楊 覓，宮飛祥，王 鵬

（1.陜西交通控股集團有限公司，陜西 西安 710065；2.西安建筑科技大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710054；3.西安中交公路巖土工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075）

當(dāng)前，我國正在大力進行城市軌道交通建設(shè)，在許多城市，地鐵的建設(shè)正如火如荼。然而，地鐵線路很多都通過城市主干道，如西安地鐵2號線，沿線不僅有鐘樓、明城墻等古建筑，還有許多學(xué)校、醫(yī)院、科研院所等單位。地鐵運行引起的振動對沿線新老建筑物以及人們的工作和生活都有一定的影響。因此，系統(tǒng)地研究地鐵振動在周圍環(huán)境中的傳播衰減特征是很有必要的，這有利于探求防災(zāi)減振措施。對地鐵振動在地層中傳播規(guī)律及減振措施研究的傳統(tǒng)手段主要是數(shù)值模擬[1-2]和現(xiàn)場測試[3-4]。但是，數(shù)值模擬很難模擬真實的車輛-軌道-隧道-地層相互作用系統(tǒng)，且因計算模型的簡化性及參數(shù)取值的主觀性，使其結(jié)果一般用于地鐵誘發(fā)振動問題的定性分析；現(xiàn)場測試是獲取原始地鐵振動數(shù)據(jù)的有效手段，但其受周圍環(huán)境干擾振動的影響較大，測試結(jié)果有時不盡如人意。針對以上不足，國內(nèi)有一些團隊開展了地鐵誘發(fā)環(huán)境振動的模型試驗研究[5-6]。在西安，有許多學(xué)者針對地鐵振動問題開展了數(shù)值模擬[7]和實地測試[8]研究，筆者也針對西安地鐵跨地裂縫帶的馬蹄形隧道車致圍巖動力響應(yīng)問題開展了數(shù)值模擬研究[9]。西安城區(qū)地裂縫發(fā)育，盾構(gòu)隧道是西安地鐵建設(shè)過程中采用較多的一種結(jié)構(gòu)形式，針對地裂縫場地盾構(gòu)隧道的地鐵振動效應(yīng)研究是現(xiàn)有研究鮮有涉及的領(lǐng)域。

基于現(xiàn)有研究的不足，為揭示地裂縫場地盾構(gòu)隧道的地鐵振動響應(yīng)特征，本文采用室內(nèi)縮尺比例模型試驗的方法，設(shè)計并開展地鐵動荷載作用下盾構(gòu)隧道-地裂縫-地層動力響應(yīng)試驗，分析振動波在地裂縫鄰近土層中的傳播衰減規(guī)律，地裂縫及車速對土層振動響應(yīng)的影響規(guī)律，以期為地鐵振動控制問題的理論研究和地鐵工程的減振設(shè)計提供參考。

1 試驗設(shè)計

本試驗屬于課題研究的一部分，詳細(xì)的試驗方案可參看文獻(xiàn)[10]，此處簡要介紹模型試驗概況和測試方案情況。

1.1 試驗概況

試驗為縮尺比例模型試驗，基本物理量中幾何相似比Cl=5，彈性模量相似比CE=2，質(zhì)量密度相似比Cρ=1。導(dǎo)出物理量中時間、頻率、加速度、集中力的相似比分別為Ct=3.54，Cf=0.28，Ca=0.4，CF=50。采用自制的模型箱自天然地面開始，逐層填筑西安地區(qū)黃土以模擬地鐵振動傳播的地層環(huán)境，模型箱尺寸（縱向×橫向×高度）為8.1 m×6.5 m×6.0 m。在箱體內(nèi)側(cè)鋪貼聚氯乙烯塑料薄膜并涂覆一層工業(yè)黃油，以減弱振動波的反射。隧道結(jié)構(gòu)為盾構(gòu)隧道型式，縱向長度為8.1 m，頂部埋深2.0 m，沿南北方向埋設(shè)。隧道與地裂縫90°相交，地裂縫傾角為80°，模型三維結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 模型三維結(jié)構(gòu)圖（單位：m）

