第1章 绪 论
1.1课题背景和意义
随着城市的发展，规模及人口数量日益扩大，轨道交通作为一种新的城市交通方式，不仅缓解了城市的拥堵，合理的改善了城市的空间布局，也给人们带来了巨大的便利。我国第一条铁路建于 1971 年[1]，北京地区的轨道交通规划将于 2020 年达到总长 1000公里，随着地铁建设的迅猛发展，也产生了很多的问题。在规划线路的过程中往往不得不穿行于一些较敏感的建筑物，例如乌鲁木齐地铁 2 号线斜穿国家级文物保护单位人民剧场，北京地铁十九号线下穿牛街清真礼拜寺，北京地铁 4 号线下穿万松老人塔。这些线路在施工的过程中会产生地表不均匀沉降，导致地表建筑的局部倾斜，而在地铁运营产生的振动环境中，这些本已年久失修的文物建筑也变得更加脆弱。国外由于地铁振动引发的古建筑倒塌事件[2]屡见不鲜，例如 1953 年罗马著名的法尔内西纳山庄的挑檐跨落壁画开裂事故[3]，以及巴黎地铁的振动影响了巴士底狱的歌剧院演出。轨道交通虽然给人们带来了出行便捷、快速，但伴随产生的扰民振动也成为亟待解决的问题。例如北京地铁八通线在正式投入运营后收到过沿线住民的投诉；广州地铁一号线长寿路站到中山七路站的隧道沿线的居民有较大振感，晚上更强烈。据研究表明，人体对低频反应的主要现象是身体共振，振动形式多以低频为主，能够引起人体各个器官组织和系统发生病变，使人体有疲倦、劳动机能衰退等主观感觉。由于人体不同部位和系统有各自的固有频率，所以当人体承受的振动频率接近或等于某一部位的固有频率时，就会产生共振，共振使得生理效应增大。如果是重要的器官发生了共振，则人体的反应最强烈。而地铁产生的地表振动以低频为主，因此在地铁周边的居民在长期的扰动下会产生心理和生理的不适。此外，轨道交通产生的振动还会对沿线的医院、实验室等对环境有较高振动要求的场所产生影响，例如上海地铁十号线对上海音乐学院实验剧场的振动影响[4]；都柏林北线对沿线医院的影响[5]；北京地铁四号线对沿线北京大学物理实验室造成振动而影响正常的实验工作。[6]由此可见，轨道交通产生的振动干扰逐渐成为国内外亟待解决的一个问题，不仅关乎人民的生活质量，而且还与很多重要建筑的使用功能相关，国内外已经针对环境振动与噪声问题发布了评价标准，各个国家为了保护建筑免受振害干扰所施行的标准也不同。评价指标一般为：振动速度、振动位移、振动加速度。我国现行的《古建筑防工业振动技术规范》[7]标准中，以承重结构最高点处的水平振动作为评价指标，对不同材质及形式的古建筑规定了相应的限值。
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1.2国内外研究现状
1.2.1 研究方法
振动在土层中传播的规律问题可以选用不同的研究方法。常用的方法有理论解析法、数值分析法、现场实测法、经验公式法。由于解析法推导严谨，结果准确，可以对数值模拟的数据进行验证，对模拟的参数进行分析和修正。然而解析模型的建立往往在大量的简化条件基础上，对于复杂的实际工程并不能精确的求解。数值模拟可以弥补理论求解的缺点，对于复杂的工程，可以更好的保证数值的精度，但目前模型及环境参数的设定需要一定的实测依据，且模拟的计算时间投入较多，不适用于快速分析。实测法考虑了现场的环境因素，通过实测数据可以检验数值法和解析法得出的结果的合理性，但实测时地铁并未通车，而且实测的花费较为昂贵，得到的数据只具有参考性。经验公式法是建立在大量实测数据基础上的一种快速预测的办法，这种方法缺乏理论的支撑，但是计算速度快，适用于环境较理想的工程。以上几种方法各有优势，为了得到可靠、精确的数据，往往需要相辅相成，应用理论校核模型，实测检验数值模拟数据的合理性。国内外学者在上述几个研究领域取得了大量的成果。
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第2章轨道交通振动传播机理的研究
