地铁列车振动对盾构隧道结构影响试验研究

秦银刚, 黄海峰

(1.天津市地下铁道集团有限公司，天津 300392；2.西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都 610031)

0 引言

近些年来，由于我国城市规模不断扩大，城市轨道交通也在快速发展，地铁作为一种在运量、速度以及能耗等方面有着巨大优势的交通方式，在解决城市交通问题方面具有极其重要的作用。由于地铁运营载客量大、运行时间长，列车振动问题不可避免地会对隧道结构及周围环境的安全稳定产生一定的影响，尤其对粉土及软土地区更为明显，所以列车动载作用引起的盾构隧道动力响应问题的研究是工程技术人员关注的重点。

列车动载作用下的隧道振动问题，自上世纪60年代起便引起了国内外学者的重视。VERHAS[1]、KURZWEIL[2]等初步讨论了地面运行的列车或地铁诱发振动的传播规律；英国学者[3]1982年分别对伦敦和柏林的地铁振动响应开展了现场测试，得到了列车振动谱；2006年，欧盟科研项目CONVURT[4]对地铁运行引起的隧道结构振动响应进行了多次现场试验与分析，得到了列车中低速运行隧道壁、仰拱的动力响应幅值与车速正相关的结论，但受限于工程条件，试验列车最高时速仅为50 km/h；YANG[5]结合离心机试验和数值模拟得出了隧道内部结构受冲击振动载荷的动力响应特征。在国内，潘昌实[6]等对北京地铁开展了现场实测研究，获得了70 km/h车速下隧道结构部分监测点的动态响应状态；张玉娥[7]等对北京地铁进行了现场测试，得到了轨道振动加速度的数学表达式；凌昊[8]等对深圳地铁展开现场测试，得到了重叠隧道典型断面列车振动荷载的数学表达式；韦凯[9-10]等通过建立车轨耦合动力模型，研究了软土动刚度对隧道结构的影响规律；THUSYANTHAN[11]等得到了隧道结构中振动能量的传播规律；王祥秋[12-13]等建立了列车振动荷载分析模型，研究了隧道衬砌结构在不同断面形状下的动力响应规律，并对京广铁路隧道开展了列车振动现场测试验，得出了隧道结构动力频响特征。莫海鸿[14]等采用三维动力有限差分法，考虑盾构管片特征因素，获得了运营期的深厚软土层盾构隧道动力响应规律。田甜[15]等进行了高速铁路隧道衬砌振动响应的现场试验，结果表明隧道振动响应随列车速度的增加而呈增大趋势。曹志亮[16]等对南京地铁列车荷载下的隧道振动进行了现场实测，建立了列车-轨道振源模型和隧道-地层三维有限元模型，获得了隧道结构振动的响应规律。

综上所述，对于地铁振动影响的研究已取得一定成果，但对于实际运行列车在不同速度、不同载客量等运营工况下造成的盾构隧道振动影响现场实测研究还较少。本文根据天津地铁5号线区间隧道液化地层特征，采用现场测试和数值模拟相结合的方式，研究地铁运营条件下列车动载对液化地层区间隧道结构振动的影响规律。论文研究成果对隧道衬砌结构的动力安全稳定性及结构安全设计理论提供一定的指导意义。

1 依托地铁区间概况

a.天津地铁测试区间。

现场试验对象为天津地铁5号线建昌道站至金钟河大街站区间盾构隧道。该区间隧道是天津市交通网络中一条于南北方向贯穿市区的轨道交通主干线，沿线两侧建筑物密集，居民楼、文教区等振动敏感点较多。建昌道站至金钟河大街站盾构区间长度941.3 m，隧道底板埋深15.80～23.39 m，衬砌采用单层衬砌结构，衬砌厚度350 mm，盾构内径5.5 m，外径6.2 m，衬砌环全环由小封顶F、2块邻接块L和3块标准块B构成，如图1所示。隧道洞身范围内围岩主要以粉土、粉砂为主，上覆粉质黏土、粉土与杂填土。