隧道管片每環(huán)包括3個標(biāo)準(zhǔn)塊、2個鄰接塊和1個封頂塊，結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。管片環(huán)寬0.30 m，環(huán)向塊與塊之間、縱向環(huán)與環(huán)之間采用4.8級M8螺栓連接，整個隧道共27環(huán)，從上盤至下盤第14、15環(huán)管片與地裂縫相交。管片材料為鋼筋混凝土，在預(yù)制的鋼模具中澆筑成型，強度等級為C25。管片配筋根據(jù)等強度原則確定，標(biāo)準(zhǔn)塊環(huán)向配筋2層，每層7根φ4鋼筋，間距40 mm，即2×φ4@40；縱向配筋2層，每層8根φ3鋼筋，間距80 mm，即2×φ3@80。鄰接塊和封頂塊也按此間距布筋。模型道床不安置鋼彈簧，道床采用C20混凝土現(xiàn)場澆筑，鋼軌采用12 kg/m軌，扣件采用特制的Q235鋼片扣件。

圖2 盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)圖（單位：m）

1.2 地裂縫的模擬

在土層夯填過程中，預(yù)設(shè)地裂縫斜面并在其上涂抹一薄層重晶石粉，用以作為地裂縫斷裂面的標(biāo)記。在土層填筑完成，且完成前期對照組試驗相關(guān)測試工作后，用洛陽鏟在模型頂部地面沿預(yù)設(shè)的斜面向下掏挖一道地裂縫，水平向縫寬35 mm，將粉細(xì)砂填入縫中以模擬地裂縫介質(zhì)。

1.3 激振系統(tǒng)

實際的地鐵荷載可認(rèn)為由車輪靜載和一系列簡諧動荷載疊加而成，室內(nèi)的模型試驗一般采用簡諧荷載作為激勵。本課題組研制了一套激振系統(tǒng)，由振動設(shè)備、牽引裝置、安全裝置和控制系統(tǒng)組成，激振原理為偏心輪的轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生一個正弦激勵荷載，該荷載通過車輪和軌道傳遞于基底。激振頻率范圍為0～50 Hz，激振力幅值變化范圍為0～10.36 kN。牽引裝置可實現(xiàn)變向、變速、即時制動的功能，牽引速度范圍為0～0.5 m/s，激振系統(tǒng)實物圖如圖3所示。

圖3 激振系統(tǒng)實物圖

1.4 采集系統(tǒng)與測點布置

試驗采集土體的振動加速度數(shù)據(jù)，采用TST5915動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)和TST121A-100型壓電式加速度傳感器。在隧道正下方和正上方土中各選取6個測點，編號為T1～T6和T7～T12，上、下盤測點分別形成兩個測點集J1、J2。測點布設(shè)圖如圖4所示，加速度傳感器均豎向安置。

圖4 土中各測點布設(shè)圖（單位：m）

1.5 加載與測試方案

試驗時，振動設(shè)備定點激發(fā)出單一頻率的簡諧荷載，加載點為第15環(huán)管片處。各激振力參數(shù)見表1。

表1 各激振力參數(shù)

為了對比有無地裂縫條件下隧道周圍土層的振動響應(yīng)，模型制作完成后，先進行無地裂縫工況下地層的振動響應(yīng)測試，然后制作地裂縫，接著進行有地裂縫工況下地層的振動響應(yīng)測試。

2 試驗結(jié)果

對于試驗測試的振動加速度信號，在分析之前先進行去直流、數(shù)字濾波和去除趨勢項等預(yù)處理。經(jīng)預(yù)處理的測試信號按相似關(guān)系還原到原型體系中。第2.1、2.2小節(jié)分析數(shù)據(jù)對應(yīng)于原型列車的軸重為5.4 t，車速為44.8 km/h。第2.3小節(jié)對試驗數(shù)據(jù)作歸一化處理，對應(yīng)于原型列車的軸重為14 t。

2.1 振動加速度有效值分析

圖5為土中各測點豎向加速度有效值的分布曲線。分析圖5可知，緊貼襯砌底部和頂部各測點的加速度有效值相差不大，隨著距襯砌距離的增加，兩測點集加速度有效值衰減顯著，但不同條件下加速度有效值出現(xiàn)明顯差異，具體表現(xiàn)為：與無地裂縫時的常規(guī)值相比，在襯砌下部，有地裂縫時上盤土中加速度有效值有所增大，最大增幅為48.8%；下盤土中加速度有效值有所減小，最大減幅為22.7%；在襯砌上部，上盤加速度有效值有所減小，最大減幅為15.4%；下盤加速度有效值有所增大，最大增幅為17.5%。