地铁列车运营期间，由于轮轨的接触不平顺、线路的起伏等原因会产生较强烈的振动，这种振动会以道床、衬砌、土层作为媒介，传播到地表。此问题的振源可以在衬砌或道床处进行监测记录得到，然而在土层中如何传播是无法追踪记录的，而且情况较为复杂，包括波的反射、叠加、土层阻尼、振源深度的变化等。这些复杂的因素会导致传播到地表上的振动在远离振源时的衰减过程中在某一位置呈现出突然放大的现象。本章从理论上对这种现象进行了分析，并得出了振动放大区的位置与振源位置及介质参数的理论关系。
2.1地表振动产生的来源
地表检测到的振动频率分布较为集中，主要为低频振动。低频振动主要由轨道交通引起，还有一部分是由背景振动引起的，在一些繁华的街道环境中其与地铁引起的振动相比甚至处于一个振动量级，对于减振降噪来说也是不容忽视的问题。轨道交通产生的振动因素主要包括车体类型、轨道不平整度、轨道的结构、车辆行进的速度等。6B 和 8A 编组列车为我国最常见车体类型，由于承载量及车体长度的不同，产生的惯性力及对轨道不平整处的冲击轮次也会不同；在轨道铺设时产生的误差及长时间使用过后的塑性变形都会引起轨道不平顺，在列车高速行进中，车轮会对凹凸处产生不断的冲击力；轨道结构由钢轨、轨枕、道床、扣件、道岔、及附属设备组成，每个部件之间的连接出现损耗，都会引起强烈的振动，同时也是交通安全隐患。背景振动成分复杂，主要有移动车辆、行人的噪声、工业机械振动、风荷载等， 因此背景振动具有随机性和位置不确定性，很难确定振源位置。
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2.2波的传播规律
振动在土中的传播会随着材料阻尼和几何阻尼的存在而慢慢衰减，并且以波的形式传播的。从震源发出的波，一种在土体中产生体积的压缩和膨胀，这种波叫纵波，又称 P 波，其质点振动方向与传播方向一致，传播速度比较快；另一种波对土体产生剪切的作用，这种波叫横波，又称 S 波，其质点振动方向与传播方向垂直，传播速度没有纵波快。当这两种波在地球内部传播到边界时，会衍生出另一种波，只沿着介质的表面传播。面波有许多类型，例如瑞利波、乐夫波等。它们的传播速度比体波慢，因此常比体波晚到，但振幅往往很大，振动周期较长。研究表明，瑞利波占环境振动的67%，而剪切波和压缩波分别占 26%和 7%。在实际工程中，若能对瑞利波进行合理的预测，采取有效的减振措施，对于减振降噪来讲具有非凡的意义。由表 2-1 可以得出，不同土层的 sinν2值均集中在 0.7，反映出瑞利波形成的角度条件，且ν2与ν1*相比偏大，即此时的入射角尚未引起入射横波的内部全反射，当ν＜ν1*时，入射横波发生内部全反射，当ν1＜ν＜ν2时，在这一区域反射纵波在时间Δt 内的移动距离与它同边界的横波移动的距离相近，纵波与引起他们的横波会发生叠加，并在ν2的入射角度的条件下产生表面瑞利波，地表振动会达到峰值，因此在这一区域地表的水平振动会有增大的趋势。ν＞ν2时，随着表面波的衰减，边界面 y=0 上的波动逐渐减小。
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第 3 章 轨道交通振动环境响应的数值模拟..... 22
3.1 FLAC3D 数值模拟 ............. 22
3.2 建立模型 ....... 22
3.3 数值结果分析 ......... 27
3.3.1 埋深对ν（放大角）的影响............. 27
3.3.2 土层对ν（放大角）的影响............. 30
3.3.3 频率对ν（放大角）的影响............. 42
3.4 本章小结 ....... 58
第 4 章 轨道交通运营振动的预测方法............. 60
4.1 评估方法 ....... 60
4.2 背景振动 ....... 71
4.3 本章小结 ....... 71
第 5 章 结论与展望 .... 73
5.1 结论..... 73
5.2 展望..... 73
第4章轨道交通运营振动的预测方法
