郑 辉

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

地铁车辆段上盖物业开发，不仅可为地铁建设提供巨大的资金，也是节约土地资源、提高土地使用率、提高社会效益的重要措施。但车辆段物业开发不可避免地对盖上物业带来振动影响，降低物业开发品质，如何在上盖开发时有效解决振动问题成为制约车辆段设计的关键因素。

1 车辆段振动研究及减振现状调查分析

1.1 振动产生的机理[1]

如图1所示，地铁车辆运行时对轨道和地面的冲击作用产生振动，通过结构传递到周围土层，激发临近物业结构柱产生振动，振动沿结构柱向上传播，从而对盖上物业建筑物、结构安全、人们生活工作、仪器设备等产生影响，因此必须采取相应减振措施。

图1 典型车辆段引起的振动机理示意

邹超等[2]在分析不同国家和机构振动评价指标、限值的基础上，提出地铁车辆段振动控制按照居住区昼间65 dB、夜间62 dB，盖下区域昼间75 dB、夜间72 dB的振动评价标准。

1.2 减振现状调查分析

控制振动造成的不利影响，一般可以从降低振源的激励强度，在传播途径上隔振和建筑物基础和内部隔振三方面入手[3-4]，振源处的隔振可以称为主动隔振，离开振源后的隔振称为被动隔振。近场主动隔振与远场被动隔振的主要区别在于离振源的距离，目前常见减振措施如表1所示[5]。

表1 车辆段减振措施调查分析

目前常规减振措施主要考虑主动减振和建筑基座隔振，传播路径隔振虽具备明显的减振效果，但不能与车辆段设计有效结合，目前尚未有实际应用案例，本文着重从传播路径隔振展开研究。

2 车辆段减振技术研究

为进一步研究减振，将地铁列车荷载、轨道及道床模型、地基土模型、边界条件等作为输入条件，利用有限元建立了振动传播规律数值分析模型[6-8]，为验证减振模型准确性，选取了广州某车辆段进行实测分析，列车在50 km/h速度下，在距离试车线6、12、18、25 m共测量了30组地面振动竖向加速度，将其与模型计算值对比分析后，计算的地面振动时程曲线与实测结果呈现出较一致的规律，模型验证可行。此外在传播路径隔振研究中，针对表面振源问题的研究最多，以地面屏障隔振为主，尤其是空沟和填充沟[9]。

2.1 空沟屏障隔振

2.1.1 空沟深度对隔振效果的影响

空沟屏障隔振是在轨道附近的地基开挖沟槽，从而切断振动波的传播路径或使振动波绕过屏障进而降低地面的振动，其振动原理见图2。

图2 空沟屏障有限元模型截面

为研究屏障深度对隔振效果的影响，选取了相对深度d分别为0.1、0.3、0.5、0.7、1.0、1.2、1.5、2.0、2.5(1∶6，单位：m)共9种不同的深度进行计算，选取了分别距轨道中心线8、12、16、20、25 m和30 m共6个点进行分析。图3给出了距离轨道中心线不同距离处的竖向加速度有效值随着相对深度d增大的衰减规律。

图3 不同深度空沟对加速度的衰减情况

从图3可以发现，相对深度d在0.1～1.0的区间内，加速度有效值随着相对深度d的增大而衰减，衰减幅度达50%左右；当沟深较浅(d<0.3)时，阻隔效果不佳，当d>1.0时，深度的影响也会减小，因为当空沟达到某个深度后，较深部分的变化很难对自由面的行为造成影响。另外，当相对深度d的取值过小时，近振源处的加速度有效值有一定的衰减，但远振源处的加速度有效值相对于无沟的状况略有放大。

2.1.2 空沟宽度对隔振效果的影响

为研究屏障宽度对隔振效果的影响，选取了相对宽度w为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6(1∶6，单位：m)共6种不同的宽度进行计算，并选取了分别距轨道中心线12、16、20、25 m和30 m共5个点进行分析，其衰减规律如图4所示。

图4 不同宽度空沟对加速度的衰减情况

图4给出了不同沟宽对竖向加速度有效值衰减的影响。总体上看，随着相对宽度w的增大，加速度有效值呈减小趋势，但衰减的幅度不大，趋势较缓。因此可以认为，屏障的宽度对屏障隔振的效果影响不大。

