地鐵振動(dòng)荷載作用下隧道周圍飽和軟黏土動(dòng)力響應(yīng)研究

1、地鐵振動(dòng)荷載作用下隧道周圍飽和軟黏土動(dòng)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(hào)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(duì)象, 通過對(duì)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(jì), 進(jìn)行現(xiàn)場連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè), 對(duì)地鐵振動(dòng)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(yuǎn)近以及土體響應(yīng)應(yīng)力幅值隨深度的變化進(jìn)行研究, 并提出了土體動(dòng)力響應(yīng)衰減公式, 利用該式可以計(jì)算出地鐵列車經(jīng)過時(shí)的影響范圍及其動(dòng)力響

2、應(yīng)值的大小, 可以預(yù)測(cè)與估算地鐵列車振動(dòng)荷載對(duì)周圍建筑物的影響情況, 為地鐵設(shè)計(jì)、施工以及安全運(yùn)營提供有價(jià)值的。關(guān)鍵詞: 地鐵隧道; 振動(dòng)荷載; 飽和軟黏土; 動(dòng)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(dòng)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(dòng)1-4。5-7中研究了在列車振動(dòng)荷載下軌道系統(tǒng)的動(dòng)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(dòng)力響應(yīng)。目前, 國內(nèi)外對(duì)地鐵隧道周圍飽和軟黏土動(dòng)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(dòng)荷載作用下將會(huì)產(chǎn)生較大的變形8-9,根據(jù)有關(guān)監(jiān)測(cè)資料, 上海地鐵 1 號(hào)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(yùn)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(yùn)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(dòng)力響應(yīng)對(duì)于地鐵的設(shè)計(jì)、施工和安全運(yùn)營具有重要意義。1 現(xiàn)場動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)      為研究地鐵振動(dòng)荷載對(duì)隧道周圍飽和軟黏土的影響, 研究中采用現(xiàn)場試驗(yàn)與測(cè)試的方法。研究地點(diǎn)選在上海地鐵二號(hào)線靜安寺站江蘇路站之間。

4、現(xiàn)場監(jiān)測(cè)采用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng), 其采樣頻率可高達(dá) 200 Hz,而精度可達(dá) 0.1 kPa, 完全可以反映周圍土體對(duì)列車振動(dòng)荷載的響應(yīng)。動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括: 電阻式傳感器, 動(dòng)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)記錄所有的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù), 可以達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的。動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行示意圖如圖 1 所示。      試驗(yàn)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(gè)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(hào)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(hào)孔, 為研究在垂直隧道軸線方向上地鐵振動(dòng)荷載隨距離的增長對(duì)隧道周圍土體影響的衰減規(guī)律, 特將 2 號(hào)孔和 1 號(hào)孔的距離設(shè)為 3 m, 3 號(hào)孔和 2 號(hào)孔的距離設(shè)為 2 m, 使其有一個(gè)遞進(jìn)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(cè)點(diǎn)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(cè)地鐵振動(dòng)時(shí)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(yùn)行速度是 60 km/h。在站停留 3045 s。由于該測(cè)點(diǎn)靠近地鐵車站, 列車進(jìn)站會(huì)相應(yīng)地降低速度, 據(jù)統(tǒng)計(jì)列車通過該測(cè)點(diǎn)的速度一般在 3040 km/h, 地鐵列車通過觀測(cè)點(diǎn)作用的時(shí)間一般為 1216 s, 在不同時(shí)段, 運(yùn)行中的地鐵列車通過觀測(cè)點(diǎn)時(shí)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(dòng)荷載傳遞到隧道管片外土層,

7、 當(dāng)?shù)罔F接近和經(jīng)過測(cè)點(diǎn)時(shí), 產(chǎn)生振動(dòng)荷載并以波的形式傳播出去, 土體將對(duì)此作出響應(yīng)。圖 4 中,水平軸為時(shí)間軸, 豎直軸為應(yīng)力響應(yīng)值, 可以非常明顯的看到當(dāng)?shù)罔F列車經(jīng)過測(cè)點(diǎn)時(shí)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?yàn)榍耙还?jié)車廂的后輪和后一節(jié)車廂的前輪經(jīng)過測(cè)點(diǎn)時(shí), 由于間距較短, 土體響應(yīng)時(shí)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(cè)點(diǎn)時(shí)引起的, 由于間距相對(duì)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(cè)點(diǎn)時(shí),引起的土體振動(dòng)響應(yīng)。      通過連續(xù)的現(xiàn)場動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè), 采集到了大量的數(shù)據(jù)。對(duì)所有波形曲線進(jìn)行分析對(duì)比之后, 找出典型的地鐵列車經(jīng)過時(shí)飽和軟黏土的響應(yīng)波形。通過對(duì)鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、分析、整理, 得出每個(gè)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(jì)值為 2.52.8 Hz, 低頻 fl 統(tǒng)計(jì)值為 0.40.6 Hz。      根據(jù)現(xiàn)場測(cè)得的

