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地铁运行对建筑物的振动影响

日期:2010年12月19日 08:33

1 前 言
    随着近年来城市化进程的加快,我国已进入大规模发展城市轨道交通的阶段,越来越多的地铁线路投入运营,人们也逐步认识到尽管地铁总体上较其他交通方式污染较少,但仍然不能完全避免对沿线周围环境的影响,特别是振动污染较其他城市交通方式更为显著,地铁引起的振动对建筑物特别是古旧建筑物的结构安全,以及其中居民的工作和日常生活产生了很大的影响。

    因此,在大规模规划建设轨道交通体系的同时,研究分析其对周围建筑物的振动影响具有重要意义。

 

2 地铁运行引起的振动及其传播

    近年来,随着城市面积的扩大和社会节奏的不断加快,地铁运行对周围环境的振动影响问题亦越来越严重。国际上早已把振动列为一大环境公害,国内外学者已着手研究地铁振动产生的原因、传播规律、对周围环境及人体的危害和控制方法[1、2、3]。

    对于轨道交通系统,由于地铁列车的移动,车轮与轨道接触引起轨道周期性的振动,以及车轮在轨道接缝处引起的冲击振动。这些振动经钢轨通过道床传到隧道结构,再通过隧道结构传递到周围的土层中,进而通过土层向四周传播,诱发了附近地下结构以及地面建筑物的二次振动。

    地铁隧道振动的传播主要以横波、纵波和表面波的形式传播,日本的ErichiTaniguehi研究表明:位于地下 2m深处的振动加速度值为地表的20%~50%;4m深处为10%~30%。可见在地铁运行产生的振动中,表面波占主要地位,对建筑物有直接影响[4]。地铁隧道振动的传播与振动频率等动力特性以及土层分布、土质、地下水、障碍物等有关,并且,由于各地域土层分布差别较大,地铁振动引起的动力响应及波的传播特性不尽相同,因此地铁运行引起的振动及其传播规律较为复杂且具有地域性。


3 地铁振动对建筑物的影响

    为缓解交通压力,地铁不得不穿过城市中密集的居民区、商业中心,而且目前都是采用浅埋方式,地铁隧道离建筑物越来越近。将来随着地铁交通系统规模的不断扩大,地铁隧道邻近建筑物的情况越来越多,同时地铁运行的总体密度逐步提高,振动的影响日益增大。

    对某城市地铁车辆段附近进行的现场测试结果表明,当地铁列车以15~20km/h速度通过时,地铁正上方居民住宅的振动高达85dB,如果地铁速度达到正常运行时的40km/h,甚至时的70km/h时,其振级应该还要大得多[4],可见列车运行引起的振动已不同程度地影响了建筑物的安全和居民的日常生活。广州地铁一号线上的一幢9层框架房屋,实测数据表明室内的Z振级为79.2~85.2dB,超出了《城市区域环境振动标准》(GB10070-88)规定的城市“混合区”,即一般商业与居民混合区昼间Z振级标准75dB、夜间72dB的要求[5、6]。

    振动对建筑物的影响,轻微的会出现墙皮剥落、墙壁龟裂、地板裂缝,严重则导致基础变形或下沉。目前,许多发达国家制定了建筑物允许的振动标准。日本规定,对于教堂、旧纪念馆的位移允许值为0.127mm,振动速度允许值v=5mm/s,振动加速度允许值为0.102g;德国也制定了根据不同的振幅或速度和频率,评估对建筑物可能造成损坏的各种情况:无损坏、粉刷出现裂缝、承重结构可能损坏、承重结构损坏[7]。但我国尚无相应的专门标准,只能参照一些相关的标准进行建筑物的振动评估。

    地铁的运行是一个长期的、每天均持续很长时间的过程,即使不足以在短时间内对建筑物产生明显的影响,长期积累之后,对建筑物的疲劳损伤、安全性能下降等方面的结果如何,都需要进行较为准确的评估。

    对地铁运行引起邻近建筑物的振动问题,除了需要研究振动对建筑物的影响及需采取的相应措施,还需研究建筑物的振动对其中人员造成的影响及需要采取的相应措施。在某种情况下,即使地铁运行引起的振动不足以影响建筑物的安全性,但由于干扰频繁,也会对建筑物内的人员产生一定的生理、心理影响。随着全社会环保意识及环境标准的提高,地铁系统的振动影响将日益引起人们的关注。


4 结 语
    系统科学地研究评估地铁系统对周围建筑物及其内部人员的振动影响,不仅有利于控制、减少振动污染,还可提供不同类型的建筑物在不同情况下应与地铁隧道保持的合理距离,为地铁系统科学合理的选线提供依据。由于该课题涉及轨道交通工程、岩土工程、结构工程、环境工程等多个学科,较为复杂,目前尚需在以下几方面加以研究:

(1)  建筑物长期轻微振动损伤评估专门标准;
(2)  地铁运行对建筑物振动影响的测试、计算、分析方法;
(3)  不同地质等条件下地铁隧道与不同结构类型、基础形式等建筑物的合理距离。

    在此基础上建立轨道交通对建筑物振动影响的评估方法,确定为减轻轨道交通系统对周边建筑物的振动影响而在规划设计中应遵循的原则,为轨道交通振动污染的降低及新建线路的规划、设计提供相应的理论依据。

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