地鐵浮量板軌道環(huán)境振動(dòng)測(cè)試與評(píng)估郭亞娟;程慧林【摘要】以北京地鐵7號(hào)線某曲線段為依托，研究了兩種環(huán)評(píng)振動(dòng)預(yù)測(cè)模型在振動(dòng)評(píng)估中的預(yù)測(cè)差異,提出當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)過(guò)渡階段對(duì)兩種振動(dòng)預(yù)測(cè)模型的處理建議.提出建立地鐵列車-鋼軌-扣件-浮置板軌道模型，來(lái)計(jì)算浮置板軌道的輪軌力，進(jìn)而，將輪軌力作為夕卜激勵(lì)施加到鋼軌-扣件-浮置板軌道-隧道-地層模型中研究振動(dòng)在地層中的傳播與衰減，該方法簡(jiǎn)單有效，避免了耦合振動(dòng)計(jì)算耗時(shí)，硬件要求高的問(wèn)題.通過(guò)對(duì)環(huán)評(píng)振動(dòng)評(píng)估、仿真分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的比較，分析了環(huán)評(píng)振動(dòng)評(píng)估、仿真分析的預(yù)測(cè)精度，同時(shí)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案中浮置板軌道在該地段的有效性.研究成果為類似地鐵振動(dòng)評(píng)估提供參考.【期刊名稱】《鐵道建筑技術(shù)》【年(卷)，期】2016(000)001【總頁(yè)數(shù)】4頁(yè)(P104-107)【關(guān)鍵詞】浮置板軌道;振動(dòng)評(píng)估;輪軌力;預(yù)測(cè)精度【作者】郭亞娟;程慧林【作者單位】中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司北京102600;中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司北京102600【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】U213.2AbstractBasedonthedesignandtestofthecurvetunnelinBeijingMetroLine7,thedifferencesoftwokindsofvibrationpredictionmodelswerestudiedinevaluationofvibration,andsomesuggestionswerepresentedduringthestandardtransitionperiod.Themodelofmetro-rail-fastenerfloatingslabtrackwasestablishedtocalculatethewheel-railforceoffloatingslabtrack.Then,thespreadandattenuationofvibrationinthestrataofapplyingthewheel-railforceasanexternalforceintherailfastener-floatingslabtrack-tunnel-groundmodelwereresearched.Themethodwassimpleandeffective,whichcouldavoidtheproblemsoftimeconsumingofcalculatingcouplingvibrationandhighrequirementsinhardware.Throughthecomparisonofenvironmentalimpactvibrationassessment,simulationanalysisandfieldtest,thepredictionaccuraciesofenvironmentalimpactvibrationassessmentandsimulationanalysiswereanalyzed.Meanwhile,theeffectivenessofthefloatingslabtrackindesignwasvalidated.Theresearchresultscouldprovideareferenceforsimilarsubwayvibrationevaluation.Keywordsfloatingslabtrack;vibrationassessment;wheel-railforce;predictionaccuracy隨著交通設(shè)施建設(shè)需求的增加和地下空間綜合開發(fā)利用，城市軌道交通中不可避免地出現(xiàn)近距離交疊隧道、隧道旁穿橋梁樁基、建筑物等情況。地鐵振動(dòng)對(duì)附近的居民、古建筑、實(shí)驗(yàn)室精密儀器等的影響受到特別關(guān)注。減振措施處理不好，軌道交通引起的振動(dòng)就會(huì)影響附近居民的日常生活和工作，也對(duì)臨近建筑物的結(jié)構(gòu)安全和精密儀器的正常使用有著不可忽視的影響［1-6］。如：2010年底北京地鐵大興線對(duì)青島嘉園居民區(qū)的振動(dòng)影響問(wèn)題就受到了國(guó)內(nèi)多家主要媒體的報(bào)道；在臺(tái)灣，高速鐵路穿越臺(tái)南工業(yè)科學(xué)園區(qū)，振動(dòng)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的影響受到了廣泛關(guān)注；在國(guó)外，軌道交通規(guī)劃穿越華盛頓大學(xué)，亞特蘭大地鐵線路上方規(guī)劃修建醫(yī)學(xué)大樓，都柏林地鐵北線規(guī)劃穿越若干帶有精密儀器的醫(yī)院［7-8］。