地铁隧道不同轨道结构形式对建筑物减振的仿真分析.pdf

1 l 0 铁道建筑 Ra i l wa y En g i ne e r i n g 文章编 号 1 0 0 3 1 9 9 5 2 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 4 地铁 隧道不 同轨道结构形式对建筑物减振的仿真分析 马 莉 ， 宣 言 ， 马 筠 ， 孙成龙 1 ．中国铁道科学研究院 铁道科 学技术研究发展中心 ， 北京1 0 0 0 8 1 ； 2 ．中国铁道科学研究 院 节能环保劳卫研究所 ， 北京 1 0 0 0 8 1 摘 要 建立 隧道一 土层一 某建 筑物的二 维有 限元模型 ， 分别施 加整体 道床 和钢 弹簧浮置板 道床 区段 的实 测边墙 竖向加速 度 ， 计 算 出不 同轨 道 结构形 式下建 筑物的振 动响 应。计 算结果表 明 ， 埋 深相 同时钢 弹簧 浮置板道 床相 对于整体 道床 可使 邻近 建筑物 竖 向振 动加速度 减 小约 8 0 ％ ； 采 用整体 道床 时邻近 建 筑的 竖 向振 动加速度 随 隧道 埋深增 大迅速 减 小， 而采 用钢 弹簧 浮 置板 道床 时 建筑 竖 向振动 加速 度 随埋 深 增 大减 小缓 慢 。 关键词 有限元模型 整体道床钢弹簧浮置板道床 竖向振动 中图分 类号 U 4 5 1 ． 3文献标 识码 B 目前 ， 国家大力 发展 城 市轨 道 交 通 以解 决人 们 出 行需求 ， 随着城 市轨道 交通 的迅速发 展 ， 地 铁列车 振动 对建筑物的影响而引起的减振降噪等问题 日益受到人 们 的关 注 。建 立 隧道一 土层 一建筑 物 的二维有 限元模 型 ， 计 算 出不 同轨道 结构 形 式 下建 筑 楼层 的振 动加 速 度 ， 分 析不 同轨道结 构形 式 下 地铁 振 动对 地 表 邻 近建 筑物 振动 响应 的影 响。 1 工 程 概 况 北京地铁 4号 线规 划 时 ， 在距 拟 建地 铁 隧 道 中心 线 2 7 4 m处有一存放精密仪器 的建筑物 ， 该楼为 4层 框架结构 ， 精密仪器存放室位于大楼 4层。为了达到 较好 的减振 效果 ， 需 要对 比不 同埋 深时 ， 采用整体 道床 和钢弹簧 浮置板道 床时该 楼 的振 动响应 。地质勘 测资 料 显示 ， 该楼 附近 土体大致 可分 为 3层 ， 地 表至 地下 2 m为砂 质黏土 ， 地下 2 m 至地下 5 m为粉 砂 ， 地表 5 m 以下为砂 质黏土 。 2 模型建立 口 图 1 隧道断面网格 图 计 算采用 了如 下假 定 ① 地铁 隧 道 线路 方 向 的长 度远 大于横 断面 的尺寸 ， 隧道 沿线 路 方 向 的应 变 可 以 忽略不计 ， 问题简化为平面应变问题； ②假定土体为各 向同性弹性体 ； ③土体与建筑物基础界面满足位移协 调条件 ， 两者 之 间的连接 采用共 用节点 的方式 。 基 于上述 假定 ， 应 用 A B A Q U S有 限元 软件 进 行仿 真计算 。模 型中土体 总长 度1 3 0 0 n l 隧道 中心线 右侧 长度 为 8 0 0 i n ， 左 侧长 度 为 5 0 0 m ， 土体 厚 度 1 1 0 m， 远 大于建筑 物横 向尺 寸 。模 型采 用 平 面应 变 单元 ， 单 元最 小 尺 寸为 0 ． 5 m， 网格 在 隧道 附 近加 密 。