图1 盾构断面图(单位：mm)

b.轨道参数。

根据天津地铁隧道勘察资料，市区内设计时速一般为80 km/h，轨道主要参数为：①钢轨：正线采用60 kg/m、U75V钢轨；②轨距：1 435 mm；③轨枕铺设数量：地下线正线按1 680根/km铺设；④扣件类型：天津地区既有和新线项目均采用弹性分开式扣件，包括DTVI2型、ZX-2型和TSD2型扣件，扣件节点垂向静刚度20～40 kN/mm；⑤道床类型：长枕埋入式整体道床及减震段钢弹簧浮置板道床。

c.试验列车。

天津地铁5号线车辆为符合《地铁限界标准》(CJJ/T96-2018)车辆限界的B2型地铁车辆。列车采用四动二拖固定编组，每列车由2辆拖车和中部4辆动车组成，整车长度118.8 m，整车首尾轴距112.4 m，列车编组如图 2所示。其中拖车(Tc)空车重约为32 t， 动车(M、 Mp)空车重约为35 t。

图2 试验列车编组图

2 现场试验

2.1 测试断面与测点布置

针对列车动载条件下的隧道振动响应测试，试验断面应考虑线路埋深、线形、隧道断面、地质条件、线路管线、列车运行速度等因素。测试区间建昌道站至金钟河大街站区间里程为：右线DK13+160.189～ DK14+101.485，根据试验设计考虑在列车不同时速断面进行测试，选取右DK+200、右DK+300及右DK+500里程断面开展地铁列车振动现场测试，如图3所示。

图3 现场试验测试断面线路平面位置

如图4所示，振动测点分别布置在3个监测断面处，每个断面设置4个测点，其中测点1用于测试线路中央轨道板表面的竖向加速度，测点2用于测试线路外侧钢轨下方轨枕的竖向加速度，测点3和测点4分别用于测试隧道壁拱脚及拱腰的竖向加速度，编号为A1～A4。

(a)横断面

2.2 试验荷载及试验仪器

天津地铁5号线列车为唐山机车厂生产的B2型车辆。

试验测试开始前，传感器与采集仪均经过标定(见图5)。试验数据采集仪为东方振动和噪声技术研究所制造INV3062T型24位智能采集仪，采样参数如下：采样频率10 240 Hz，采样滞后秒数10 s，采样触发比例0.2%，最小触发量0.02g，采样时长60 s。轨道板及轨枕振动使用TST120A500压电加速度计测量，隧道壁振动采用LC0115压电加速度计测量。

(a) 采集仪

动态采集设备进行测试数据的显示和存储。试验在列车营运条件下，设置数据采集仪采样模式为离线采样-自动触发模式，确保可在当日对所有时刻经过测试断面的列车激振下结构响应进行有效采集。

2.3 测试工况

a.列车时速。

本试验中列车在所研究盾构区间内运行时速由天津轨道集团公司提供，数据范围从列车启动时至列车完全停止，列车单次区间行驶时长约为90 s。如图6所示，为试验列车正常运行状态下某日某时段在目标区间内运行速度与位移实测值。地铁列车采用ATO自动驾驶系统，可以精确控制列车的速度、加速度，保证每趟列车在区间内具有相同的行驶过程。

图6 列车运行速度与位移时程图

由图6列车运行速度时程可得，列车在区间内正常运行状态下一共经历5个行驶过程：匀加速—匀速—匀加速—匀速—匀减速。本试验3个测试断面分别距离列车区间起始里程50、150和350 m，由列车运行速度与位移关系可得到通过测试断面1、测试断面2和测试断面3的列车瞬时速度为37.9、50.2和68.3 km/h。其中列车在通过测试断面1、断面2时分别处在2个不同的加速过程中，在通过测试断面3时列车为匀速状态。

b.载客状态。

列车在本次现场试验过程中的实际运营载客状态，通过天津轨道交通集团运营公司清分中心管理的AFC系统自动监测进出站客流量，得到在测试时间内典型运行时段的目标区间断面客流情况，其中工作日及休息日代表性区间客流情况见表1。

c.道床形式。

本试验测试区段共涉及到2种不同道床类型，分别为：盾构区间中部一般地段采用钢筋混凝土长轨枕式整体道床，及特殊减振地段采用钢弹簧浮置板道床。本试验中，测试断面1为钢弹簧浮置板道床，测试断面2、断面3为整体道床。试验现场道床形式见图7。