北京地鐵7號(hào)線某曲線段下穿某新建小區(qū)，且埋深較淺，環(huán)評(píng)報(bào)告表明該地段室內(nèi)振動(dòng)預(yù)測(cè)最大值為80.1dB，晝間最大超標(biāo)量為10.1dB，夜間最大超標(biāo)量為13.1dB，振動(dòng)超標(biāo)量較大，因此該地段設(shè)計(jì)采用了減振效果較好的浮置板軌道結(jié)構(gòu)，試運(yùn)營(yíng)階段，對(duì)該曲線段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。斷面布置及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試如圖1所示。選取曲線段中心位置附近兩個(gè)斷面進(jìn)行測(cè)試，隧道內(nèi)部選取鋼軌、道床、邊墻位置布置測(cè)點(diǎn)，隧道內(nèi)共設(shè)置12個(gè)測(cè)點(diǎn)；相應(yīng)的地面測(cè)點(diǎn)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)建筑情況設(shè)置左右洞軌道中心線、上下行中心線以及距離上行隧洞25m,35m。圖2為浮置板道床垂向、橫向振動(dòng)頻譜圖，軌道板以豎向振動(dòng)為主，橫向振動(dòng)幅值遠(yuǎn)小于豎向振動(dòng)幅值。圖3為鋼軌、道床、墻壁1/3倍頻程譜曲線，可以看出振動(dòng)能量隨鋼軌、道床、邊墻依次衰減，邊墻的振動(dòng)大大衰減，浮置板軌道的隔振效果明顯。圖4為地面測(cè)試頻譜曲線。從圖中可以看出，當(dāng)下行車輛通過(guò)時(shí)，列車運(yùn)行的軌道中心及兩隧道中心位置處的振動(dòng)幅值基本相當(dāng)，而另一軌道中心處的地面振動(dòng)較小。環(huán)評(píng)中的振動(dòng)預(yù)測(cè)公式簡(jiǎn)單快捷，普適性強(qiáng)，但計(jì)算精度欠佳，對(duì)于復(fù)雜地段和較敏感減振，往往需要輔以仿真分析驗(yàn)證減隔振設(shè)計(jì)的有效性，因此高效、快速、精準(zhǔn)的仿真預(yù)測(cè)成為目前研究的熱點(diǎn)［9］。本文提出建立地鐵列車-鋼軌-扣件-浮置板軌道模型，來(lái)計(jì)算輪軌力，保證了輪軌力的計(jì)算精度，進(jìn)而，將輪軌力作為外激勵(lì)施加到鋼軌-扣件-浮置板軌道-隧道-地層模型中研究振動(dòng)在地層中的傳播與衰減。該措施可大大提高計(jì)算效率，適應(yīng)線路中多點(diǎn)分析的要求。同時(shí)詳細(xì)的計(jì)算模型，可以確保輪軌力的計(jì)算精度，和地層振動(dòng)傳播的準(zhǔn)確性。3.1地鐵列車-軌道耦合動(dòng)力模型采用UM軟件建立列車-鋼軌-扣件-浮置板軌道耦合有限元精細(xì)模型，如圖5所示。列車包括地鐵A、B型車，鋼軌、扣件、浮置板軌道模型采用有限元模型，考慮曲線軌道，坡度等參數(shù)，計(jì)算出精確的豎向、橫向輪軌力，為振動(dòng)傳播的研究提供激勵(lì)源?？筛鶕?jù)不同地段調(diào)整浮置板軌道及扣件參數(shù)，實(shí)現(xiàn)快速計(jì)算不同速度下的輪軌力。輪軌法向接觸力采用Herz非線性接觸理論進(jìn)行計(jì)算，如公式（1）所示。蠕滑力采用修正的Fastsim輪軌接觸程序。圖6為輪軌力的傳遞模型，傳遞到梁上的力可表示為公式（2）。將作用力P按照距離比例關(guān)系分成P1和P2，進(jìn)而分配到相鄰的4個(gè)節(jié)點(diǎn)上。其中，G為輪軌接觸常數(shù)（m/N3/2），與車輪踏面外形相關(guān)。傳遞到軌道板K點(diǎn)的力P可以如下表示：提取輪軌力施加到隧道模型的鋼軌上，圖7為第一輪對(duì)左輪豎向力時(shí)程曲線。3.2軌道-隧道-地層模型采用Ansys有限元軟件進(jìn)行建模分析，圍巖、盾構(gòu)管片采用實(shí)體單元solid45模擬，模型沿隧道方向取100m，沿?cái)嗝娣较蛉?0m;高度方向，隧道拱底下方取30m，由于隧道埋深較淺，拱頂上方根據(jù)實(shí)際埋深確定，四周及底部采用法向約束，底部切向采用Combin14模擬周圍底層的粘彈性阻尼邊界，頂面為自由表面。隧道襯砌單元長(zhǎng)度0.5m左右，外卜部單元1m左右。共劃分單元76032個(gè)，節(jié)點(diǎn)65863個(gè)。圖8為軌道-隧道-地層模型的有限元模型。圖9、10為浮置板道床、隧道壁加速度的1/3倍頻程曲線的仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比，從圖中可以看出，1/3倍頻程的頻譜曲線基本一致，尤其是低頻段，兩者相差較小，倍頻程最大偏差為5.2%。由此可以得出，計(jì)算模型的邊界條件及計(jì)算方法滿足計(jì)算要求。圖11為地面測(cè)試點(diǎn)仿真計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果比較，兩者吻合較好，最大相對(duì)誤差為3.27%。由于目前的環(huán)境振動(dòng)預(yù)測(cè)采用了新舊兩種不同國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的加權(quán)因子進(jìn)行計(jì)算，而振動(dòng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)則依舊沿用舊的加權(quán)因子，對(duì)減隔振設(shè)計(jì)產(chǎn)生了一定的影響［10-12］。環(huán)境振動(dòng)預(yù)測(cè)結(jié)果分別采用《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則一城市軌道交通》(HJ453-2008)(簡(jiǎn)稱〃導(dǎo)則”)，北京市《地鐵噪聲與振動(dòng)控制規(guī)范》(DB11/T838-2011)(簡(jiǎn)稱〃地標(biāo)”)進(jìn)行評(píng)估，兩種標(biāo)準(zhǔn)不僅在修正項(xiàng)上存在差異，且VLZmax所采取的頻率計(jì)權(quán)因子亦不相同。