地鐵振動荷載作用下隧道周圍飽和軟黏土動力響應(yīng)研究

1、地鐵振動荷載作用下隧道周圍飽和軟黏土動力響應(yīng)研究        張曦  唐益群  周念清  王建秀  趙書凱 摘要: 以上海地鐵二號線靜安寺站- 江蘇路站區(qū)間隧道周圍飽和軟黏土為研究對象, 通過對隧道周圍不同位置、不同深度土體中預(yù)埋土壓力盒和孔壓計, 進行現(xiàn)場連續(xù)動態(tài)監(jiān)測, 對地鐵振動荷載作用下飽和軟黏土的響應(yīng)頻率、土體響應(yīng)應(yīng)力幅值隨距離地鐵隧道遠近以及土體響應(yīng)應(yīng)力幅值隨深度的變化進行研究, 并提出了土體動力響應(yīng)衰減公式, 利用該式可以計算出地鐵列車經(jīng)過時的影響范圍及其動力響

2、應(yīng)值的大小, 可以預(yù)測與估算地鐵列車振動荷載對周圍建筑物的影響情況, 為地鐵設(shè)計、施工以及安全運營提供有價值的。關(guān)鍵詞: 地鐵隧道; 振動荷載; 飽和軟黏土; 動力響應(yīng)       地鐵作為一種安全、舒適、高速的工具, 在城市中必不可少。但是, 地鐵列車在行駛過程中引起的振動問題是不容忽視的。有很多模型被用來分析地面上列車荷載作用下產(chǎn)生的地面振動1-4。5-7中研究了在列車振動荷載下軌道系統(tǒng)的動力響應(yīng), 但其只研究了地基上部結(jié)構(gòu)的響應(yīng), 并未研究土的動力響應(yīng)。目前, 國內(nèi)外對地鐵隧道周圍飽和軟黏土動力響應(yīng)的研究尚未見到。然而, 飽和軟

3、黏土在地鐵列車長期振動荷載作用下將會產(chǎn)生較大的變形8-9,根據(jù)有關(guān)監(jiān)測資料, 上海地鐵 1 號線隧道在某些區(qū)段出現(xiàn)較大的軸線變形和地面沉降量10, 給地鐵列車的正常運營帶來了一定的影響。地鐵隧道的軸線變形和地面沉降直接關(guān)系到地鐵的安全運營問題, 而其沉降變形首先始于孔隙水壓力的變化及其土體應(yīng)力的變化11-12。因而, 研究地鐵隧道周圍土體的動力響應(yīng)對于地鐵的設(shè)計、施工和安全運營具有重要意義。1 現(xiàn)場動態(tài)監(jiān)測      為研究地鐵振動荷載對隧道周圍飽和軟黏土的影響, 研究中采用現(xiàn)場試驗與測試的方法。研究地點選在上海地鐵二號線靜安寺站江蘇路站之間。

4、現(xiàn)場監(jiān)測采用動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng), 其采樣頻率可高達 200 Hz,而精度可達 0.1 kPa, 完全可以反映周圍土體對列車振動荷載的響應(yīng)。動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)包括: 電阻式傳感器, 動態(tài)應(yīng)變放大器, 數(shù)據(jù)采集器和電腦。該系統(tǒng)通過計算機系統(tǒng)記錄所有的采樣點數(shù)據(jù), 可以達到實時監(jiān)測的目的。動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)運行示意圖如圖 1 所示。      試驗布孔采取折線式布孔方式 ( 如圖 2) 。平面上, 在地鐵隧道平行向和垂直向分別布設(shè) 3 個鉆孔,鉆孔直徑為 110 mm, 布孔位置距靜安寺地鐵車站隧道出口處的距離為 210 m。與地鐵隧道軸線平行方向的鉆孔為 3、4、5

5、 號孔, 鉆孔孔距為 15.0 m, 距地鐵隧道管片外側(cè)僅 1.8 m; 垂直地鐵隧道軸線方向的鉆孔為 1、2、3 號孔, 為研究在垂直隧道軸線方向上地鐵振動荷載隨距離的增長對隧道周圍土體影響的衰減規(guī)律, 特將 2 號孔和 1 號孔的距離設(shè)為 3 m, 3 號孔和 2 號孔的距離設(shè)為 2 m, 使其有一個遞進的過程。在剖面上, 由于地鐵隧道位于第層灰色淤泥質(zhì)黏土層中, 故將監(jiān)測點放置于第層, 土壓力盒分別埋設(shè)在 8.5 m、11.5 m 和 13.5 m 深的位置, 土壓力盒的傳感器朝向地鐵隧道, 以觀測地鐵振動時的響應(yīng)特征。地層分布及儀器埋設(shè)如圖 3 所示。2 土體響應(yīng)頻率 

