地铁列车振动对车辆段上盖开发大平台的影响分析

地铁列车振动对车辆段上盖开发大平台的影响分析

1振动对地面及建筑物的影响由于地铁通常沿城市建设区，周边建筑密集，地铁运营后的振动对环境的影响已成为一个必然的问题。振动在地层中的传播,国内外均有学者开展相关研究。G.Bornitz提出了主要考虑地层土特性来计算地面振动传播规律的经验公式;G.Degrande采用数值计算方法研究了土中振动波的传播;T.Fujikake研究了交通车辆引起结构振动的发生机理;夏禾等针对地铁列车振动的产生、传播途径、衰减规律等进行了理论分析和测试研究。地铁列车运行时产生振动的传播路径为:车轮—轨道—隧道结构—岩土介质—地面—建筑物。考虑到节约建设投资与使用的方便性,地铁车站及区间隧道一般埋深都不大,因此传递到地面及建筑的振动不可不考虑。部分地段地铁线路在地面敷设,由于振动传递路径的减少,列车运行振动对地面及建筑物的影响更大。目前,振动评价是新建地铁规划阶段进行环境影响评价的主要内容之一,振动较大地段的工程投资很大,应引起足够重视。随着城市土地资源的日益稀缺,综合利用土地、提高土地的利用效率,已成为城市地铁建设者重点关注的问题。地铁车辆段是一条或多条地铁线路的综合维护基地,占地面积从十几公顷到几十公顷。利用车辆段运用库、检修库等面积较大的库房屋面上部空间进行物业开发,结合规划开发成住宅及公建设施,可提高轨道交通和周边土地的综合效益,带动周边地块的经济发展,完善整个区域的城市功能,是近年来地铁建设的发展趋势。我国内地的车辆基地开发由香港而起,近年来各大城市都在积极尝试。北京、深圳等地已建成某些车辆段开发项目,福州、厦门等多地正在进行相关规划设计。四惠车辆段开发是我国内地第一个大型车辆段综合开发项目,开发范围包括四惠车辆段全部用地的上空和四惠站—四惠东站区间的正线上空,开发平台面积达到29.4万m2。该项目地处北京东四环外,用地面积34.2万m2,采用了厚板转换加梁转换的结构形式,开发功能主要为多层住宅,开发住宅50.33万m2,配套公建9.94万m2。大规模的开发不能不考虑地铁运行诱发的振动对这种厚板大平台超大型结构及其上建筑的影响。笔者在前人研究的基础上,着眼于地铁车辆段上盖物业开发的业界热点,以北京地铁四惠车辆段大平台和大平台上方开发的住宅楼为研究对象,用数值模拟的方法研究大平台和住宅楼在地铁列车作用下的振动情况,并与部分实测数据进行对比,尝试探讨地铁运行诱发振动对车辆段上盖物业开发的环境影响问题。2总体地质情况四惠车辆段是北京地铁1号线和八通线的组成部分,位于四惠站和四惠东站之间,车辆段上盖设置了两层钢筋混凝土框架结构的平台板,东西长1290m、南北宽226m,距地面11.6m,平台结构下部南侧为地铁四惠站—四惠东站区间,北侧为车辆段各种功能性库房;平台上部为通惠家园多层和高层住宅楼。工程总体情况如图1所示。车辆段大平台共两层,首层为地铁车辆段和地铁区间使用空间,层高7.5m;二层为设备夹层,层高4.1m。在平台之上为住宅楼及其配套的公用设施,楼房基础直接位于平台顶面。大平台的基础形式为钻孔灌注桩,平台下方南侧的地铁四惠站—四惠东站区间为地面线,采用木枕碎石道床。本段地铁线路位于地面,于大平台下部南侧通过。研究区地形平坦,勘察揭露地层及其物理力学指标自上而下分别为人工填土层:(1)1杂填土、(1)黏质粉土素填土;第四纪冲洪积地层:(2)1粉质黏土、(2)黏质粉土砂质粉土、(3)1粉质黏土、(3)2重粉质黏土、(3)黏质粉土砂质粉土、(4)细砂。以上地层中,(1)、(2)、(3)、(4)层存在于整个工程场地;(1)1、(2)1、(3)1、(3)2层呈透镜状分布,仅存在于部分区域。3基于模型单元网格的拉格朗日方法FLAC(fastlagrangiananalysisofcontinua)是显式有限差分法程序,计算基于模型单元网格随着变形而更新的拉格朗日方法,较适用于模拟岩土体的变形问题。FLAC的计算区域划分为若干4节点平面应变单元,按照指定的本构关系,在一定的荷载和约束等边界条件下解算单元的应力应变变化。本文主要使用了FLAC的动力计算功能,并采用了“静态”边界条件来解决动力计算中振动波在边界的反射问题,从而可以分析振动中的土与结构相互作用的现象。3.1大平台内的平面应变考虑地铁列车的运动,地铁列车振动对周边环境某一特定位置的影响是由远及近发生的,是一个空间问题。考虑到地铁列车一般为4~6辆编组,长80~120m,沿地铁列车运行方向具有相当的长度;且车辆段沿地铁运行方向的尺度远大于地铁线路横断面方向,因此取地铁线路某一横断面方向作为研究对象,计算时可以将空间问题简化为平面应变问题。