地铁振动荷载作用下隧道周围饱和软黏土动力响应研究

1、地铁振动荷载作用下隧道周围饱和软黏土动力响应研究        张曦  唐益群  周念清  王建秀  赵书凯 摘要: 以上海地铁二号线静安寺站- 江苏路站区间隧道周围饱和软黏土为研究对象, 通过对隧道周围不同位置、不同深度土体中预埋土压力盒和孔压计, 进行现场连续动态监测, 对地铁振动荷载作用下饱和软黏土的响应频率、土体响应应力幅值随距离地铁隧道远近以及土体响应应力幅值随深度的变化进行研究, 并提出了土体动力响应衰减公式, 利用该式可以计算出地铁列车经过时的影响范围及其动力响

2、应值的大小, 可以预测与估算地铁列车振动荷载对周围建筑物的影响情况, 为地铁设计、施工以及安全运营提供有价值的。关键词: 地铁隧道; 振动荷载; 饱和软黏土; 动力响应       地铁作为一种安全、舒适、高速的工具, 在城市中必不可少。但是, 地铁列车在行驶过程中引起的振动问题是不容忽视的。有很多模型被用来分析地面上列车荷载作用下产生的地面振动1-4。5-7中研究了在列车振动荷载下轨道系统的动力响应, 但其只研究了地基上部结构的响应, 并未研究土的动力响应。目前, 国内外对地铁隧道周围饱和软黏土动力响应的研究尚未见到。然而, 饱和软

3、黏土在地铁列车长期振动荷载作用下将会产生较大的变形8-9,根据有关监测资料, 上海地铁 1 号线隧道在某些区段出现较大的轴线变形和地面沉降量10, 给地铁列车的正常运营带来了一定的影响。地铁隧道的轴线变形和地面沉降直接关系到地铁的安全运营问题, 而其沉降变形首先始于孔隙水压力的变化及其土体应力的变化11-12。因而, 研究地铁隧道周围土体的动力响应对于地铁的设计、施工和安全运营具有重要意义。1 现场动态监测      为研究地铁振动荷载对隧道周围饱和软黏土的影响, 研究中采用现场试验与测试的方法。研究地点选在上海地铁二号线静安寺站江苏路站之间。

4、现场监测采用动态监测系统, 其采样频率可高达 200 Hz,而精度可达 0.1 kPa, 完全可以反映周围土体对列车振动荷载的响应。动态监测系统包括: 电阻式传感器, 动态应变放大器, 数据采集器和电脑。该系统通过计算机系统记录所有的采样点数据, 可以达到实时监测的目的。动态监测系统运行示意图如图 1 所示。      试验布孔采取折线式布孔方式 ( 如图 2) 。平面上, 在地铁隧道平行向和垂直向分别布设 3 个钻孔,钻孔直径为 110 mm, 布孔位置距静安寺地铁车站隧道出口处的距离为 210 m。与地铁隧道轴线平行方向的钻孔为 3、4、5

5、 号孔, 钻孔孔距为 15.0 m, 距地铁隧道管片外侧仅 1.8 m; 垂直地铁隧道轴线方向的钻孔为 1、2、3 号孔, 为研究在垂直隧道轴线方向上地铁振动荷载随距离的增长对隧道周围土体影响的衰减规律, 特将 2 号孔和 1 号孔的距离设为 3 m, 3 号孔和 2 号孔的距离设为 2 m, 使其有一个递进的过程。在剖面上, 由于地铁隧道位于第层灰色淤泥质黏土层中, 故将监测点放置于第层, 土压力盒分别埋设在 8.5 m、11.5 m 和 13.5 m 深的位置, 土压力盒的传感器朝向地铁隧道, 以观测地铁振动时的响应特征。地层分布及仪器埋设如图 3 所示。2 土体响应频率 

6、60;    上海地铁列车共 6 节车厢, 整车长 139.46 m, 正常运行速度是 60 km/h。在站停留 3045 s。由于该测点靠近地铁车站, 列车进站会相应地降低速度, 据统计列车通过该测点的速度一般在 3040 km/h, 地铁列车通过观测点作用的时间一般为 1216 s, 在不同时段, 运行中的地铁列车通过观测点时间间隔不等, 一般为 36 min, 上下班高峰期每趟车间隔约为34 min。      地铁列车每节车厢有前后两组车轮, 地铁列车荷载通过轮轨- 管片系统将振动荷载传递到隧道管片外土层,

7、 当地铁接近和经过测点时, 产生振动荷载并以波的形式传播出去, 土体将对此作出响应。图 4 中,水平轴为时间轴, 竖直轴为应力响应值, 可以非常明显的看到当地铁列车经过测点时的波形。由于每节车厢中的荷重不同 ( 乘客多少不同) , 不同荷重引起的土体响应的幅度不同; 荷重的间距 ( 即轮组间距) 不同引起土体响应的频率不一样, 因而从图中可看到两种频率 ( 图 4) , 称为高频 fh 和低频 fl, 高频的产生主要是因为前一节车厢的后轮和后一节车厢的前轮经过测点时, 由于间距较短, 土体响应时间较短引起的。低频的产生主要是由于每节车厢的前后轮经过测点时引起的, 由于间距相对较大, 所以频率较

8、低。在响应波形图中, 可以很清楚的找出每组车轮经过测点时,引起的土体振动响应。      通过连续的现场动态监测, 采集到了大量的数据。对所有波形曲线进行分析对比之后, 找出典型的地铁列车经过时饱和软黏土的响应波形。通过对钻孔数据进行汇总、分析、整理, 得出每个钻孔位置处土体 ( 第层淤泥质黏土) 响应频率, 其整理结果如图5 所示。从图中可以看出地铁列车经过钻孔位置处所引起的频率, 高频 fh 统计值为 2.52.8 Hz, 低频 fl 统计值为 0.40.6 Hz。      根据现场测得的