圖5 土中各測點豎向加速度有效值分布曲線

可見，地裂縫對地鐵盾構(gòu)隧道圍巖車致加速度響應(yīng)影響顯著，會使振動出現(xiàn)增強和減弱的效果，且對上下盤和襯砌上下部地層振動加速度響應(yīng)的影響有一定差異?？紤]到地裂縫對其鄰近一定范圍內(nèi)土體振動強度的放大效應(yīng)和上下盤土體振動強度的顯著差異性，建議在進行跨地裂縫地鐵盾構(gòu)隧道設(shè)計時，針對軌道采取有效的減振措施。

2.2 振動加速度級分析

圖6為地裂縫場地土中各測點1/3倍頻程各中心頻率處的振動加速度級分布曲線。分析圖6可知：（1）振動在土中的傳播衰減特征表現(xiàn)為近振源處80 Hz及以上高頻成分的振動加速度級量值明顯大于80 Hz以下頻率成分的量值，但沿豎向隨距襯砌距離的增加，80 Hz及以上頻率成分的振動衰減速度更快，且100 Hz及以上頻率成分的振動呈現(xiàn)一致衰減的規(guī)律。（2）大部分頻率成分的振動加速度級隨距襯砌距離的增加而減小，而襯砌上部1～40 Hz頻率成分的振動加速度級在接近地表處出現(xiàn)了反彈增大現(xiàn)象，襯砌下部5～80 Hz頻率成分的振動加速度級在局部位置出現(xiàn)了顯著的反彈增大現(xiàn)象。襯砌下部土層中振動局部放大的原因是地裂縫介質(zhì)對振動波的反射和折射，引起波的疊加增強效應(yīng)，襯砌上部土層中振動局部放大的原因是地裂縫介質(zhì)或地表對振動波的反射和折射，引起波的疊加增強效應(yīng)。

圖6 地裂縫場地土中各測點1/3倍頻程各中心頻率處的振動加速度級分布圖

可見，地裂縫對地鐵盾構(gòu)隧道圍巖車致振動響應(yīng)中1～80 Hz頻率成分的振動有促進波動疊加相干的效應(yīng)，導(dǎo)致局部位置振動有所增強。在進行跨地裂縫地鐵盾構(gòu)隧道工程減隔振設(shè)計時，靠近振源區(qū)域，各頻段內(nèi)的振動均不能忽視，遠(yuǎn)離振源區(qū)域，減隔振的主要考慮頻段為1～80 Hz。

2.3 車速對加速度響應(yīng)的影響分析

圖7為地裂縫場地土中典型測點的豎向振動加速度有效值隨車速的變化曲線。

從圖7中可知：（1）隨著車速的增加，各測點加速度有效值均呈現(xiàn)遞增趨勢，但增加幅度由快變緩，過渡車速約為67.2 km/h，且在22.4～67.2 km/h和67.2～89.6 km/h兩個區(qū)間內(nèi)，加速度有效值隨車速的增加均呈線性規(guī)律增加。（2）各測點加速度有效值隨車速的增加幅度有一定差異，襯砌下部上盤T1測點的增加幅度較下盤T2測點大，襯砌上部下盤T12測點的增加幅度較上盤T11測點大?？梢?，跨地裂縫地鐵盾構(gòu)隧道車致圍巖振動加速度強度隨行車速度的增加而增加，但上、下盤的增加幅度有一定差異，且存在臨界速度，約為67.2 km/h，超過臨界速度后車速對振動響應(yīng)的影響不顯著。該臨界速度接近于目前西安地鐵列車的最高運行速度，可以認(rèn)為，適當(dāng)降低車速可以較顯著地減小跨地裂縫盾構(gòu)隧道圍巖的振動強度。

圖7 地裂縫場地土中典型測點的豎向加速度有效值隨車速的變化曲線

3 結(jié)論

根據(jù)跨地裂縫盾構(gòu)隧道圍巖地鐵振動響應(yīng)的模型試驗數(shù)據(jù)分析，所得結(jié)論如下：

（1）地裂縫場地盾構(gòu)隧道圍巖對地鐵振動有顯著的衰減作用，且高頻成分振動衰減更快。

（2）地裂縫對襯砌上部土中1～40 Hz和下部土中5～80 Hz頻段內(nèi)部分成分的振動波產(chǎn)生疊加增強效應(yīng)，總體振動強度在上下盤地裂縫附近出現(xiàn)放大和縮小的不均勻分布特征，建議在進行跨地裂縫地鐵工程設(shè)計時加強軌道處的減振措施。

（3）地鐵盾構(gòu)隧道圍巖振動加速度隨行車速度的增加呈先迅速增加后緩慢增加的趨勢，過渡車速約為67.2 km/h。