经分析,大平台中部为南北向5排6~9层住宅楼,楼房东西向长度远大于南北向,接近上述平面应变假定。因此取图1中虚线所示横断面作为计算断面,见图2。3.2大平台混凝土结构材料根据地层情况,计算涉及的地层及物理力学指标见表1。大平台为钢筋混凝土结构,采用相应的材料参数。计算中对于地层采用摩尔—库仑强度准则、弹塑性本构模型模拟,对于钢筋混凝土结构用线弹性模型模拟。3.3地铁列车动力学相互作用及参考点分析按照先施工、后运营振动传播的顺序进行分析,符合地铁工程实际发生的物理过程。以此确定3阶段的计算过程。1)地层自重应力场形成。计算对象为场区地层模型,载荷仅为地层重力,形成场区地层的自重应力场,以模拟场区的初始状态。2)大平台施工。计算对象为场区地层及大平台结构(含住宅楼)模型,载荷为大平台结构(含住宅楼)的自重,计算完成后即得到了场区结构施工完成后、地铁运行前地层中及结构本身的应力应变场,至此,静力计算部分完成,以模拟地铁运行前场区的状态。前两阶段模型边界条件为位移约束。3)地铁运行。在模型中地铁区间列车运行位置施加列车动荷载时程,模拟地铁列车通过时的情况,计算模型各部位的动力响应,得到地铁运行对车辆段上盖的振动影响情况。本阶段边界条件采用FLAC动力计算中的静态边界,以适应动力分析特点。采用图3所示的动荷载时程施加到模型列车运行位置处,作为数值模型的输入激励,模拟列车运行的振动效应。地铁列车动荷载的输入位置见图4,计算时长为11.1s,以模拟地铁列车通过所选取的横断面以及通过后大平台结构及上方的住宅楼的响应。为了考察与地铁线路不同距离的大平台位置的振动情况,计算中选取了大平台南端PS1(第一层)、PS2(第二层),北端PN1(第一层)、PN2(第二层)共4个参考点;为了考察与地铁线路不同距离处各幢楼房的振动情况,选取了距离地铁线路最近的A号楼房AS0~AS6(楼房各层南端)、AN0~AN6(楼房各层北端)、距离地铁线路较远的C号楼房CS0~CS6(楼房各层南端)、CN0~CN6(楼房各层北端)、距离地铁线路最远的E号楼房ES0~ES9(楼房各层南端)、EN0~EN9(楼房各层北端)共48个参考点。各参考点位置见图5。对于振动强度的比较,因为加速度有效值直接表征了振动强度,所以使用振动加速度的有效值作为比较指标。4结论分析4.1地铁列车加速度大平台南侧首层,二层端点PS1、PS2水平方向和竖直方向的加速度见图6。大平台南北两端首层,二层参考点PS1、PS2、PN1、PN2水平方向和竖直方向的加速度有效值比较见图7。从图6可以看出:两点水平方向和竖直方向的加速度随时间均呈减小趋势,反映了振动在地铁列车通过后逐渐衰减;第一层平台端点的水平振动加速度比第二层平台端点的大,图7各图中的斜线也显示了同样的结果。图6(b)表明,在竖直方向上,第一层平台端点的加速度时程与第二层平台端点的几乎完全相同,图7中的水平线也显示了同样的结果。经分析,这种现象主要是大平台框架结构的立柱抗压刚度很大,导致地铁诱发振动引起柱竖直方向的变形极为微小,竖直方向的振动在立柱两端基本一致,所以PS1点和PS2点竖直方向的加速度几乎完全相同。4.2各楼层振动强度的分布规律A楼、C楼和E楼各层水平方向的振动强度比较见图8,A楼、C楼、E楼各层水平方向和竖直方向的振动强度比较见图9。从图8可以看出:在大平台上,随着与地铁线路(振源)距离的增加,各幢楼房的振动强度在不同楼层水平方向上的分布规律并不一致,自A楼到E楼,各楼层振动强度由底层和顶层最大、中间层最小,过渡到沿楼层增高而减小。图9各图中的水平线(各幢楼房竖直方向的振动强度比较)则表明:在竖直方向上,每幢楼各层的振动强度几乎一致。产生此现象的原因是住宅楼立柱、墙体等竖向构件的抗压刚度较大,各楼层在地铁列车运行引起的竖向变形差异很小。还可以看出,各幢楼房竖直方向的振动强度比水平方向的大。由此可见,评价地铁作用下楼房的振动时,竖直方向较水平方向更为显著。5地铁与地铁背景下所有楼梯间布置的水平加速度监测为了评估地铁振动对其上建筑物的影响,研究地铁振动沿垂直于地铁线路方向及竖直方向的衰减规律,选择了惠生园16号楼为监测对象。在该楼每个楼层的楼梯间布置一个测点,对地铁运行引起的水平和竖向振动进行了测试。测点布置见图10,楼房不同楼层水平加速度监测结果见图11。从图11与对应的图8(a)对比可以看出,二者的变化规律基本相符,都是楼房一层振动较大,从一层往上的振动有衰减趋势;到楼房中间层后,随着层数增加,振动又有增大的趋势。6各楼楼内水平振动强度分布规律表1由以上分析及测试结果可以得出下述结论:1)在地铁列车通过时,车辆段上盖开发大平台两层板的水平振动强度第一层比第二层大,而两层板竖直方向振动强度几乎一致;2)随着与地铁线路距离的增加,各幢楼房的水平振