不同地质条件对地铁运营诱发的地表振动衰减特性的影响规律

不同地质条件对地铁运营诱发的地表振动衰减特性的影响规律

赵连平邓鉴敏

赵连平1（山西工程职业技术学院太原030009）邓鉴敏2(广州市泰基工程技术有限公司广州510640)

摘要:地铁运行引发环境振动对人类生活和工作环境的影响已经引起了越来越广泛的关注，而且在国际上已把其列为七大环境公害之一。本文采用ADINA有限元软件主要分析了不同地质条件对地铁运营诱发的地表振动衰减特性的影响规律。

关键词：地铁；振动；响应

Abstract:Theimpactofvibrationinducedbythesubwayonhuman’slifeandworkingenvironmenthasreceivedwidelyandwidelyattention,andithasbeenregardedasoneofthesevenenvironmentalsocialeffectsinternationally.A2-DnumericalmodelisbuiltwithADINAinthispapertoanalyzetheregulationsofvibrationattenuationbyasubwayindifferentfoundationsoil’sdampingratios.

Keywords:metro;vibration;response

地铁运行引发环境振动对人类生活和工作环境的影响已经引起了越来越广泛的关注，而且在国际上已把其列为七大环境公害之一。因此有必要研究地铁运营对环境的影响。

1列车运行时荷载的选取

根据参考文献[1]研究结果，本文采用以下公式作为列车运行时的荷载，

其中取单边静轮重kN，簧下质量取为kg，kN，r/s，kN，r/s，kN，r/s，并且考虑到现行地铁运营情况取km/h。

2ADINA计算模型

本文所用的有限元模型在沿轨道垂直方向上取158m，深度方向上取50m。隧道结构为圆形。网格的划分见模型图1所示，隧道详图见图2所示。

图2.有限元模型（全部）图3.局部有限元模型

3不同地质条件对地表振动衰减特性的影响

本文主要分析不同地质情况对振动传播的影响。而其对于传播的影响主要是因为介质阻尼的存在。本文分三种情况计算分析，其中，阻尼比分别取为0.1、0.05、0.01，各阻尼分别代表亚粘土、粉质粘土、强风化岩。

3.1土层参数的选取

本文所取的土层参数见表1。

表1土层参数表

3.2Rayleigh阻尼系数的确定

(1)类别I

对应振型频率分别为0.5173、0.6532。

选取阻尼比为0.1，阻尼系数为：、。

(2)类别II

对应振型频率分别为0.7516、0.9337。

选取阻尼比为0.05，阻尼系数为：、。

(3)类别Ⅲ

对应振型频率分别为1.035、1.277。

选取阻尼比为0.01，阻尼系数为：、。

3.3计算结果分析

（1）地表振动最大值变化曲线

图3.Y方向位移随距离的衰减

图4.Z方向位移随距离的衰减

图5.Y方向加速度随距离的衰减

图6.Z方向加速度随距离的衰减

以上图3至图6为一组在同一动荷载作用而不同类别层土的情况下位移、加速度振动峰值随距离的衰减图。从图中可以看出，在Y轴方向（水平）上，位移、加速度振动在衰减的过程中出现了放大区，而当阻尼值越大，越明显[2]。随着阻尼值从0.1减小到0.01，加速度振动放大区从5m增大到21m。在Z轴方向（竖直）上，位移、加速度在随距隧道中心线的距离增加而衰减。在衰减过程中，没有明显的放大区。而且，介质阻尼越小，衰减过程越平缓。在Y轴方向上，当介质阻尼为0.1时，加速度影响位置为26m，而当介质阻尼为0.01时，加速度影响位置为41m。在Z轴方向上，当介质阻尼为0.1时，加速度影响位置为32m，而当介质阻尼为0.01时，加速度影响位置为52m。

（2）参考点的频谱分析

图7.Y向加速度Fourier谱（ξ＝0.1）

图8.Z向加速度Fourier谱（ξ＝0.1）

以上图7、8为介质阻尼比为0.1时的傅立叶谱曲线图。从图中可以得到，加速度的幅值随着距离隧道中心线的增加而减小，频率中的高频所占部分比低频所占部分减小的快。

图9.Y向加速度Fourier谱（ξ＝0.01）

图10.Z向加速度Fourier谱（ξ＝0.01）

以上图9、10为介质阻尼比为0.01时的傅立叶谱曲线图。从图中可以得到，加速度的幅值随着距离隧道中心线的增加而减小，频率中的高频所占部分比低频所占部分减小的快。

把不同地层阻尼时加速度幅值频谱值的比较。从幅值频谱图中可以得出，振动频率主要在几个卓越频率段：0～5Hz、15～20Hz。当土质阻尼为0.1时，低频占主要部分，当土质阻尼为0.01时，高频占主要部分。

4结论与建议

4.1结论

(1)在本文的情况中，地表振动的衰减影响范围随着介质土的阻尼比的增加而减小。随着介质土的阻尼比的增大，地表振动中低频所占的比例增大。在同一种介质土的阻尼比中，振动衰减中的高频所占部分比低频所占部分减小的快；

(2)在本文的情况中，计算分析的结果里，振动在衰减过程中存在一个振动放大区，在这一区域内的强度有所增大[3]。对于这个振动发大区，本章得到定性的结论：水平方向的放大区明显，而竖向放大区没有水平向明显；放大区距隧道中心线的距离与激励的条件有关，土层的介质阻尼有关，其中激励的频率包含的频率段越低，阻尼值越大，距离也越大。

4.2建议

(1)地铁轨道交通的隔振施工技术随着科技的发展更加完善，对于不同的新隔振方法进行分析为隧道的设计与施工提供参考；

(2)地铁隧道可能穿越不同地质条件的土层，需要不同的土层具有不同的土动力模型，这样才能更好的反映环境振动的问题；

(3)地铁隧道结构有不同的形状断面，有不同埋设深度，有不同的设置间距，有不同交

叠形式，对地铁振动的传播衰减特性有不同程度的影响。

参考文献：

[1]李亮等．高速列车振动荷载下大断面隧道结构动力响应分析．岩石力学与工程学报．Vol.24No.23Dec.,2005:4259~4265．

[2]潘昌实，谢正光.地铁区间隧道列车振动与测试[J].土木工程学报,1990,23(2):21-28。

[3]刘维宁，夏禾，郭文军.地铁列车振动的环境响应[J].岩石力学与工程学报,1996,15:(增刊)586-593。