地铁列车引起的振动对郑州二七塔的影响

2012-01-17徐洪磊何吉成

城市轨道交通研究 2012年12期

徐洪磊何吉成衷平

(交通运输部规划研究院环境资源所，100028，北京∥第一作者，高级工程师)

地铁交通在带来出行便利的同时，也正成为新的振动源，地铁对医院、学校、居民住宅等环境敏感地段的振动影响及减振措施日益受到人们的关注［1－6］。当前，许多建设地铁的城市本身也是国家历史文化名城，市内分布着较多的需保护文物，部分城市的近现代重要史迹及纪念性建筑物还被列为国家重点文物保护单位。考虑到客流和线网的因素，一些地铁线路不得不穿越或临近一些文物保护单位。因此，分析评价地铁列车振动对文物的影响并采取相应的预防措施十分必要。为防止包括地铁在内的工业振源引起的地面振动对古建筑结构的危害，文献［6］对古建筑结构的容许振动、动力特性等方面进行了研究，像北京、西安等古建筑较多的城市地铁建设部门对古建筑的振动评估和防护也十分重视［7－11］。为了加强工业交通基础设施布局和工业振动环境中古建筑的保护，2009年1月国家出台了GB/T 50452—2008《古建筑防工业振动技术规范》［12］，并作为评估工业振动对古建筑结构影响的技术规范。文献［13］基于该规范评估了京张城际铁路隧道列车振动对水关长城的影响。但截至目前，应用该规范来评价地铁列车振动对古建筑影响的研究报道还较为少见。郑州二七纪念塔(简称二七塔)位于郑州市区中心位置，考虑到客流、线位和换乘等因素，规划建设的郑州地铁3号线1期在二七塔附近穿越。本研究以《古建筑防工业振动技术规范》为标准，对地铁列车振动对二七塔的影响进行了预测和分析，为采取适当的减振措施来减弱地铁列车对二七塔的振动影响提供依据，也为应用《古建筑防工业振动技术规范》来评价地铁振动影响提供一个研究实例。

1 规划中的地铁3号线与二七塔的位置关系

1.1 规划中的地铁3号线简介

规划建设的郑州地铁3号线1期工程起于兴隆铺路站，止于博学路站，长20.0 km，均为地下线，共设车站17座(平均站间距为1.25 km)，其中换乘站6座。二七广场站为换乘站，因其距火车站近的优势，聚集了大量的区域级商贸市场，3号线建设可以加强二七广场商务中心的区域辐射功能。

1.2 郑州二七塔概况

二七塔位于郑州市中心的二七广场，是为纪念京汉铁路工人大罢工而修建的纪念性建筑物，也是郑州市标志性建筑景观。它始建于1951年，为15 m高的木制纪念塔;1971年改建成现今的双身并联式钢筋混凝土塔(见图1)，塔高63 m，共14层，每层顶角为仿古挑角飞檐，绿色琉璃瓦覆顶。塔顶建有钟楼，六面直径2.7 m的大钟，整点报时演奏乐曲，钟楼上高矗一枚红五星。二七大罢工影响了近现代中国工人运动的发展，二七纪念塔因此具有重要的纪念意义和教育意义，2006年被列为全国重点文物保护单位，成为我国最年轻的全国重点文物保护单位。

图1 郑州二七纪念塔实景

1.3 郑州地铁3号线路与二七塔的位置关系

规划建设的郑州地铁3号线1期工程以地下线形式穿过二七塔临近区域，通过埋深来减弱列车振动对二七塔的影响，线路距离塔基的水平距离约20 m左右。规划中的郑州地铁3号线和二七塔的位置关系见图2。

图2 规划中的郑州地铁3号线与二七塔的位置关系图

2 研究方法

根据HJ 453—2008《环境影响评价技术导则—城市轨道交通》要求，文物保护目标的评价指标为振动速度。本文采用《古建筑防工业振动技术规范》来预测分析地铁运营期间列车振动对二七塔的影响，以文物承重结构最高处的容许振动速度作为评价标准。需要说明的是，二七塔为钢筋混凝土结构(其强度和抗振性均强于砖结构，故其容许振速应比砖结构大)，但在《古建筑防工业振动技术规范》中没有针对这类结构的标准和规范，为求严格，现采用规范中的砖类古建筑标准。在该规范中，属于全国重点文物保护单位的古建筑，其承重结构最高处容许振动速度为0.15～0.20 mm/s。由于目前地铁线路还属于规划阶段，具体埋深(即轨面至地面的竖直距离)尚未确定，因此分15 m、20 m和25 m三种地铁线路埋深来预测地铁列车的振动影响。

地铁列车振动传播的计算公式如下:

式中:

Vr——距振源中心水平距离r处的建筑物基础地面水平向振动速度，mm/s;

V0——矩振源中心水平距离r0处的地面水平向振动速度，mm/s;

r0——振源半径，m;

r——二七塔建筑物距振源中心的距离，20 m;

ξ0——与振源半径有关的几何衰减系数，地铁沿线土类为粉质黏土时，当r＞H(地铁埋深)时ξ0取 0.4，当 r≤H 时 ξ0取 0.8;

a0——土的能量吸收系数，s/m，按地铁沿线粉质黏土的土质条件，取值为2.175×10－4s/m;

f0——地面振动频率，Hz。

V0和f0通过建模插值来获取，具体过程为:在《古建筑防工业振动技术规范》中，对地铁这种振动源给出了10 m、50 m、100 m、200 m和400 m 5个水平距离下的地面水平向振动速度和地面振动频率，通过拟合发现，V0、f0与r0呈明显的负指数关系。V0与r0之间的负指数曲线模型为y=0.047 6+3.768 9/x(决定系数 R2=0.9761，概率值 p ＜0.01);f0与r0之间的负指数曲线模型为y=12.238 1+11.703 7/x(R2=0.9921，p ＜ 0.001)。先计算出 r0后，代入上述负指数曲线方程即可获得不同r0处的V0、f0。