9、地鐵列車經(jīng)過時(shí)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(jì)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(dòng)力響應(yīng)變化3.1 垂直地鐵隧道軸線的水平向土體動(dòng)力響應(yīng)衰減規(guī)律      地面列車振動(dòng)隨振源距離的增加而衰減的試驗(yàn)和研究主要集中在橫向上。陳實(shí)13等的試驗(yàn)表明, 在距鐵路鋼軌 25 m 處, 振動(dòng)幾乎衰減到零, 在此距離之外, 振動(dòng)就幾乎沒有影響。其他

10、的試驗(yàn)和研究也證明此觀點(diǎn), 只是不同的環(huán)境和不同的振動(dòng)作用下, 衰減距離的數(shù)值不同而已。但對(duì)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(yàn)在垂直隧道的水平方向隨距離遠(yuǎn)近不同設(shè)有 1 號(hào)、2 號(hào)、3號(hào)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(shí), 取 13.5 m 深度作為研究對(duì)象。將多次地鐵列車經(jīng)過時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行均化處理, 整理結(jié)果如圖 6 所示。       根據(jù)大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)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(shí) , 土 體 動(dòng) 力 響 應(yīng) 值( kPa) ; K0 為隧道邊緣土體動(dòng)力響應(yīng)值 (kPa); K1 為土體動(dòng)力響應(yīng)隨距離衰減一次項(xiàng)系數(shù) (kPa/m); K2 為土體動(dòng)力響應(yīng)隨距離衰減二次項(xiàng)系數(shù) (kPa/m2); x 為距隧道邊緣距離 (m);      由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)式 ( 1) 進(jìn)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(shí)測(cè)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(shí)的影響范圍及其動(dòng)力響應(yīng)值的大小, 并可以預(yù)測(cè)與估算地鐵列車振動(dòng)荷載對(duì)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(jì)、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(dòng)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(gè)結(jié)果和地面上鐵路鋼軌動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(duì)本次試驗(yàn)沒有太大意義, 因此不作深究。3.2 不同深度的土體動(dòng)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(cè)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(dòng)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(shí)期作數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì), 其統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖 7 所示。      從圖 7 中可以看出, 在地鐵振動(dòng)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(shí)的應(yīng)力幅值>晚高峰時(shí)的應(yīng)力幅值>中午時(shí)的應(yīng)力幅值。說明早高峰時(shí)期的客流量最大, 設(shè)計(jì)與施工中計(jì)算最不利的工況時(shí), 應(yīng)當(dāng)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(dòng)荷載衰減呈現(xiàn)一定的規(guī)律。根據(jù)大量現(xiàn)場監(jiān)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)分析, 得出垂直地鐵隧道軸線的水平方向土體動(dòng)力響應(yīng)隨距離衰減關(guān)系式。利用該式可以計(jì)算出地鐵列車經(jīng)過時(shí)的影響范圍及其動(dòng)力響應(yīng)值的大小, 并可以預(yù)測(cè)與估算地鐵列車振動(dòng)荷載對(duì)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(jì)、施工提供理論依據(jù)。&

16、#160;     ( 2) 地鐵列車經(jīng)過時(shí), 土體動(dòng)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(shí)的應(yīng)力幅值>晚高峰時(shí)的應(yīng)力幅值>中午時(shí)的應(yīng)力幅值。說明早高峰時(shí)期的客流量最大, 此時(shí)隧道周圍土體處于最不利的條件下, 隧道設(shè)計(jì)及施工時(shí), 應(yīng)以此為參考值。      ( 3) 地鐵列車經(jīng)過時(shí), 隧道周圍飽和軟黏土?xí)a(chǎn)生兩種響應(yīng)頻率。根據(jù)測(cè)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(jì)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(xiàn) 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