地鐵列車振動(dòng)對車輛段上蓋開發(fā)大平臺(tái)的影響分析

地鐵列車振動(dòng)對車輛段上蓋開發(fā)大平臺(tái)的影響分析

1振動(dòng)對地面及建筑物的影響由于地鐵通常沿城市建設(shè)區(qū)，周邊建筑密集，地鐵運(yùn)營后的振動(dòng)對環(huán)境的影響已成為一個(gè)必然的問題。振動(dòng)在地層中的傳播,國內(nèi)外均有學(xué)者開展相關(guān)研究。G.Bornitz提出了主要考慮地層土特性來計(jì)算地面振動(dòng)傳播規(guī)律的經(jīng)驗(yàn)公式;G.Degrande采用數(shù)值計(jì)算方法研究了土中振動(dòng)波的傳播;T.Fujikake研究了交通車輛引起結(jié)構(gòu)振動(dòng)的發(fā)生機(jī)理;夏禾等針對地鐵列車振動(dòng)的產(chǎn)生、傳播途徑、衰減規(guī)律等進(jìn)行了理論分析和測試研究。地鐵列車運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)的傳播路徑為:車輪—軌道—隧道結(jié)構(gòu)—巖土介質(zhì)—地面—建筑物?？紤]到節(jié)約建設(shè)投資與使用的方便性,地鐵車站及區(qū)間隧道一般埋深都不大,因此傳遞到地面及建筑的振動(dòng)不可不考慮。部分地段地鐵線路在地面敷設(shè),由于振動(dòng)傳遞路徑的減少,列車運(yùn)行振動(dòng)對地面及建筑物的影響更大。目前,振動(dòng)評價(jià)是新建地鐵規(guī)劃階段進(jìn)行環(huán)境影響評價(jià)的主要內(nèi)容之一,振動(dòng)較大地段的工程投資很大,應(yīng)引起足夠重視。隨著城市土地資源的日益稀缺,綜合利用土地、提高土地的利用效率,已成為城市地鐵建設(shè)者重點(diǎn)關(guān)注的問題。地鐵車輛段是一條或多條地鐵線路的綜合維護(hù)基地,占地面積從十幾公頃到幾十公頃。利用車輛段運(yùn)用庫、檢修庫等面積較大的庫房屋面上部空間進(jìn)行物業(yè)開發(fā),結(jié)合規(guī)劃開發(fā)成住宅及公建設(shè)施,可提高軌道交通和周邊土地的綜合效益,帶動(dòng)周邊地塊的經(jīng)濟(jì)發(fā)展,完善整個(gè)區(qū)域的城市功能,是近年來地鐵建設(shè)的發(fā)展趨勢。我國內(nèi)地的車輛基地開發(fā)由香港而起,近年來各大城市都在積極嘗試。北京、深圳等地已建成某些車輛段開發(fā)項(xiàng)目,福州、廈門等多地正在進(jìn)行相關(guān)規(guī)劃設(shè)計(jì)。四惠車輛段開發(fā)是我國內(nèi)地第一個(gè)大型車輛段綜合開發(fā)項(xiàng)目,開發(fā)范圍包括四惠車輛段全部用地的上空和四惠站—四惠東站區(qū)間的正線上空,開發(fā)平臺(tái)面積達(dá)到29.4萬m2。該項(xiàng)目地處北京東四環(huán)外,用地面積34.2萬m2,采用了厚板轉(zhuǎn)換加梁轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)形式,開發(fā)功能主要為多層住宅,開發(fā)住宅50.33萬m2,配套公建9.94萬m2。大規(guī)模的開發(fā)不能不考慮地鐵運(yùn)行誘發(fā)的振動(dòng)對這種厚板大平臺(tái)超大型結(jié)構(gòu)及其上建筑的影響。