北京地下直径线运营对地铁2号线隧道结构振动影响控制标准的研究

隧道网 www.stec.net(2007-9-23) 来源：北京交通大学土木建筑工程学院

摘 要：为了评估从北京西站到北京站地下直径线建成运营后列车振动对北京地铁2号线隧道结构产生的影响，结合工程实际，从理论上分析了在列车运行引起的随机振动作用下，地下隧道钢筋混凝土结构产生疲劳破坏的机理，综合考虑了地下环境对地铁隧道结构产生的影响，并参照国内外相关控制标准，得到在地下直径线正常运营情况下，北京地铁2号线隧道结构安全及正常使用的振动控制标准。

关键词：隧道结构 振动 控制标准 疲劳损伤

0 引言

正在建设的北京站至北京西站地下直径线是连接北京站与北京西站之间的大铁路线，属于北京铁路枢纽改建工程，该线建成后，可用于铁路列车在北京繁华城区地下穿行。地下直径线全长9.156km，其中隧道全长7.230km，占线路总长的79％，线路大致成东西走向，位于北京市中心区，沿途经过崇文门、前门、和平门、宣武门、西便门、天宁寺、小马场，与既有地铁2号环线南段平行运行。图1表示了地下直径线与北京地铁2号线的平面位置关系。

直径线开通运营后在方便火车换乘和便捷交通的同时，也可能因列车运行引起的振动，对周边地表、既有地铁结构、邻近建筑物等造成不利的环境影响。由于直径线有些区段与地铁2号线车站或区间结构距离较近，最近距离仅1.45m，而且直径线属大铁路范畴，与地铁的轴重和运营密度不同，其运营后将会引起新的环境振动问题。铁路地下直径线与地铁或轻轨的对比见表1。

图1 地下直径线与北京地铁2号线平面位置关系图

表1 地下直径线与地铁(轻轨)对比

根据以往的经验及现场测试，相对于地铁列车来说，地下直径线中运行的大铁路列车引起的振动要比地铁列车大，而且再叠加上地铁列车运行引起的振动，其对周边环境的影响将更加突出。另外，地铁2号线隧道结构已经在地下环境中使用了30多年，地下水以及衬砌老化对隧道结构抗振性能的影响尚无可以参考的资料，所以需要对其进行综合的动态分析。而评估标准的制定关系到评估方案的

合理性，具有重大意义。而目前振动影响评估在国内外尚无统一标准，针对工程实际，本文对在直径线运营期间大铁路列车引起的振动对2号线隧道结构的影响控制标准做了研究。 1 隧道结构振动疲劳破坏的机理

结构在动态荷载的作用下产生的响应在宏观上主要以动态位移、速度、加速度等指标来衡量，同时结构内部会产生附加动应力和应变，当它们超过了材料或构件的某项极限值后，结构将出现不同程度的破坏现象。国内学者潘昌实和谢正光在北京地铁崇文门--前门区间进行了列车振动测试和动态响应分析的结果显示，在地铁列车运营环境下，隧道结构内出现的主拉应最大值可达0.5MPa。另外，根据miner线性累积损伤理，在连续振动荷载的作用下，结构内部产生的交变应力可能使得材料内部损伤不断累积，从而产生疲劳破坏。

疲劳是指材料在低于静载强度的循环荷载作用下所发生的性能劣化乃至失效。混凝土在浇筑、成形过程中不可避免地存在着毛细孔、空隙及材料裂隙等缺陷，在交变荷载作用下，这些缺陷部位将产生高度的应力集中，并逐渐扩展发育，形成混凝土体中的微裂纹；另一方面，混凝土体中各相的结合界面是薄弱环节，在交变荷载作用下将脱开而形成界面裂隙，并发展成微裂纹。随着交变荷载的继续作用，混凝土体中的微裂纹将经过汇集、贯通等过程而形成宏观裂缝，同时，宏观裂缝的端部又因应力集中而出现新的微裂纹，甚至出现微裂纹区，这又将发展成新的宏观裂缝或体现为原有宏观裂缝的延伸。如此反复交替，宏观裂缝必将沿着一条最薄弱的路径逐渐扩展，最终使混凝土体完全破坏，具体如图2所示。