表1 建昌道-金钟河大街区间测试断面客流情况Table 1 Passenger flow between Jianchang Road-Jinzhonghe Street test section试验时间时间段上行断面客流数据/人5:40-6:000某工作日7:10-7:309897:55-8:151 36417:20-17:406265:40-6:0007:10-7:30359某休息日11:50-12:1030617:50-18:1038822:50-23:1042

(a) 长轨枕式整体道床

3 现场试验结果与分析

试验过程中每天通过各测试断面列车有100余组，每趟列车荷载结构响应的测试时间60 s，一共采集到有效列车激励684次，包含4个测点所测量的2 736条加速度记录。

3.1 加速度时程记录

为直观分析盾构隧道结构在列车动载条件下的竖向振动响应特性，给出了试验列车在匀速行驶段通过测试断面3时，地铁轨道结构及隧道衬砌竖向加速度时程曲线，图中记录对应的列车运行工况时速约为68 km/h，载客量约为1 000人。从图8中可以看出在列车匀速行驶工况下，时程曲线具有7个波峰，其中首尾波峰峰值较小，中部5个峰值大致相同，这与列车编组和轮对轴重分布方式是一致的。同时，可以看出测点越靠近轮轨激振的振源结构，所记录的加速度曲线波峰越明显。幅值方面，钢轨下方轨枕处测点2记录到4个测点中的最大值为0.56g，随后依次为轨道板测点1、隧道壁拱脚测点3和隧道壁拱腰测点4，分别为0.39g、0.13g和0.10g。

(a) 测点1加速度时程

在试验过程中，记录了列车以低速行驶状态经过测试断面1的加速度记录，其对应的列车到达断面时速约为12.7 km/h，列车加速度为1.3 m/s2，载客量约为360人。图9给出了该工况下的测点加速度记录，可以看出在匀加速过程中，每个由列车轮对冲击荷载所引起的波峰峰值逐渐增大，且相对于列车高速行驶状态，低速状态下激振响应持时较长。对比该工况下4个测点幅值，发现2个隧道结构测点加速度响应远小于轨道结构测点响应，其中测点1、测点2的时程记录峰值为0.47g、0.78g，而测点3、测点4时程记录峰值为0.027g、0.024g，其原因在于测试断面1所在区段为车站与盾构区间过渡段，采用钢弹簧浮置板减振道床。试验数据验证了该减振道床对减弱列车动载对隧道结构及周围环境的振动影响起到显著作用。

3.2 加速度振动响应频谱特性

列车荷载下对轮轨及周围结构的影响因素包括列车速度、轮轨接触面状态、轨道不平顺性以及沿线轨道及道床的刚度变化等[16]。研究表明，轮轨竖向荷载集中在3个频率范围[17]：①低频范围：0.5～5 Hz，由车体对悬吊部分的相对运动产生；②中频范围：30～60 Hz，由于簧下轮对质量对钢轨的回弹作用产生；③高频范围：200～400 Hz，由于钢轨在运动时受到轮轨接触面的抵抗而产生。

图9显示由通过测试断面3的具有相同试验工况的20组列车测试记录的傅里叶谱均值，具体工况为列车匀速行驶、时速约68.3 km/h、载客量约为1 000人。

(a) 测点1加速度时程

图10显示各测点垂向振动加速度主要特征频段体现在中、高频范围，分别为40～70 Hz和200～450 Hz，测点2得到的钢轨下轨枕垂向振动响应因受到直接的轮轨接触作用而在高频段350～450 Hz更为显著。隧道壁的响应谱值远远小于轨道结构，且与列车行驶中线的空间距离呈负相关。这些试验结果与前人研究结论相符。