土层 两 端定 义为 自由边 界 ， 基 底 定 义 为 固定边 界 。 由于 虚拟 边界 的设 置会 引起 振动 波 的边 界反 射 ， 因 此将 土 层边 界处 两层单 元 的阻尼放 大避免振 动波 的反射 。 计算模 型 中隧 道 断 面尺 寸 外径 取 6 ． 0 i n ， 内径 取 5 ． 4 m， 衬 砌 混 凝 土 等 级 为 C 3 0 。考 虑 不 同埋 深 的影 响 ， 隧道拱 顶距离 地 面分 别 为 2 0 m、 2 5 i n 、 3 0 i n和 3 5 I T I ， 隧道断面网格图如图 1 所示， 整体模型图见图2 。 取大楼 的一榀框架进行仿真计算 ， 柱截 面尺寸 收稿 日期 2 0 1 0 0 9 - 1 5； 修回 日期 2 0 1 0 ． 1 0 2 0 作者简介 马莉 1 9 8 O 一 ， 女 ， 河北满城人 ， 博士研究生 。 图 2 整体模型图 O ． 5 I n 0 ． 5 m， 梁 截 面 尺 寸 0 ． 3 5 m 0 ． 2 0 IT I ； 计 算 时 采用 的参数 见表 1 ， 其 中材料 阻尼采 用瑞雷 阻尼 。 2 0 1 1年第 1 期 地铁隧道不同轨道结构形式对建筑物减振 的仿 真分析 表1 建筑物材料参数 竖向振动较为敏感， 应避免竖向振动影响仪器的精度 ， 因此计 算 时只考 虑楼 面 的竖 向振 动加 速度 。 由于当时 地铁隧道的轨道结构形式未最终确定 ， 因此仿真计算 时在 隧道底 部及 边墙 施加 已建地 铁不 同轨道 结构 形式 运营条 件 下 的实 测 竖 向加 速 度 ， 测 试 结 果 见表 2 。选 用以下两种计算工况 ①工况 1为以实测的整体道床 区段边 墙竖 向加速 度 数 据作 为 荷 载 输入 ； ② 工况 2为 以实测的钢弹簧浮置板道床 区段边墙竖向加速度数据 3 计算工况 作为荷载输入。图3为实测隧道边墙竖向加速度时程 由于该建筑 内的精密仪器直接放置在楼面上且对 曲线。 表 2地铁 运营条件 下的实际测试 结果 2 1 。 龚 - ．2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 时间／ s a 整体道床结构 0 2 0 l g 。 I o t ．O 2 0 5 l 0 l 5 2 O 25 时间／ s b 钢弹簧浮置板道床结构 图 3 实测 燧道边墙竖 向加速度时程 曲线 4 计算 结果 4 ． 1不 同道床 结构形 式 下各楼 层加 速度 比较 隧道 埋深 为 2 5 m 时各 楼 层 竖 向 振 动加 速 度 如 图 4所示。在本文所取计算参数条件下， 采用整体道床 时各 层 楼 面 竖 向加 速度 峰值 皆在 6 ． 81 0 m ／ s 左 警 垒 至 曩 a 1 层楼面 右 ， 采用钢弹簧浮置板道床时各层楼面竖 向加速度峰 值 皆在 1 ． 31 0。 m ／ s 左 右 。 由于 同 种 道床 结 构 形 式下 各楼 层竖 向振 动水 平 基 本 接 近 ， 且精 密 仪 器存 放 于该 大楼 4层 ， 因此 后续 计 算 只取 4层 楼 面 的 竖 向加 速度 进行 比较 。 时间／ 。 时间／ s 【 c 3 层楼面 d 4 层楼面 图 4 大楼各层楼 面竖 向加速度 隧道埋 深 2 5 m 一 篙 _【 、 煅最 一 一 一 薯 0 】 ， 至 i _煅晨 1 1 2 铁道建筑 4 ． 