地铁列车运行诱发的振动对环境的影响研究

摘要

伴随国内经济的迅速崛起和城市规模的日益扩大，城市轨道交通日益成为解决城市交通拥堵问题的首选之策。地铁以其便利高效、舒适安全、空气污染小等优势，得到迅猛发展。但与此同时，地铁运营诱发的振动对环境的影响也越来越成为人们所普遍关注的问题之一，众多事实证明，部分地铁线路对人体的身心健康、建筑物的结构安全及对精密仪器的正常使用都产生了很大的影响。是以，不能轻视地铁运营中产生的振动污染。研究地铁诱发的大地振动传播规律和建筑物的振动响应情况对地铁建设和减振降噪设计有着非常重要的意义。
　　本文以某市地铁三号线地质勘查报告为依托，通过建立三维有限元模型，数值模拟和理论分析研究了软土基中地铁振动的传播衰减趋势，以及振动对建筑物的影响。本文围绕以上主要内容，进行了系统的分析研究。
　　利用连续弹性基础双层轨道梁模型结合MATLAB软件，采用快速傅立叶变换法求解作用于隧道基底的激励载荷，将其施加到三维仿真模型分析地铁引起的振动传播。
　　采用仿真分析软件ANSYS建立“土层-隧道”三维仿真模型，模拟自由场地表面在列车激励载荷作用下的振动响应，分析比较了不同列车时速、不同隧道埋深、不同轨道不平顺等级等工况下，距振源不同间距的地面点的振动传播和衰减规律，得到一些结论。地面点的振级随与振源间距的增大而下降，并在距振源一定间距处会出现振动放大现象，这主要是受到地质状况、激振频率、埋深等的综合影响。在传播过程中，高频振动比低频振动衰减的快。
　　地铁振动响应存在一临界速度，当运行时速小于临界速度时，地铁引起的大地振动响应随着时速的上升而增强，但当列车时速大于此临界速度时，振动响应随着时速的上升而减弱。
　　地面点的振动响应随隧道埋深的加大而减弱；随线路不平顺等级的降低而增强。
　　双线并行区间隧道列车同时通行引起的自由场地表面振动规律同单线隧道列车通行引起的基本一致，前者振动强度略大于后者。随着两并行区间隧道中心间距的增大，振动逐渐减弱，但由于振动反弹区位置有所改变，部分地段振动随间距的增大而增强。
　　通过有限元软件 ANSYS建立“土层-隧道-建筑物”三维一体模型，采用瞬态计算模块，计算分析了不同列车时速、不同隧道埋深、建筑物距隧道中心不同距离等工况下建筑物各楼层的振动响应情况，得出了建筑物各楼层在地铁列车激励荷载作用下的振动传播和衰减规律。地铁运行诱发的上部结构的竖向振级大体上随楼层的增大而增强，但各楼层间差值不大，表现为整体运动；楼层的振级随地铁运行速度的提升而增强；随隧道埋深的加大而减弱；随建筑物与振源间距的增加而减弱，但在距隧道中心一定位置处会出现振动反弹现象；随建筑物墙板尺寸的增加，各楼层振动响应明显减弱；基础桩径对振动响应也有影响，但非常小。
　　地铁列车引起的振动从钢轨传播至道床，再传播到隧道结构上，振动逐渐减弱，但振动能量的衰减主要发生在“钢轨-道床”阶段。

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1 绪论

1.1 引言

1.2 国内外研究现状

1.3 本文所做的工作

2 振动响应分析的基本理论及振动评价

2.1 波的分类

2.2 振动波在理想弹性介质中的传播和衰减规律

2.3 弹性动力学有限元算法

2.4 振动的评价

2.5 轨道不平顺功率谱及数值模拟

2.6 本章小结

3 沿海某市地铁三号线的振动传播规律

3.1 研究区工程地质条件

3.2 振动计算模型的建立

3.3 “隧道—土层”三维模型的建立

3.4 计算结果分析

3.5 本章小结

4 地铁列车引起的上部建筑物的振动响应分析

4.1 计算模型的建立

4.2 计算结果分析

4.3 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 本课题今后需进一步研究的内容

致谢

参考文献

攻读学位期间研究成果