因此，在處理測(cè)試數(shù)據(jù)和計(jì)算數(shù)據(jù)時(shí)，也需要采用兩種頻率計(jì)權(quán)因子分別計(jì)算。表1為地表振動(dòng)環(huán)評(píng)公式預(yù)測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試及仿真結(jié)果比較。將實(shí)測(cè)、仿真的加速度時(shí)程曲線基于兩種標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行Z振級(jí)計(jì)算。從表1中可以看出：導(dǎo)則預(yù)測(cè)值與地標(biāo)預(yù)測(cè)值有一定的差異。本例中，兩者最大差值為3.8dB,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)采用兩種加權(quán)因子的計(jì)算結(jié)果偏差2.16-3.46dB。因此，實(shí)際設(shè)計(jì)中，當(dāng)采用地標(biāo)進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，需要對(duì)結(jié)果進(jìn)行修正，以適應(yīng)現(xiàn)有規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)限值，同時(shí)建議根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件綜合考慮減隔振措施的選取。從預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果圖中可以看出，軌道中心線正上方預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)最大值相當(dāng)，相對(duì)誤差為1.7%,中心線外側(cè)10m處的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相差較大，相對(duì)誤差為20%。主要原因是，振動(dòng)衰減規(guī)律受地質(zhì)條件影響較大，該項(xiàng)預(yù)測(cè)采用了類比成果，地層的阻尼因子取值不易確定。有限元模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)平均值相當(dāng)，且隨著振動(dòng)在土層中的傳播，誤差增長(zhǎng)不大，兩者最大誤差為3.27%,位于中心線外側(cè)10m處。計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果對(duì)比表明：采用列車-軌道模型精確計(jì)算輪軌力，進(jìn)而作為外激勵(lì)施加在軌道-隧道-地層模型中的做法保證了計(jì)算精度，計(jì)算速度大大提高，避免了耦合計(jì)算模型過(guò)大，計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的狀況。兩種不同預(yù)測(cè)模式的預(yù)測(cè)結(jié)果差別在2-6dB，當(dāng)超標(biāo)量在減振等級(jí)附近時(shí)，會(huì)影響減隔振措施的選取，因此實(shí)際工程中要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件綜合考慮。環(huán)評(píng)預(yù)測(cè)值在軌道中心正上方與實(shí)測(cè)最大值相當(dāng)，相對(duì)誤差為1.7%,中心線外側(cè)10m處的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相差較大，相對(duì)誤差達(dá)到20%。主要是由于振動(dòng)衰減規(guī)律受地質(zhì)條件影響較大，因此對(duì)于軌道附近的敏感建筑，宜采用仿真分析預(yù)測(cè)，有條件地區(qū)可以進(jìn)行傳遞函數(shù)預(yù)測(cè)?！鞠嚓P(guān)文獻(xiàn)】［1］賈穎絢.基于解析的車軌耦合模型及地鐵對(duì)環(huán)境的振動(dòng)影響研究［D］.北京：北京交通大學(xué)，2009:25.［2］盛濤，張善莉，單伽鉦，等.地鐵誘發(fā)的環(huán)境振動(dòng)及振源減振效應(yīng)的實(shí)測(cè)與分析［J］振動(dòng)測(cè)試與診斷，2015(2):352.［3］張斌，俞泉瑜，戶文成.地鐵減振措施過(guò)渡段減振性能的測(cè)試與分析［J］.振動(dòng)測(cè)試與診斷，2013(1):138.［4］劉蘭利.北京地鐵7號(hào)線廣安門內(nèi)站道路沉降規(guī)律分析［J］鐵道建筑技術(shù)，2014(6):39.［5］吳宗臻，劉維寧，馬龍祥，等.地鐵浮置式軌道引起地表振動(dòng)響應(yīng)解析預(yù)測(cè)模型研究［J］.振動(dòng)與沖擊，2014,33(17):132.［6］李克飛，韓志偉，劉維寧.基于現(xiàn)場(chǎng)錘擊試驗(yàn)的地鐵軌道振動(dòng)特性分析及參數(shù)研究［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2014,58(2):12.［7］夏禾.交通環(huán)境振動(dòng)工程［M］.北京：科學(xué)出版社，2010:40-45.［8］劉維寧，馬蒙?地鐵列車振動(dòng)環(huán)境影響的預(yù)測(cè)、評(píng)估與控制［M］.