2.1.3 空沟设置位置对隔振效果的影响

为研究屏障位置对隔振效果的影响，选取了相对距离s为0.75、1.0、1.25、1.5(1∶6，单位：m)共4种不同的位置进行计算，选取了分别距轨道中心线12、16、20、25、30 m共5个点进行分析，其衰减规律如图5所示。

图5 空沟不同位置对加速度的衰减情况

由图5可知，当s=1.25(7.5 m)时，空沟对加速度有效值的衰减效果最佳，效果相对较差的是s=1(6 m)的情况，随着与轨道中心线距离的增大，空沟的隔振效果有所减弱；整体上看，空沟设置位置对加速度有效值的衰减影响相对较小。

2.2 填充沟屏障隔振

2.2.1 不同填充材料的填充沟隔振效果分析

一般填充材料分柔性和刚性两种。柔性材料多为粉煤灰、橡胶碎片和泡沫塑料；刚性材料多为砂砾石、加气混凝土和轻骨料混凝土。在填充沟的尺寸的选取上，结合2.1中得出的结论，选取了隔振效果较好的空沟尺寸进行填充沟分析，即深度为6 m，宽度为2 m和距离轨道中心线s为4.5 m的模型进行分析，不同填充材料减振效果如图6、图7所示。

图6 不同柔性材料隔振效果比较

图7 不同刚性材料隔振效果比较

(1)柔性填充材料隔振效果

粉煤灰隔振效果最差，泡沫塑料隔振效果最好，橡胶材料的隔振效果介于两者之间。

(2)刚性填充材料隔振效果

砂砾石填充沟几乎无隔振效果，且随着与轨道中心线距离的增大，地面振动也有所放大。轻骨料混凝土的隔振效果较好，普通混凝土的隔振效果与轻骨料混凝土相当。

2.2.2 不同形式填充材料隔振效果对比分析

根据2.2.1节的分析，柔性材料选取隔振效果较好的泡沫塑料，刚性材料选取普通混凝土，给出距离轨道中心线8、12、16、20、25 m和30 m处地面振动的加速度有效值衰减系数变化曲线，如图8所示。

图8 不同填充材料屏障隔振效果比较

在距离轨道中心线约12 m处，柔性材料(泡沫塑料)的隔振效果和刚性材料(普通混凝土)的隔振效果接近，且两者的隔振效果与空沟的隔振效果相接近。因此可认为在距离轨道中心线的一定范围内，柔性材料和刚性材料的隔振效果相当；而随着距离的增加，柔性材料隔振效果较好；在距离轨道中心线较远处，柔性材料的隔振效果逐渐减弱，而刚性材料则维持良好的隔振作用。

2.3 减振沟研究结论分析

2.3.1 空沟隔振研究结论

(1)空沟达到一定的深度后才具有明显隔振效果，某些情况下增加深度对隔振效果影响较小；

(2)空沟宽度变化对隔振效果无明显影响；

(3)空沟距离轨道中心线有一个临界位置，根据模拟计算，该距离为6 m。

2.3.2 填充沟隔振研究结论

(1)填充材料的波阻抗比是影响其隔振效果的主要因素，柔性材料的波阻抗比越小，其隔振效果越好，刚性材料与之相反；

(2)刚性材料波阻抗比越大隔振效果越好，但当波阻抗比增大到一定数值时，不会明显增强隔振效果；柔性材料对距离轨道中心线一定范围内的隔振效果优于刚性材料，但刚性材料屏障的隔振区域大于柔性材料屏障；

(3)空沟的隔振效果比柔性材料和刚性材料屏障要好，但是屏障达到一定深度后，空沟的施工及维护难度增大，可以将空沟与填充沟进行有效的组合，达到隔振的效果。

3 车辆段减震技术研究设计应用

3.1 车辆段上盖物业概况

广州市某地铁车辆段位于风神大道以北，东临新华陵园，西侧有1条500 kV高压线，北侧为军事用地及林地，地块的总用地面积24.09 hm2，净用地面积17.87 hm2。如图9所示，拟开发车辆段盖上共涉及31栋高层住宅、1所小学、1所幼儿园及配套物业，上盖开发总建筑面积61.85万m2，容积率(上盖+白地)2.79，建筑密度18.36%，绿地率35.06%。