图2 混凝土疲劳损伤和断裂破坏的物理机理

根据上述疲劳累积损伤原理，在地铁列车运营期间，处于隧道结构振动影响敏感部位的板柱交接处，底板、仰拱以及附属结构部分的钢筋混凝土构件在连续振动产生的反复荷载作用下，混凝土和钢筋的应力拉压交替变化，裂缝往复的张开和闭和，钢筋与混凝土间的粘结力方向反复交替，促使粘结破坏和滑移增大，残余变形不段积累，结构裂缝不断发展，由于隧道结构处于潮湿的环境中，必须考虑腐蚀环境对结构耐久性的不利影响。当结构宏观裂纹开展时，由于地下水的侵蚀造成钢筋的锈蚀，钢筋锈蚀后体积膨胀加剧了混凝土裂纹的开展，国外大量实验表明，钢筋在锈蚀后的体积是锈蚀前的六倍。钢筋锈蚀，进一步扩展疲劳裂纹，使得结构的耐久性下降，甚至造成结构的破坏。 2 国内外建筑结构安全振动控制标准

对于建筑物结构的安全振动控制标准，国内外目前已经陆续颁布实施了一些技术标准或法规(如中国国家标准GB6722-86，联邦德国标准DIN4150-1999，瑞士标准SN640312—1992等)。应该指出的是，由于各国在制定标准时的是在某一场地条件下，针对特定结构物进行实验取得数据的基础上加以调整而制定的一种普适标准，因而各国标准之间存在差异。

衡量建筑物所受到的影响常用的物理量为振动速度和振动频率。这是因为振动速度和振动频率与建筑物的破坏有着直接的关系，他们能直接反映建筑物的破坏烈度以及结构对振动响应时的能量大小，在建筑物的振动中起着决定性的作用。所以，这些规范大多采用建筑物的振动速度和频率相关的

限值。

2.1 ISO推荐的建筑振动标准

图3所示为国际标准ISO推荐的建筑振动控制标准。图中的振动速度采用质点峰值振动速度PPV(Particle Peak Vibration)。

图3 1SO推荐的建筑振动标准

2.2 我国规定的建筑物振动容许值[JBl6—2000]在我国，《机械工业环境保护设计规定》(JBl6-2000)对特殊建筑物的振动容许值进行了规定。表2中的速度容许值不是单一方向的速度，而是合速度。

表2 JBl6-2000影响建筑物正常使用的振动速度限值

2.3 德国标准DIN4150-3-1999

德国标准DIN4150-3-1999根据建筑物对振动的灵敏性将其分为三类，并对每类建筑物给出了振动速度上限对卓越频率的函数图线如图4。该标准规定：建筑物的振动速度应低于某一等级限值，在该限值下结构通常不会发生损伤，但若是接近相应的限值则应该进行深入的研究；稍微超越这些限值不会破坏建筑物的稳定性，但会降低建筑物的使用功能(如产生小裂缝等)。

该标准还规定：当建筑物在外荷载作用下发生非连续的间歇性振动或冲击振动时，振动的测量点应布置在建筑物的基础处，并选用测量到的三个方向速度的最大值；当建筑物在外荷载作用下发生连续振动，振动的测量点应布置在顶层楼板平面内(由外墙支撑的)的楼板中心位置处，并选用平面内的最大水平速度。

图4 德国DIN4150-3建筑物安全振动标准

表3 DIN4150-3-1999影响建筑物正常使用的振动速度限值

2.4 日本烟中元弘归纳的建筑物容许振动界限

日本烟中元弘对一些研究者提出的建筑物振动允许界限进行了归纳，针对不同的评价指标的规定如表4示。

表4 日本烟中元弘归纳的建筑物振动限值

2.5 瑞士标准SN640312-1992

瑞士标准将结构类型将建筑物分为4个不同类别，振动容许值按照质点峰值振动速度PPV来取，取三个方向振动速度的最大值。该标准考虑两组不同的振源：第一组振源M是机械、交通和施工设备；第二组振源S是冲击荷载，假定发生的机率较小，因而容许的限值较高。表5为SN640312-1992对不