筆者在前人研究的基礎(chǔ)上,著眼于地鐵車輛段上蓋物業(yè)開發(fā)的業(yè)界熱點(diǎn),以北京地鐵四惠車輛段大平臺(tái)和大平臺(tái)上方開發(fā)的住宅樓為研究對象,用數(shù)值模擬的方法研究大平臺(tái)和住宅樓在地鐵列車作用下的振動(dòng)情況,并與部分實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,嘗試探討地鐵運(yùn)行誘發(fā)振動(dòng)對車輛段上蓋物業(yè)開發(fā)的環(huán)境影響問題。2總體地質(zhì)情況四惠車輛段是北京地鐵1號(hào)線和八通線的組成部分,位于四惠站和四惠東站之間,車輛段上蓋設(shè)置了兩層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的平臺(tái)板,東西長1290m、南北寬226m,距地面11.6m,平臺(tái)結(jié)構(gòu)下部南側(cè)為地鐵四惠站—四惠東站區(qū)間,北側(cè)為車輛段各種功能性庫房;平臺(tái)上部為通惠家園多層和高層住宅樓。工程總體情況如圖1所示。車輛段大平臺(tái)共兩層,首層為地鐵車輛段和地鐵區(qū)間使用空間,層高7.5m;二層為設(shè)備夾層,層高4.1m。在平臺(tái)之上為住宅樓及其配套的公用設(shè)施,樓房基礎(chǔ)直接位于平臺(tái)頂面。大平臺(tái)的基礎(chǔ)形式為鉆孔灌注樁,平臺(tái)下方南側(cè)的地鐵四惠站—四惠東站區(qū)間為地面線,采用木枕碎石道床。本段地鐵線路位于地面,于大平臺(tái)下部南側(cè)通過。研究區(qū)地形平坦,勘察揭露地層及其物理力學(xué)指標(biāo)自上而下分別為人工填土層:(1)1雜填土、(1)黏質(zhì)粉土素填土;第四紀(jì)沖洪積地層:(2)1粉質(zhì)黏土、(2)黏質(zhì)粉土砂質(zhì)粉土、(3)1粉質(zhì)黏土、(3)2重粉質(zhì)黏土、(3)黏質(zhì)粉土砂質(zhì)粉土、(4)細(xì)砂。以上地層中,(1)、(2)、(3)、(4)層存在于整個(gè)工程場地;(1)1、(2)1、(3)1、(3)2層呈透鏡狀分布,僅存在于部分區(qū)域。3基于模型單元網(wǎng)格的拉格朗日方法FLAC(fastlagrangiananalysisofcontinua)是顯式有限差分法程序,計(jì)算基于模型單元網(wǎng)格隨著變形而更新的拉格朗日方法,較適用于模擬巖土體的變形問題。FLAC的計(jì)算區(qū)域劃分為若干4節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變單元,按照指定的本構(gòu)關(guān)系,在一定的荷載和約束等邊界條件下解算單元的應(yīng)力應(yīng)變變化。本文主要使用了FLAC的動(dòng)力計(jì)算功能,并采用了“靜態(tài)”邊界條件來解決動(dòng)力計(jì)算中振動(dòng)波在邊界的反射問題,從而可以分析振動(dòng)中的土與結(jié)構(gòu)相互作用的現(xiàn)象。3.1大平臺(tái)內(nèi)的平面應(yīng)變考慮地鐵列車的運(yùn)動(dòng),地鐵列車振動(dòng)對周邊環(huán)境某一特定位置的影響是由遠(yuǎn)及近發(fā)生的,是一個(gè)空間問題。考慮到地鐵列車一般為4~6輛編組,長80~120m,沿地鐵列車運(yùn)行方向具有相當(dāng)?shù)拈L度;且車輛段沿地鐵運(yùn)行方向的尺度遠(yuǎn)大于地鐵線路橫斷面方向,因此取地鐵線路某一橫斷面方向作為研究對象,計(jì)算時(shí)可以將空間問題簡化為平面應(yīng)變問題。