6、60;    上海地鐵列車共 6 節(jié)車廂, 整車長 139.46 m, 正常運行速度是 60 km/h。在站停留 3045 s。由于該測點靠近地鐵車站, 列車進站會相應(yīng)地降低速度, 據(jù)統(tǒng)計列車通過該測點的速度一般在 3040 km/h, 地鐵列車通過觀測點作用的時間一般為 1216 s, 在不同時段, 運行中的地鐵列車通過觀測點時間間隔不等, 一般為 36 min, 上下班高峰期每趟車間隔約為34 min。      地鐵列車每節(jié)車廂有前后兩組車輪, 地鐵列車荷載通過輪軌- 管片系統(tǒng)將振動荷載傳遞到隧道管片外土層,

7、 當?shù)罔F接近和經(jīng)過測點時, 產(chǎn)生振動荷載并以波的形式傳播出去, 土體將對此作出響應(yīng)。圖 4 中,水平軸為時間軸, 豎直軸為應(yīng)力響應(yīng)值, 可以非常明顯的看到當?shù)罔F列車經(jīng)過測點時的波形。由于每節(jié)車廂中的荷重不同 ( 乘客多少不同) , 不同荷重引起的土體響應(yīng)的幅度不同; 荷重的間距 ( 即輪組間距) 不同引起土體響應(yīng)的頻率不一樣, 因而從圖中可看到兩種頻率 ( 圖 4) , 稱為高頻 fh 和低頻 fl, 高頻的產(chǎn)生主要是因為前一節(jié)車廂的后輪和后一節(jié)車廂的前輪經(jīng)過測點時, 由于間距較短, 土體響應(yīng)時間較短引起的。低頻的產(chǎn)生主要是由于每節(jié)車廂的前后輪經(jīng)過測點時引起的, 由于間距相對較大, 所以頻率較

8、低。在響應(yīng)波形圖中, 可以很清楚的找出每組車輪經(jīng)過測點時,引起的土體振動響應(yīng)。      通過連續(xù)的現(xiàn)場動態(tài)監(jiān)測, 采集到了大量的數(shù)據(jù)。對所有波形曲線進行分析對比之后, 找出典型的地鐵列車經(jīng)過時飽和軟黏土的響應(yīng)波形。通過對鉆孔數(shù)據(jù)進行匯總、分析、整理, 得出每個鉆孔位置處土體 ( 第層淤泥質(zhì)黏土) 響應(yīng)頻率, 其整理結(jié)果如圖5 所示。從圖中可以看出地鐵列車經(jīng)過鉆孔位置處所引起的頻率, 高頻 fh 統(tǒng)計值為 2.52.8 Hz, 低頻 fl 統(tǒng)計值為 0.40.6 Hz。      根據(jù)現(xiàn)場測得的

9、地鐵列車經(jīng)過時隧道周圍土體的兩種響應(yīng)頻率, 配合上海地區(qū)軟黏土的自身固有頻率, 在地鐵隧道設(shè)計中采用相應(yīng)措施, 避免兩者相近或相同而產(chǎn)生共振, 造成地鐵隧道失穩(wěn)、管片開裂等各種工程性災(zāi)害。1         3 土體動力響應(yīng)變化3.1 垂直地鐵隧道軸線的水平向土體動力響應(yīng)衰減規(guī)律      地面列車振動隨振源距離的增加而衰減的試驗和研究主要集中在橫向上。陳實13等的試驗表明, 在距鐵路鋼軌 25 m 處, 振動幾乎衰減到零, 在此距離之外, 振動就幾乎沒有影響。其他

10、的試驗和研究也證明此觀點, 只是不同的環(huán)境和不同的振動作用下, 衰減距離的數(shù)值不同而已。但對于地鐵隧道而言, 深埋于半無限土體中, 其衰減要大于地表。本次試驗在垂直隧道的水平方向隨距離遠近不同設(shè)有 1 號、2 號、3號孔, 其距離地鐵隧道邊緣分別為 6.8 m、3.8 m、1.8 m。為了找出比較明顯的衰減規(guī)律并且盡量避開其他因素的干擾, 在作研究分析時, 取 13.5 m 深度作為研究對象。將多次地鐵列車經(jīng)過時的數(shù)據(jù)進行均化處理, 整理結(jié)果如圖 6 所示。       根據(jù)大量監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果, 可以得出垂直地鐵隧道軸線土體響應(yīng)隨距離衰減關(guān)

11、系, 見式 ( 1) :p=K0- K1x- K2x2 (1)      式中: p 為 地 鐵 列 車 經(jīng) 過 時 , 土 體 動 力 響 應(yīng) 值( kPa) ; K0 為隧道邊緣土體動力響應(yīng)值 (kPa); K1 為土體動力響應(yīng)隨距離衰減一次項系數(shù) (kPa/m); K2 為土體動力響應(yīng)隨距離衰減二次項系數(shù) (kPa/m2); x 為距隧道邊緣距離 (m);      由實測數(shù)據(jù)對式 ( 1) 進行擬合, 可得到各參數(shù)值: K0=1.3526; K1=0.0321; K2=0.0077。&#