(a) 测点1加速度频谱

3.3 列车速度影响

为探究列车速度对轨道结构和盾构隧道垂向振动响应的影响，选取相似载客条件下以不同速度通过测试断面的行车加速度实测记录均峰值，分别对一般整体道床区段和特殊减振区段进行分析，如图11所示。

由图11可知，当列车以不同速度穿越隧道断面时，所引起的隧道内轨道结构与衬砌竖向加速度总体呈现出随车速的增加而增大的趋势；具有竖向振动加速度沿衬砌拱圈有拱脚幅值大于拱腰的特征；轨道结构垂向振动峰值对列车时速更为敏感，对于减振段和一般段测试断面，列车时速的增加均会引起轨道板及轨下轨枕响应的大幅增加；相比于轨道结构，隧道衬砌垂向振动峰值随行车车速增加而增大的趋势较小，在50～70 km/h以内的中低速地铁列车运行条件下，不同车速对隧道衬砌竖向振动响应影响不大。关于道床类型不同对盾构隧道垂向振动造成的不同响应方面，减振段内隧道结构振动响应均峰值低于轨道结构均峰值的1/10；减振段隧道衬砌竖向振动均峰值约为一般段隧道衬砌的1/3，由此可知减振道床对隧道衬砌竖向加速度的幅值有非常明显的减弱作用。但注意到即使在列车低速行驶状态下，特殊减振段内轨道结构的垂向振动均峰值仍显著高于一般段内轨道结构，说明钢弹簧浮置板道床虽然可以有效降低因列车运营而造成的对车站、盾构隧道和周围环境的振动影响，但这对减振区段内钢轨及轨下结构的可靠性及稳定性都提出了更高的要求。

图11 不同速度下各监测点加速度峰值图

3.4 载客状态影响

为研究列车载客情况对轨道结构及盾构隧道垂向振动响应的影响，选取列车在工作日不同时段匀速通过测试断面3的行车加速度实测记录均峰值，再将列车从空载至工作日高峰载客量分为5组典型载客工况，如表2所示。并按客流情况选取对应载客量的共52组加速度记录，以每组实测加速度的均峰值进行分析，如图12所示。

表2 试验载客工况Table 2 Test passenger loading conditions载客量/人拖车车重/(t·辆-1)动车车重/(t·辆-1)03235300(座席载客量)353860038411 00042451 400(定员载客量)4649

图12 不同载客工况下加速度峰值

由图12可知，当列车以额定最高速度68 km/h匀速通过测试断面时，所引起的轨道结构及隧道衬砌竖向加速度表现出随载客量增加而增大的趋势，但总体来看对振动响应的影响比较有限，几种不同载客情况下的结构动力响应幅值差别较小；列车载客量对轨道结构产生的振动响应影响大于对隧道衬砌所产生的响应。

4 结 论

根据天津地铁5号线现场测试分析，研究结果揭示了地铁列车振动荷载在区间轨道结构和隧道衬砌中表现出一定的动力反应规律。其主要结论有以下几个方面：

a.列车运营引起的盾构区间垂向加速度响应主要分布在40～70 Hz和200～450 Hz这2个频率范围。各测点加速度时程曲线具有多个波峰形态，与列车轮对分布形式一致。

b.试验结果表明地铁列车以不同速度通过隧道断面时，引起的轨道结构及隧道衬砌振动加速度响应幅值均随列车车速的增大而增大；垂向加速度幅值由拱脚至拱腰具有下降趋势；相比于隧道衬砌，轨枕及轨道板处垂向振动响应幅值对列车速度的影响更为敏感，幅值随列车速度变化而一同变化更为显著。

c.道床类型对盾构区间内轨道结构及隧道衬砌竖向振动均有十分明显的影响，弹簧浮置板道床能有效减弱由列车动载引发的隧道衬砌加速度响应，但使轨枕及轨道板处的垂向振动大幅增强，这对特殊减振段轨道结构的可靠性提出了更高要求。

d.盾构区间轨道结构、隧道衬砌振动响应幅值与列车载客量正相关，相比于列车速度因素，载客量变化对垂向加速度峰值影响较小；可轨道结构较隧道衬砌对载客量变化所产生影响更敏感。