图9 某地铁车辆段上盖物业总平面

3.2 盖下车辆段概况

车辆段出入线最小曲线半径为220 m，车场线最小曲线半径150 m。轨道包括出入段线、试车线、车场线、库内线，车辆采用B型车，采用柔性架空接触网，出入段线尾部地面与试车线部分均采用有砟轨道，铺设新Ⅱ型预应力混凝土枕。

3.3 研究区域划分

对于上盖物业开发的减振问题，需重点考虑行车速度较高的试车线地段的中低频振动，以及咽喉区及小半径地段的高频噪声污染，振动控制的主要区域在于试车线、出入线和咽喉区[10-12]。其中，咽喉区道岔多，存在大量的小半径曲线和钢轨接头，车辆通过钢轨接头和道岔有害空间引起的振动是振动的主要来源之一。

上盖物业开发一类为直接建于库内线、试车线和咽喉区上部的建筑；另一类为临近库内线、试车线和咽喉区的建筑。振动控制标准按照昼间(06：00～22：00)为65 dB，夜间(22：00～06：00)为62 dB[13-16]。利用有限元，在车-轨-地基数值模型的基础上，建立车辆段上盖建筑不同区域的有限元模型，并对不同减振措施进行模拟分析。

3.4 不同区域列车运行引起建筑物的振动预测

在设置减振沟的前提下，对试车线、出入段线、咽喉区3个区域上盖平台振动进行振动模型计算，计算前提条件均为车辆按照60 km/h速度通过，选取试车线上盖平台附近18层物业住宅楼进行分析，其不同楼层减振效果如图10所示。

图10 18层建筑振级分布

从图10可以看出，减振沟大约能够减小结构振动5～7 dB，具有显著的减振效果，但18层仍然有70～73 dB，不满足振动限值要求，需要采取其他综合措施来降低影响。

3.5 减振沟技术在车辆段中的设计应用

采用空沟+刚性材料(普通混凝土或轻骨料混凝土)形成组合减振沟能够有效降低振动影响。组合隔振屏障的深度需不小于4 m，宽宜设为1.5 m，距离轨道中心线宜为4～4.5 m，空沟的深度宜为2～3 m，但实际过程中，单纯建设空沟投资较大，需结合其他功能需要进行建设。

考虑到上述因素后，将空沟与综合管沟、电缆沟、站场排水沟等结合设置，在保证减振效果的同时，降低工程投资，如图11所示。

图11 减振沟技术在车辆段中的设计应用(单位：m)

在试车线北侧设置1条深度为2 m的站场排水沟，可兼作雨水排水和空沟减振，在距离试车线南侧4 m处设置1条宽1.5 m×深1.6 m的综合管廊，综合管廊内主要为给水、中水、消防管以及弱电管线，此外在综合管沟南侧再设置1条宽1.5 m×深1.9 m的电缆隧道，隧道内主要为高压和低压电缆，上述设计实际上相当于在结构柱两侧设置1条空沟和2条填充沟屏障的组合形式，能够将减振与车辆段功能需求有机结合起来。

4 结语

本文依托带上盖物业的地铁车辆段，利用ABAQUS有限元软件，建立了带上盖的地铁车辆段列车-轨道和路基-土层-建筑物的有限元模型，分别对地铁车辆段上盖平台和上盖物业不同区域进行振动响应预测分析，通过分析得出了空沟和填充沟组合屏障减振沟模式，并针对车辆段内最主要的振动区域(试车线、出入段线、咽喉区)进行了模拟分析，有效验证了组合屏障沟的减振效果，将车辆段功能需求与组合屏障沟结合设置，有效节省占地，减少工程投资，目前该车辆段已经投入运营近半年，减振效果显著。

经分析空沟和填充沟屏障的组合形式能有效降低振动带来的影响，但仍然存在不满足昼夜振动限值的要求，需进一步采取其他减振措施，若需达到减振限值的要求，必须考虑多种行之有效的综合措施来降低振动对盖上盖下造成的影响。