù)。對(duì)全部波形曲線進(jìn)行分析對(duì)比之后, 找出典型的地鐵列車經(jīng)過(guò)時(shí)飽和軟黏土的響應(yīng)波形。通過(guò)對(duì)鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、分析、整理, 得出每個(gè)鉆孔位置處土體 ( 第層淤泥質(zhì)黏土) 響應(yīng)頻率, 其整理結(jié)果如圖5 所示。從圖中可以看出地鐵列車經(jīng)過(guò)鉆孔位置處所引起的頻率, 高頻 fh 統(tǒng)計(jì)值為 2.52.8 Hz, 低頻 fl 統(tǒng)計(jì)值為 0.40.6 Hz。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的地鐵列車經(jīng)過(guò)時(shí)隧道四周土體的兩種響應(yīng)頻率, 協(xié)作上海地區(qū)軟黏土

4、的自身固有頻率, 在地鐵隧道設(shè)計(jì)中采納相應(yīng)措施, 避開(kāi)兩者相近或相同而產(chǎn)生共振, 造成地鐵隧道失穩(wěn)、管片開(kāi)裂等各種工程性災(zāi)難。3 土體動(dòng)力響應(yīng)變化規(guī)律3.1 垂直地鐵隧道軸線的水平向土體動(dòng)力響應(yīng)衰減規(guī)律地面列車振動(dòng)隨振源距離的增加而衰減的試驗(yàn)和討論主要集中在橫向上。陳實(shí)等的試驗(yàn)表明, 在距鐵路鋼軌 25 m 處, 振動(dòng)幾乎衰減到零, 在此距離之外, 振動(dòng)就幾乎沒(méi)有影響。其他的試驗(yàn)和討論也證明此觀點(diǎn), 只是不同的環(huán)境和不同的振動(dòng)作用下, 衰減距離的數(shù)值不同而已。但對(duì)于地鐵隧道而言, 深埋于半無(wú)限土體中, 其衰減要大于地表。本次試驗(yàn)在垂直隧道的水平方向隨距離遠(yuǎn)近不同設(shè)有 1 號(hào)、2 號(hào)、3號(hào)孔,

5、其距離地鐵隧道邊緣分別為 6.8 m、3.8 m、1.8 m。為了找出比較明顯的衰減規(guī)律并且盡量避開(kāi)其他因素的干擾, 在作討論分析時(shí), 取 13.5 m 深度作為討論對(duì)象。將多次地鐵列車經(jīng)過(guò)時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行均化處理, 整理結(jié)果如圖 6 所示。 <CENTER</CENTER <CENTER</CENTER依據(jù)大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果, 可以得出垂直地鐵隧道軸線土體響應(yīng)隨距離衰減關(guān)系, 見(jiàn)式 ( 1) :p=K0- K1x- K2x2 (1)式中: p 為 地 鐵 列 車 經(jīng) 過(guò) 時(shí) , 土 體 動(dòng) 力 響 應(yīng) 值( kPa) ; K0 為隧道邊緣土體動(dòng)力響應(yīng)值 (kPa);

6、K1 為土體動(dòng)力響應(yīng)隨距離衰減一次項(xiàng)系數(shù) (kPa/m); K2 為土體動(dòng)力響應(yīng)隨距離衰減二次項(xiàng)系數(shù) (kPa/m2); x 為距隧道邊緣距離 (m);由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)式 ( 1) 進(jìn)行擬合, 可得到各參數(shù)值: K0=1.3526; K1=0.0321; K2=0.0077。將各參數(shù)代入式 ( 1) 中, 即可得到:p=1.3526- 0.0321x- 0.0077x2 (2)式 ( 2) 為本次實(shí)測(cè)垂直地鐵隧道軸線的水平向土體響應(yīng)隨距離衰減關(guān)系式, 其中 x 取值范圍為 011.33 m。利用該式可以計(jì)算出地鐵列車經(jīng)過(guò)時(shí)的影響范圍及其動(dòng)力響應(yīng)值的大小, 并可以猜測(cè)與估算地鐵列車振動(dòng)荷載對(duì)四周 建

7、筑物的影響狀況, 還可以為地鐵隧道四周建筑物設(shè)計(jì)、施工供應(yīng)理論依據(jù)。從圖 6 中可以看出, 隨著距離的增加, 地鐵振動(dòng)荷載衰減呈現(xiàn)肯定的規(guī)律性。由式 ( 2) 得出其影響范圍為 11.33 m。這個(gè)結(jié)果和地面上鐵路鋼軌動(dòng)荷載的影響范圍相比, 相差較大, 除了土質(zhì)方面的因素外, 主要緣由還是隨著深度的增大, 土的剪切模量和阻尼增大, 使得動(dòng)荷載在傳播過(guò)程中快速衰減, 直至消逝。在沿地鐵軌道方向上由于有鋼軌、整體道床和隧道管片的連接, 剛度比垂直地鐵隧道方向上要大許多, 則振動(dòng)衰減的距離相應(yīng)地要比垂直地鐵方向上大, 但在此方向的討論對(duì)本次試驗(yàn)沒(méi)有太大意義, 因此不作深究。3.2 不同深度的土體動(dòng)力

8、響應(yīng)規(guī)律在隧道頂端、中軸線方向、以及隧道底部都埋設(shè)有傳感器。早期的靜態(tài)測(cè)試結(jié)果表明, 隨著深度的增加, 越靠近隧道底部的震源, 土壓力大致呈線性增長(zhǎng)。在地鐵振動(dòng)荷載條件下, 為了更清晰的找出應(yīng)力幅值與深度之間的關(guān)系, 選取人流高峰時(shí)期作數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì), 其統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖 7 所示。從圖 7 中可以看出, 在地鐵振動(dòng)荷載作用下,8.5 m 深處土體響應(yīng)應(yīng)力幅值最大變化為 0.23 kPa; 11.5 m 深處土體響應(yīng)應(yīng)力幅值最大變化為 0.70 kPa;13.5 m 深處土體響應(yīng)應(yīng)力幅值最大變化為 1.15 kPa,土體響應(yīng)應(yīng)力幅值的變化與深度大致呈線性關(guān)系。而且, 還可以發(fā)覺(jué): 早高峰時(shí)的應(yīng)力幅值晚高

9、峰時(shí)的應(yīng)力幅值中午時(shí)的應(yīng)力幅值。說(shuō)明早高峰時(shí)期的客流量最大, 設(shè)計(jì)與施工中計(jì)算最不利的工況時(shí), 應(yīng)當(dāng)采納這一數(shù)據(jù)作為load on a railway track .Journal of Sound and Vibration, 2000, 231 (3): 739- 751 潘昌實(shí), 李德武, 謝正光. 北京地鐵列車振動(dòng)對(duì)環(huán)境影響的探討 . 振動(dòng)與沖擊, 1995, 14 (4): 29- 34 (PanChangshi, Li Dewu, Xie Zhengguang. Vibration effects ofBeijing subway traffic on the environmen

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