同类型建筑物所规定的振动速度限值。

表5 SN640312-1992对不同类型建筑物所规定的振动速度限值

3 地铁2号线隧道结构振动影响控制标准

3.1 地铁2号线隧道结构振动影响控制标准的制定原则

① 振动影响控制指标采用峰值振动速度，因为在低频段结构对振动的响应以振动速度较力显著，而在高频段则振动加速度显著，北京地下直径线列车运营属于交通设备引起的长期近似连续性振动，对结构的影响频率主要是位于0-20Hz的低频段，所以采用峰值振动速度PPV作为控制指标。另外，振动速度能直接反映振动能量的大小，能更好的反映结构的破坏；

② 根据前述对混凝土结构累积疲劳破坏的分析，地铁2号线混凝土结构在连续振动作用下产生的破坏形式主要是疲劳破坏和构件内产生的超应力问题。地铁2号线已经运营了30多年，在列车产生的振动作用下，其混凝土构件已经存在了一定的微裂纹或裂纹，另外，地下直径线投入运营后，地下直径线铁路列车与2号线地铁列车产生振动的叠加，改变了2号线隧道结构的设计环境，势必会加大混凝土构件的疲劳破坏；

③ 大量实测资料表明，在列车运营期间，隧道底板，仰拱以及边墙等部位受到振动影响最大。对直径线在运营期间与2号线列车产生的振动的共同作用下2号线隧道结构的振动分析结果也表明(如图5、图6所示)，2号线隧道结构在柱或中隔墙与顶板交界处以及隧道底板的振动影响最为明显。而上述振动敏感部位如果出现振动疲劳裂纹将直接影响到隧道结构的正常使用极限。所以采用拾振点的振动速度作为隧道结构在正常使用状态下振动影响的控制点。图5为地铁2号线崇文门车站主体结构在地下直径线与2号线列车产生的振动的共同作用下振动速度云图。图6为地铁2号线前门到和平门区间隧道结构在地下直径线与2号线列车产生的振动的共同作用下振动速度云图。

图5 地铁2号线崇文门车站主体结构振动速度云图

④ 为衡量振动对建筑物的影响，国际上普遍根据建筑的损坏情况可以将振动对建筑的影响分为以下几类：1)对建筑基本不损坏；2)使得建筑在外观上产生微小裂纹；3)对建筑产生轻度影响(如粉饰开裂，构件出现疲劳裂纹)；4)对建筑产生严重损伤，结构出现裂缝。

图6 地铁2号线前门到和平门区间隧道结构振动速度云图

根据资料表明，在连续振动作用下，为避免建筑外观出现裂纹，建筑上的峰值振动速度应控制在2.5mm/s以内；为避免构件出现疲劳裂纹影响结构的耐久性和正常使用，峰值振动速度应不大于5mm/s；当峰值振动速度应大于10mm/s时，需要重点检查，结构内混凝土疲劳裂缝极有可能贯通，对耐久性产生很大影响。

3.2 地铁2号线隧道结构振动影响控制标准

根据上述因素的考虑，在参照国内外标准的基础上，提出了相对于地面结构偏于严格的地铁隧道结构安全及正常使用的振动控制标准，标准制定具体如下：

① 若结构振动速度峰值小于2.5mm/s，则对结构耐久性和正常使用无影响，不必采减振措施； ② 若结构振动速度峰值位于2.5-5mm/s之间，则对结构耐久性和正常使用有一定影响，但影响较小，视结构的重要性决定是否采取减振措施；

③ 若结构振动速度峰值位于5-10mm/s之间，则对结构耐久性和正常使用有较大影响，建议采用相应采取减振措施；

④ 若结构振动速度峰值大于10mm/s，则对结构耐久性和正常使用有很大影响，必采用相应采取减振措施。 4 结论

本文分析了结构振动疲劳损伤的机理；综合归纳了国内外建筑物安全振动控制标准；在对直径线与2号线在运营期间共同作用分析的基础上，提出了制定2号线隧道结构在正常使用状态下安全振动标准的制定原则；最后参照国外标准，提出了相对于地面结构偏于严格的地铁隧道结构安全及正常使用的振动控制标准。

(北京交通大学土木建筑工程学院，北京100044)

(张厚贵 刘维宁 刘卫丰 贾颖绚)

发布：秀英 审核：施文琪 田远珬 责任总编：楼如岳