9、地铁列车经过时隧道周围土体的两种响应频率, 配合上海地区软黏土的自身固有频率, 在地铁隧道设计中采用相应措施, 避免两者相近或相同而产生共振, 造成地铁隧道失稳、管片开裂等各种工程性灾害。1         3 土体动力响应变化3.1 垂直地铁隧道轴线的水平向土体动力响应衰减规律      地面列车振动随振源距离的增加而衰减的试验和研究主要集中在横向上。陈实13等的试验表明, 在距铁路钢轨 25 m 处, 振动几乎衰减到零, 在此距离之外, 振动就几乎没有影响。其他

10、的试验和研究也证明此观点, 只是不同的环境和不同的振动作用下, 衰减距离的数值不同而已。但对于地铁隧道而言, 深埋于半无限土体中, 其衰减要大于地表。本次试验在垂直隧道的水平方向随距离远近不同设有 1 号、2 号、3号孔, 其距离地铁隧道边缘分别为 6.8 m、3.8 m、1.8 m。为了找出比较明显的衰减规律并且尽量避开其他因素的干扰, 在作研究分析时, 取 13.5 m 深度作为研究对象。将多次地铁列车经过时的数据进行均化处理, 整理结果如图 6 所示。       根据大量监测数据的统计结果, 可以得出垂直地铁隧道轴线土体响应随距离衰减关

11、系, 见式 ( 1) :p=K0- K1x- K2x2 (1)      式中: p 为 地 铁 列 车 经 过 时 , 土 体 动 力 响 应 值( kPa) ; K0 为隧道边缘土体动力响应值 (kPa); K1 为土体动力响应随距离衰减一次项系数 (kPa/m); K2 为土体动力响应随距离衰减二次项系数 (kPa/m2); x 为距隧道边缘距离 (m);      由实测数据对式 ( 1) 进行拟合, 可得到各参数值: K0=1.3526; K1=0.0321; K2=0.0077。&#

12、160;     将各参数代入式 ( 1) 中, 即可得到:p=1.3526- 0.0321x- 0.0077x2 (2)      式 ( 2) 为本次实测垂直地铁隧道轴线的水平向土体响应随距离衰减关系式, 其中 x 取值范围为 011.33 m。利用该式可以出地铁列车经过时的影响范围及其动力响应值的大小, 并可以预测与估算地铁列车振动荷载对周围建筑物的影响情况, 还可以为地铁隧道附近建筑物设计、施工提供理论依据。      从图 6 中可以看出, 随着

13、距离的增加, 地铁振动荷载衰减呈现一定的规律性。由式 ( 2) 得出其影响范围为 11.33 m。这个结果和地面上铁路钢轨动荷载的影响范围相比, 相差较大, 除了土质方面的因素外, 主要原因还是随着深度的增大, 土的剪切模量和阻尼增大, 使得动荷载在传播过程中迅速衰减, 直至消失。在沿地铁轨道方向上由于有钢轨、整体道床和隧道管片的连接, 刚度比垂直地铁隧道方向上要大很多, 则振动衰减的距离相应地要比垂直地铁方向上大, 但在此方向的研究对本次试验没有太大意义, 因此不作深究。3.2 不同深度的土体动力响应规律      在隧道顶端、中轴线方向、以

14、及隧道底部都埋设有传感器。早期的静态测试结果表明, 随着深度的增加, 越靠近隧道底部的震源, 土压力大致呈线性增长。在地铁振动荷载条件下, 为了更清楚的找出应力幅值与深度之间的关系, 选取人流高峰时期作数据统计, 其统计结果如图 7 所示。      从图 7 中可以看出, 在地铁振动荷载作用下,8.5 m 深处土体响应应力幅值最大变化为 0.23 kPa; 11.5 m 深处土体响应应力幅值最大变化为 0.70 kPa;13.5 m 深处土体响应应力幅值最大变化为 1.15 kPa,土体响应应力幅值的变化与深度大致呈线性关系。而且, 还可以发

15、现: 早高峰时的应力幅值>晚高峰时的应力幅值>中午时的应力幅值。说明早高峰时期的客流量最大, 设计与施工中计算最不利的工况时, 应当采用这一数据作为依据。4 结 论      ( 1) 在垂直地铁隧道轴线上, 随着距地铁隧道距离的增加, 地铁振动荷载衰减呈现一定的规律。根据大量现场监测资料统计分析, 得出垂直地铁隧道轴线的水平方向土体动力响应随距离衰减关系式。利用该式可以计算出地铁列车经过时的影响范围及其动力响应值的大小, 并可以预测与估算地铁列车振动荷载对周围建筑物的影响情况, 还可以为地铁隧道附近建筑物设计、施工提供理论依据。&

16、#160;     ( 2) 地铁列车经过时, 土体动力响应应力幅值的变化与深度大致呈线性关系。而且, 早高峰时的应力幅值>晚高峰时的应力幅值>中午时的应力幅值。说明早高峰时期的客流量最大, 此时隧道周围土体处于最不利的条件下, 隧道设计及施工时, 应以此为参考值。      ( 3) 地铁列车经过时, 隧道周围饱和软黏土会产生两种响应频率。根据测得的这两种土体响应频率以及土体自身的固有频率, 在上海软黏土地区地铁隧道设计中采用相应措施, 避免两者相近或相同而产生共振,造成地铁隧道失稳、管片开

17、裂等各种工程性灾害。 参 考 文 献 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