2 不 同埋 深条件 下楼面 竖 向加 速度 比较 图 5为不 同埋 深条 件 下楼 面 竖 向加 速 度 ， 分析 可 知 ， 隧道埋 深相 同时 ， 钢 弹簧浮 置板道床 相对 于整体道 床可使地面建筑物竖向加速度明显减小 ， 采用钢弹簧 浮置板道床 减振效果 更佳 。两种 轨道结 构形式 下楼面 的竖 向加速度 峰值见表 3 ， 埋深相同时钢弹簧浮置板 时间／ s a 】 隧道埋深2 0m 道床形式下的楼面振动加速度峰值比整体道床形式下 减少约 8 0 ％。整体道床结构形式下楼面竖向振动加 速度峰值随埋深的增加而大幅减小 ， 钢弹簧浮置板道 床形式下楼面竖向振动加速度峰值随埋深增大减小缓 慢 ， 因此采用整体道床时， 增加埋深对于建筑物竖向加 速度 的减小较 为有 利 。 时间／ s b 隧道埋深2 5 m 时间／ s 时间／ s c 隧道埋深3 0 m d 隧道埋深3 5 m 图 5 不同埋深条件下楼面竖向加速度 表 3建筑物楼面竖 向加速度峰值 轨道结构形式 隧道埋深／ m 竖向加速度峰值／ m ／ s 轨道结构形式 隧道埋深／ m 竖 向加速度峰值／ m ／ s 2 0 7 ．9 711 0一 20 1 ． 34 81 0一 整体道床 32 。5 ； ． 67 98 71 x 11。0 一- 5 、． ．． ． ． 2 5 1 ． 3 0 3 10 钢 弹 簧 浮 置 板 3 o 1 2 4 6 l0 一 s 3 5 4 ． 94 2 1 0一 35 1 ．1 7 5 1 0一 表 4 地面点的竖向加速度峰值对比 m ／ s 。 N 盖 0 _ 一 、 越 景 2 0 1 1年第 1 期 铁道建筑 Ra i l wa y Eng i n e e r i ng 1l 3 文 章编 号 1 0 0 3 1 9 9 5 2 0 1 1 O 1 一 O 1 1 3 - 0 3 乌精二线无缝线路应 力放散施工技术 闰 瑞 中铁一局新运工程公 司 乌精二线铺架项 目部 ， 新疆 奎屯8 3 3 0 0 0 摘 要 在 无缝 线路 施 工 中 ， 应 力放 散 均 匀和锁 定轨 温的控 制是施 工过 程 中的核 心 问题 ， 应 力放散 均 匀 ， 使 实际锁 定轨 温控 制在 设计 锁 定轨 温范 围 内， 是 施 工控 制 的 关键 工序 。本 文 主要 以乌 精二 线无缝 线路 应 力放 散及 锁 定施 工 为例 ， 介 绍 无缝 线路施 工过 程 中应 力放散 的施 工技 术 。 关键 词 无缝 线路 应 力放散施 工技 术连入 法插 入 法 中图分类 号 U 2 1 3 ． 9 1 3 文献标 识 码 B 1 工 程 概 况 乌精 二线设计为有砟道床 双层 道床 ， 厚 度 4 5 0 m m ， Ⅲ型混 凝 土 枕及 弹条 Ⅱ型 扣 件 ， 一 次 性铺 设 6 0 k g ／ I n钢 轨 区间无缝 线路 ， 全线 设计铺 设无 缝 线路 长 度 3 7 9 ． 9 0 2 k m。由于北疆 地 区高 热 、 高 寒 、 昼夜 温 差 大 、 气候 变 化无 常 ， 极 端最 高 气 温达 4 2 ． 7℃ ， 极 端 最 低气 温为 一4 2℃， 全 年适合无缝线路 施工 的时 间仅 有 4 月 ， 5月 ， 9月和 1 0月共 4个月 ， 对施 工工 期压 力较 大 O 收稿 日期 2 0 1 0 0 8 1 5 ； 修 回日期 2 0 1 0 1 0 - 2 0 作者简介 闫瑞 1 9 7 4 一 ， 男 ， 陕西成 阳人 ， 工程师 。 