經(jīng)分析,大平臺(tái)中部為南北向5排6~9層住宅樓,樓房東西向長度遠(yuǎn)大于南北向,接近上述平面應(yīng)變假定。因此取圖1中虛線所示橫斷面作為計(jì)算斷面,見圖2。3.2大平臺(tái)混凝土結(jié)構(gòu)材料根據(jù)地層情況,計(jì)算涉及的地層及物理力學(xué)指標(biāo)見表1。大平臺(tái)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),采用相應(yīng)的材料參數(shù)。計(jì)算中對于地層采用摩爾—庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則、彈塑性本構(gòu)模型模擬,對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)用線彈性模型模擬。3.3地鐵列車動(dòng)力學(xué)相互作用及參考點(diǎn)分析按照先施工、后運(yùn)營振動(dòng)傳播的順序進(jìn)行分析,符合地鐵工程實(shí)際發(fā)生的物理過程。以此確定3階段的計(jì)算過程。1)地層自重應(yīng)力場形成。計(jì)算對象為場區(qū)地層模型,載荷僅為地層重力,形成場區(qū)地層的自重應(yīng)力場,以模擬場區(qū)的初始狀態(tài)。2)大平臺(tái)施工。計(jì)算對象為場區(qū)地層及大平臺(tái)結(jié)構(gòu)(含住宅樓)模型,載荷為大平臺(tái)結(jié)構(gòu)(含住宅樓)的自重,計(jì)算完成后即得到了場區(qū)結(jié)構(gòu)施工完成后、地鐵運(yùn)行前地層中及結(jié)構(gòu)本身的應(yīng)力應(yīng)變場,至此,靜力計(jì)算部分完成,以模擬地鐵運(yùn)行前場區(qū)的狀態(tài)。前兩階段模型邊界條件為位移約束。3)地鐵運(yùn)行。在模型中地鐵區(qū)間列車運(yùn)行位置施加列車動(dòng)荷載時(shí)程,模擬地鐵列車通過時(shí)的情況,計(jì)算模型各部位的動(dòng)力響應(yīng),得到地鐵運(yùn)行對車輛段上蓋的振動(dòng)影響情況。本階段邊界條件采用FLAC動(dòng)力計(jì)算中的靜態(tài)邊界,以適應(yīng)動(dòng)力分析特點(diǎn)。采用圖3所示的動(dòng)荷載時(shí)程施加到模型列車運(yùn)行位置處,作為數(shù)值模型的輸入激勵(lì),模擬列車運(yùn)行的振動(dòng)效應(yīng)。地鐵列車動(dòng)荷載的輸入位置見圖4,計(jì)算時(shí)長為11.1s,以模擬地鐵列車通過所選取的橫斷面以及通過后大平臺(tái)結(jié)構(gòu)及上方的住宅樓的響應(yīng)。為了考察與地鐵線路不同距離的大平臺(tái)位置的振動(dòng)情況,計(jì)算中選取了大平臺(tái)南端PS1(第一層)、PS2(第二層),北端PN1(第一層)、PN2(第二層)共4個(gè)參考點(diǎn);為了考察與地鐵線路不同距離處各幢樓房的振動(dòng)情況,選取了距離地鐵線路最近的A號(hào)樓房AS0~AS6(樓房各層南端)、AN0~AN6(樓房各層北端)、距離地鐵線路較遠(yuǎn)的C號(hào)樓房CS0~CS6(樓房各層南端)、CN0~CN6(樓房各層北端)、距離地鐵線路最遠(yuǎn)的E號(hào)樓房ES0~ES9(樓房各層南端)、EN0~EN9(樓房各層北端)共48個(gè)參考點(diǎn)。各參考點(diǎn)位置見圖5。對于振動(dòng)強(qiáng)度的比較,因?yàn)榧铀俣扔行е抵苯颖碚髁苏駝?dòng)強(qiáng)度,所以使用振動(dòng)加速度的有效值作為比較指標(biāo)。