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

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1、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

2、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

3、.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。

4、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

5、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

6、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

7、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