对r0的规定如下:

式中:

B——地铁单线隧道内壁宽度，取4.0 m;

L——头车长度，取19 m;

δr——隧道埋深影响系数，当 H/rm≥3.0 时 δr=1.50，当 H/rm=2.7 时 δr=1.40，当 H/rm≤2.5 时δr=1.30。

古建筑承重结构最大速度响应按式(3)计算:

式中:

Vmax——结构最大速度响应;

n——振型叠加数，取3;

γj——第 j阶振型参与系数;

βj——第j阶动力放大系数。

根据郑州二七塔的层高、层宽、层数、底宽、总高等数据，γj和βj分别从《古建筑防工业振动技术规范》中的振型参与系数表和动力放大系数表选取，在本研究中，γ1、γ2、γ3分别为 1.753、－ 1.216、0.767，β1、β2、β3分别为 1、1、1.41。

3 研究结果与建议

地铁列车沿轨道运行时，由于车轮与钢轨的碰撞以及线路不平顺等原因，使轨道结构产生振动。这种振动传入大地后，引起大地振动波。当振动波到达建筑物基础时就会诱发建筑物的二次振动。在本研究中地铁列车振动传播过程为:车轮振动→钢轨→扣件→轨枕→道床→隧道衬砌结构→围护地层→到达二七塔基部地面→引发二七塔承重结构振动。影响振动传播的主要因素有:列车质量，运行速度，轮轨，扣件，道床，隧道等的结构。表1、表2分别为15 m、20 m和25 m 3种埋深条件下地铁列车振动传播的计算参数和对二七塔的振动影响。从表1中可知，3种埋深条件下地铁列车振动传播到二七塔地面的振动速度分别为0.379 mm/s、0.312 mm/s和0.260 mm/s。从表2中可知，地铁振动引发的二七塔承重结构最大速度响应分别达到0.907 mm/s、0.747 mm/s 和 0.623 mm/s，均超过国家重点保护文物承重结构的容许振动速度，超标量分别为0.757 mm/s、0.597 mm/s 和 0.473 mm/s。为确保二七塔建筑结构的安全，必须采取相应的减振措施来减弱地铁列车振动对其结构的影响。

表1 不同埋深的地铁列车振动计算参数

表2 不同埋深的地铁列车振动对二七塔的振动影响

根据地铁振动的产生机理，可在车辆类型、线路条件、轨道结构等方面进行减振设计，来降低轮轨撞击产生的振动源强度值，从而减轻地铁振动的影响。如采用长钢轨和打磨钢轨来增加平顺度、运用防振型钢轨等［4］。对轨道结构采取振动控制措施是目前轨道交通振动控制的主流方向。我国地铁既有的振动控制措施主要有:采用弹性扣件、轨道减振器、浮置板道床等。其中浮置板道床减振效果最佳［14］，有研究表明在50 m范围内浮置板减振效果十分明显［15］。浮置板道床结构一般由钢筋混凝土浮置板、弹性支座、混凝土底座及配套扣件等组成。该结构是用扣件把钢轨固定在钢筋混凝土浮置板上，浮置板置于可调的弹性支座上，浮置板两侧用弹性材料固定，形成一种质量－弹簧隔振系统［3］。

在采用浮置板道床的减振措施中，钢弹簧浮置板是现行轮轨接触式轨道交通中最先进的减振措施。从国外已采取钢弹簧浮置板道床的地铁运营情况看，被保护建筑均未受地铁列车运营所产生振动的影响［16］。文献［9］用三维动力有限元数值模拟表明，采用钢弹簧浮置板减振后，列车振动引起的西安钟楼地基振动速度可明显减少，减少量达到87.25%。因此，建议郑州地铁3号线1期工程在建设过程中，在二七塔临近区域采用不低于25m的埋深并设置钢弹簧浮置板道床，以确保二七塔的结构安全。

本研究只是基于《古建筑防工业振动技术规范》对地铁振动影响进行的初步分析。振动在土壤介质中的传播规律非常复杂，与振源、地质条件等诸多因素有关，由于郑州目前尚无运营的地铁，没有振动的实测数据进行测定和类比，因此难于对地铁运营期间引发二七塔的振动速度进行准确的预测。为确保二七塔建筑结构的安全，建议在地铁运营期及施工期应加强对二七塔振动响应的跟踪监测，如发现问题，应及时采取措施(如设置减振隔离桩)加以解决。

4 结语

本文采用《古建筑防工业振动技术规范》中给出的计算方法，预测分析了15 m、20 m和25 m 3种埋深下地铁列车振动对二七塔的影响。预测结果表明，3种埋深条件下地铁振动引发的二七塔承重结构最大速度响应分别达到 0.907 mm/s、0.747 mm/s 和 0.623 mm/s，已超过国家重点保护文物承重结构的容许振动速度。为确保二七塔建筑结构的安全，建议郑州地铁3号线1期工程在建设过程中，在二七塔临近区域采用不浅于25 m的埋深并设置钢弹簧浮置板道床。建议在地铁运营期及施工期加强对二七塔振动响应的跟踪监测，如发现问题，应及时采取安全措施。

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［12］ GB/T 50452—2008古建筑防工业振动技术规范［S］.