4結(jié)論分析4.1地鐵列車加速度大平臺(tái)南側(cè)首層,二層端點(diǎn)PS1、PS2水平方向和豎直方向的加速度見圖6。大平臺(tái)南北兩端首層,二層參考點(diǎn)PS1、PS2、PN1、PN2水平方向和豎直方向的加速度有效值比較見圖7。從圖6可以看出:兩點(diǎn)水平方向和豎直方向的加速度隨時(shí)間均呈減小趨勢,反映了振動(dòng)在地鐵列車通過后逐漸衰減;第一層平臺(tái)端點(diǎn)的水平振動(dòng)加速度比第二層平臺(tái)端點(diǎn)的大,圖7各圖中的斜線也顯示了同樣的結(jié)果。圖6(b)表明,在豎直方向上,第一層平臺(tái)端點(diǎn)的加速度時(shí)程與第二層平臺(tái)端點(diǎn)的幾乎完全相同,圖7中的水平線也顯示了同樣的結(jié)果。經(jīng)分析,這種現(xiàn)象主要是大平臺(tái)框架結(jié)構(gòu)的立柱抗壓剛度很大,導(dǎo)致地鐵誘發(fā)振動(dòng)引起柱豎直方向的變形極為微小,豎直方向的振動(dòng)在立柱兩端基本一致,所以PS1點(diǎn)和PS2點(diǎn)豎直方向的加速度幾乎完全相同。4.2各樓層振動(dòng)強(qiáng)度的分布規(guī)律A樓、C樓和E樓各層水平方向的振動(dòng)強(qiáng)度比較見圖8,A樓、C樓、E樓各層水平方向和豎直方向的振動(dòng)強(qiáng)度比較見圖9。從圖8可以看出:在大平臺(tái)上,隨著與地鐵線路(振源)距離的增加,各幢樓房的振動(dòng)強(qiáng)度在不同樓層水平方向上的分布規(guī)律并不一致,自A樓到E樓,各樓層振動(dòng)強(qiáng)度由底層和頂層最大、中間層最小,過渡到沿樓層增高而減小。圖9各圖中的水平線(各幢樓房豎直方向的振動(dòng)強(qiáng)度比較)則表明:在豎直方向上,每幢樓各層的振動(dòng)強(qiáng)度幾乎一致。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是住宅樓立柱、墻體等豎向構(gòu)件的抗壓剛度較大,各樓層在地鐵列車運(yùn)行引起的豎向變形差異很小。還可以看出,各幢樓房豎直方向的振動(dòng)強(qiáng)度比水平方向的大。由此可見,評價(jià)地鐵作用下樓房的振動(dòng)時(shí),豎直方向較水平方向更為顯著。5地鐵與地鐵背景下所有樓梯間布置的水平加速度監(jiān)測為了評估地鐵振動(dòng)對其上建筑物的影響,研究地鐵振動(dòng)沿垂直于地鐵線路方向及豎直方向的衰減規(guī)律,選擇了惠生園16號(hào)樓為監(jiān)測對象。在該樓每個(gè)樓層的樓梯間布置一個(gè)測點(diǎn),對地鐵運(yùn)行引起的水平和豎向振動(dòng)進(jìn)行了測試。測點(diǎn)布置見圖10,樓房不同樓層水平加速度監(jiān)測結(jié)果見圖11。從圖11與對應(yīng)的圖8(a)對比可以看出,二者的變化規(guī)律基本相符,都是樓房一層振動(dòng)較大,從一層往上的振動(dòng)有衰減趨勢;到樓房中間層后,隨著層數(shù)增加,振動(dòng)又有增大的趨勢。6各樓樓內(nèi)水平振動(dòng)強(qiáng)度分布規(guī)律表1由以上分析及測試結(jié)果可以得出下述結(jié)論:1)在地鐵列車通過時(shí),車輛段上蓋開發(fā)大平臺(tái)兩層板的水平振動(dòng)強(qiáng)度第一層比第二層大,而兩層板豎直方向振動(dòng)強(qiáng)度幾乎一致;2)隨著與地鐵線路距離的增加,各幢樓房的水平振