随着城市的迅猛发展，轨道交通的出现给人们带来了巨大的交通便利，与此同时也影响着人们的生活和工作。轨道交通运营引起的振动及二次噪声不仅会使得沿线的居民产生强烈的振感，干扰他们的日常生活，还会产生心烦和不适的症状，影响睡眠和工作；还会影响周围的医院、学校等应用高精度仪器的工作及实验场所受到干扰，使得很多重要实验无法顺利进行；这种长期的扰动还会影响周边建筑的基础，造成不均匀沉降等后果；对于结构比较脆弱、敏感的文物保护单位的影响更为严重，在长期的扰动下，文物的表面会发生本体剥落、开裂，这些文物代表着历史文化遗产[55]，因此更应受到重视，住建部出版了《古建筑防工业振动技术规范》[7]，制定了相关标准。要确保在轨道交通施工及运营期间文物建筑处于安全状态，就应采取合理的预测方法作为依据。本章以评估乌鲁木齐市某轨道线运营期间对陕西大寺大殿的影响为例提出一套预测方法。
4.1评估方法
本章主要通过三种方法进行振动响应计算及检验计算结果的合理性，从而形成一套行之有效的预测方法，主要分为三种，一、采用规范方法进行评估；二、采用数值模拟与理论结合的方法进行评估；三、采用工程类比法进行评估。下面就该评估方法做简要介绍。（1）通过《古建筑防工业振动技术规范》（GB/T 50452-2008）（以下简称规范）[7]中 3.2 容许振动标准确定文物建筑结构的容许振动值。（2）根据规范中相关方法进行初步评估，判断计算结果是否满足规范要求。如计算结果小于容许值，则可直接确定文物建筑满足规范要求，地铁运营期间振动对文物建筑的影响不会造成文物建筑损坏。如计算结果不满足规范要求，需要进行数值模拟进一步分析。（3）当地铁运营期间振动值采用规范方法计算结果大于规范要求时，由于规范计算中没有考虑土层、隧道等复杂因素对振动的影响，因此需要采用数值模拟的方法进一步的计算分析。该评估方法是根据北京地铁 10 号线实测振源荷载作为地铁通过时的振动荷载，采用有限差分软件 FLAC3D进行模拟计算。将所得的结果与理论衰减规律进行校核，检验其方法的准确性。（4）采用工程类比法对数值模拟计算结果进行校核，确定其合理性。通过以上评估方法，判断地铁运营期间对文物建筑的振动影响是否满足规范要求，得出评估结论，为地铁建设提供指导依据。
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结论
（1）本文提出放大角度是判断轨道交通振动的地表速度响应放大位置的重要指标，经过 matlab 计算得出大多数岩土体的这一角度范围 37°＜ν＜45°，这一角度适用于北京地区的中软土地质。在这一角度范围内的地表区域处于振动放大区。
（2）随着埋深的加大，地表水平振动响应成比例衰减，同时振动放大区距两隧道中心线的距离也增大，两者呈现一种恒定的比例关系，近似于 1：1。埋深对于ν角的影响并不大。
（3）固定埋深的情况下，单一土层的情况下，土体越软，地表水平振动响应越大。当考虑分层情况时，地表水平振动响应取决于两种土的等效波阻抗，等效波阻抗越大，产生单位振动速度所需应力就大，地表振动响应就越小；反之，波阻抗小，产生单位振动速度所需的应力就小，地表振动响应就越大。通过加权对分层土体进行波阻抗的等效计算时，对于结构所在层岩土体的波阻抗低于上覆岩土体的波阻抗时，通过等效计算的波阻抗所表征的土体综合耗能机制是偏安全的。无论是分层土体还是单一土体，最终的计算结果表明土质的变化对地表水平振动放大角度ν的影响很小。
（4）随着频率增大，地表的水平振动响应逐渐减小，这种规律土质越硬体现的越明显，且振动放大区有向隧道中心线偏移的趋势，即角ν增大。当荷载振源频率逐渐远离三种土的自振频率时，地表振动速度响应虽出现分化，但都处于很低的水平，因此不存在明显的放大现象，因为高频振源处的大部分能量被土体的挤压和摩擦而消耗，加速度响应的分化也不明显。实际工程中的振源频率分布复杂，但都是上述振动的一种叠加效应，反应在地表上的形式以低频的振动为主。
（5）本文提出了一种结合规范、理论、数值模拟及工程类比的预测方法，首先采用规范进行初算，若不结果通过规范限值，采取数值模拟的方法结合理论校核调整模型，得出合理的地表水平振动速度，通过现场实测或工程类比法求得承重结构最高点处相对于地表的放大系数，将得到的系数与模拟的结果组合，得到的最终结果与类似工程的实测数据做对比检验结果的合理性。
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参考文献（略）