12、160;     將各參數(shù)代入式 ( 1) 中, 即可得到:p=1.3526- 0.0321x- 0.0077x2 (2)      式 ( 2) 為本次實測垂直地鐵隧道軸線的水平向土體響應(yīng)隨距離衰減關(guān)系式, 其中 x 取值范圍為 011.33 m。利用該式可以出地鐵列車經(jīng)過時的影響范圍及其動力響應(yīng)值的大小, 并可以預(yù)測與估算地鐵列車振動荷載對周圍建筑物的影響情況, 還可以為地鐵隧道附近建筑物設(shè)計、施工提供理論依據(jù)。      從圖 6 中可以看出, 隨著

13、距離的增加, 地鐵振動荷載衰減呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。由式 ( 2) 得出其影響范圍為 11.33 m。這個結(jié)果和地面上鐵路鋼軌動荷載的影響范圍相比, 相差較大, 除了土質(zhì)方面的因素外, 主要原因還是隨著深度的增大, 土的剪切模量和阻尼增大, 使得動荷載在傳播過程中迅速衰減, 直至消失。在沿地鐵軌道方向上由于有鋼軌、整體道床和隧道管片的連接, 剛度比垂直地鐵隧道方向上要大很多, 則振動衰減的距離相應(yīng)地要比垂直地鐵方向上大, 但在此方向的研究對本次試驗沒有太大意義, 因此不作深究。3.2 不同深度的土體動力響應(yīng)規(guī)律      在隧道頂端、中軸線方向、以

14、及隧道底部都埋設(shè)有傳感器。早期的靜態(tài)測試結(jié)果表明, 隨著深度的增加, 越靠近隧道底部的震源, 土壓力大致呈線性增長。在地鐵振動荷載條件下, 為了更清楚的找出應(yīng)力幅值與深度之間的關(guān)系, 選取人流高峰時期作數(shù)據(jù)統(tǒng)計, 其統(tǒng)計結(jié)果如圖 7 所示。      從圖 7 中可以看出, 在地鐵振動荷載作用下,8.5 m 深處土體響應(yīng)應(yīng)力幅值最大變化為 0.23 kPa; 11.5 m 深處土體響應(yīng)應(yīng)力幅值最大變化為 0.70 kPa;13.5 m 深處土體響應(yīng)應(yīng)力幅值最大變化為 1.15 kPa,土體響應(yīng)應(yīng)力幅值的變化與深度大致呈線性關(guān)系。而且, 還可以發(fā)

15、現(xiàn): 早高峰時的應(yīng)力幅值>晚高峰時的應(yīng)力幅值>中午時的應(yīng)力幅值。說明早高峰時期的客流量最大, 設(shè)計與施工中計算最不利的工況時, 應(yīng)當采用這一數(shù)據(jù)作為依據(jù)。4 結(jié) 論      ( 1) 在垂直地鐵隧道軸線上, 隨著距地鐵隧道距離的增加, 地鐵振動荷載衰減呈現(xiàn)一定的規(guī)律。根據(jù)大量現(xiàn)場監(jiān)測資料統(tǒng)計分析, 得出垂直地鐵隧道軸線的水平方向土體動力響應(yīng)隨距離衰減關(guān)系式。利用該式可以計算出地鐵列車經(jīng)過時的影響范圍及其動力響應(yīng)值的大小, 并可以預(yù)測與估算地鐵列車振動荷載對周圍建筑物的影響情況, 還可以為地鐵隧道附近建筑物設(shè)計、施工提供理論依據(jù)。&

16、#160;     ( 2) 地鐵列車經(jīng)過時, 土體動力響應(yīng)應(yīng)力幅值的變化與深度大致呈線性關(guān)系。而且, 早高峰時的應(yīng)力幅值>晚高峰時的應(yīng)力幅值>中午時的應(yīng)力幅值。說明早高峰時期的客流量最大, 此時隧道周圍土體處于最不利的條件下, 隧道設(shè)計及施工時, 應(yīng)以此為參考值。      ( 3) 地鐵列車經(jīng)過時, 隧道周圍飽和軟黏土會產(chǎn)生兩種響應(yīng)頻率。根據(jù)測得的這兩種土體響應(yīng)頻率以及土體自身的固有頻率, 在上海軟黏土地區(qū)地鐵隧道設(shè)計中采用相應(yīng)措施, 避免兩者相近或相同而產(chǎn)生共振,造成地鐵隧道失穩(wěn)、管片開

17、裂等各種工程性災(zāi)害。 參 考 文 獻 1 Alabi B. A parametric study on some aspects of ground-borne vibrations due to rail traffic J . Journal of Sound andVibration, 1992, 153 (1): 77- 87 2 Lipen A B, Chigarev A V. The displacements in an elastic half-space when a load moves along a beam lying on itssurface J . Journal of Applied Maths Mechanics, 1998, 62(5): 791- 796 3 Sheng X, Jones C J C, Peryt M. Ground vibration generated