施工 过程 中要综 合 考 虑 到 施 工影 响 、 环 境 影 响和 操作 误差 等 因素 ， 严 格 控 制无 缝 线 路施 工 中应 力放 散 及锁 定轨 温 。在 保证 施 工 质 量 的前 提 下 ， 为 了按期 完 成全线无缝线路施工任务， 制订 了两套方案。第一套 方案 为 8月一 9月份 ， 避 开 白天高 温 ， 夜 间进 行 无缝 线 路应 力放 散施 工 ， 按 照 乌 鲁 木 齐 铁 路 局 铁 路 营 业 线 施工及 安 全管 理 实 施 细 则 有 关 夜 间 施 工 的 规 定 ， 编 制了 夜间无缝线路施 [ 方案 ， 经建设指挥部审查通 过后 实施 ， 顺 利完 成 了古河 至奎 屯西 区间 、 昌吉 至呼图 壁区间无缝线路应力放散施工， 实际锁定轨温满足设 计要求 ； 第二套方案为 1 1月一1 2月 ， 全天轨温较低， 采取拉 伸放 散 的方 法 进 行无 缝 线 路 施 工 ， 安 排专 职 技 术 人员 进行 全程控 制 ， 保 证 了冬 期无 缝 线 路 应力 放 散 4 ． 3 不 同道 床结构 形式 下地 面点 加速 度 比较 由于建 筑物 距 离 拟 建 隧 道 中心 线 2 7 4 I n ， 相 对 较 远 ， 竖 向振 动衰减 较快 ， 为 了更好 地反 映不 同轨道 结构 形式 下地铁振 动对 不 同 范 围 内建 筑 物 的影 响 ， 选 取 不 同地面点的竖 向加速度峰值近似代替对应点建筑物的 竖 向加 速度峰 值 。表 4为不 同距离 地面 点 的竖 向加 速 度峰值 。 在 本文所 取计 算参 数条件 下 ， 随着距 离 的增大 ， 地 面点 的竖 向振 动加 速度 逐渐 衰减 。埋深 相 同时对 于 同 一 地面点， 采用钢弹簧浮置板道床与采用整体道床相 比， 可使竖向加速度峰值减小约 8 0 ％。采用整体道床 时 ， 增加 埋深 对于竖 向加 速度 峰值 的减小 较 为有利 。 5 结语 运用 A B A Q U S有限元软件 对北京地铁 4号线邻 近的某 建 筑 物 的 振 动 响应 进 行 了 分 析 。分 析 结 果 显 示 ， 对 于地下 隧道 区段具 有如下 规律 1 地 铁 隧道埋 深 相 同时 ， 采 用 钢弹 簧 浮 置板 道 床 相对于整体道床 可使地 面建筑物竖向加速度减小约 8 0％ 。 2 采 用钢 弹簧 浮 置板 道 床 时 ， 建 筑 物 竖 向振 动加 速度峰值随埋深增大减小缓慢， 而采用整体道床时 ， 建 筑 物竖 向振动 加速 度 随埋深 增大而 大 幅减小 。 参 考 文 献 [ 1 ] 张玉娥 ， 牛润 明， 朱英 磊． 地 铁列车振 动响应 分析及控 制方 法 [ J ] ． 铁道建 筑 ， 2 0 0 6 5 9 7 9 9 ． [ 2 ] 张贵 ， 王建 ， 贾颖绚． 新线 隧道列车运 营对既有 地铁结 构振 动影响的研究 [ J ] ． 铁道 建筑 ， 2 0 0 8 5 4 6 4 9 ． [ 3 ] 冯青松 ， 雷 晓燕 ， 伍 明辉． 地 铁运行列 车引起建 筑物低 频振 动的数值分析 [ J ] ． 铁道科学与工程学报 ， 2 0 0 7 ， 4 5 6 8 7 2 ． [ 4 ] 孙晓静． 地铁列车 振动对精 密仪器 和设备 的影响及减 振措 施 [ J ] ． 中国安 全科 学学 报 ， 2 0 0 5 ， 1 5 1 1 7 8 8 1 ． 责任 审编 王红