层状介质中地下高速铁路诱发环境振动对古建筑安全影响评估及控制研究

In order to reduce urban land occupation, avoid the distress from building demolition,the ground high speed railway will be gradually replaced by the underground high speed railway, and the underground high speed railway will become the new tendency of development of the high speed railway, for this reason that the studies of the safty assessment and control for the ancient constructions caused by the underground high speed trains will be a new study field on the high speed railway. Analysis for the structural vibration of ancient building induced by underground high speed railway involved a complex system, including vehicle, rail, subgrade, ground, ancient building, etc. In order to assess the vibration influence of ancient building and find the most cost-effective methods to reduce the vibration pollution, the numerical model will be set up,which is composed of two parts, including the vehicle-track-subgrade coupling system and the ground -ancient building coupling system. First, the first coupling system will be set up to calculate the vertical and lateral dynamic response of the railway structure and the tunnel, and in this model, many factors should be considered, such as vehicle, vetical movement, lateral movement and so on. Next, the vertical and lateral dynamic response will be loaded on the second coupling system, the universal finite-element software will be used to build the model and analyze the law of vibration propagation and attenuation in the ground and ancient building structures, and assess the vibration level of ancient building structures at different nodes induced by underground high speed railway. In the ground -ancient building system model, the speed of vehicle, the parameters of railway structure, soil property and the depth of tunnel should be considered. In the last, based on optimization parameters of track structure, all the methods of vibration isolation should be studied and the optimum plan will be selected for the the protection of ancient building structures alongside the underground high speed railway.

为了减少对城市中心区土地的占用，避免城市拆迁带来的困扰，地下高速铁路将逐步替代地面高速铁路线成为高速铁路发展新趋势，因此地下高铁诱发环境振动对古建筑安全影响评估及控制问题将成为一个崭新的研究课题。地下高铁引起古建筑结构振动分析涉及到车辆、轨道、路基、地基和古建筑组成的复杂体系，课题组拟将整个体系分成两个子结构：车辆-轨道-路基子结构和层状地基-古建筑子结构。在考虑车辆、轨道系统的垂向和横向振动影响下，利用车辆-轨道-路基子结构进行动力分析求解车辆对路基的竖向和横向动力响应，并将此结果加载作用到层状地基-古建筑子结构中，分析振动波在层状地基和古建筑结构中的传播和衰减规律，评估地下高速铁路诱发古建筑结构不同节点处的振动水平，并分析速度、轨道结构参数、土质和隧道埋深等因素对结构振动的影响，最后从优化轨道结构参数入手，提出1-2种切实可行的古建筑保护组合措施，指导古建筑结构的保护工作。

截至2016年底，铁路营业里程达到12.4万公里，其中高铁2.2万公里。另外，累计30个城市建成投运城轨交通线路134条，运营线路4153公里。为了减少对城市中心区土地的占用，避免城市拆迁带来的困扰，采用地下通过方式或设站正逐渐成为高速铁路发展新趋势。例如：2015年9月30日，全地下“贝壳式”于家堡高铁站台开通运营；亚洲最大的全地下高铁火车站--广深港高铁《深圳福田站》正式开通，等。因此，研究地下铁路诱发环境问题，包括地下铁路对地面建筑及古建筑的安全影响具有重要的理论价值和工程意义。. 为了研究层状介质下的地下铁路对地面建筑的振动影响问题，项目组建立了车辆-轨道-隧道-大地-基础-建筑物耦合系统振动模型，该耦合系统模型包括车辆-轨道子模型和轨道-隧道-大地-基础-建筑物子模型两部分。为提高计算精度，项目组采用多体动力学-有限元联合仿真的方法对地下铁路引起的振动问题进行了精细化预测分析，掌握了联合仿真方法的关键技术。并且选用了一个典型的古建筑建立了车辆-轨道-隧道-大地-基础-建筑物耦合系统振动模型，在对古建筑物进行模态分析的基础上，分析了列车横向力、列车轴重、速度、埋深和底层参数等因素对大地和古建筑物的振动影响，结果显示高频振动衰减较快低频较慢；高铁和地铁列车轴重较轻，轴重影响较小，但是横向力的影响不可忽略。高度不高的建筑或者古建筑，底层和上层的振动相差不大。另外，项目组在上一模型的基础上，利用正交试验法进行了不同因素之间的显著性分析，认为隧道埋深最好控制在15m以下，在一些特殊敏感地段，如特别敏感的古建筑区域应当限速，如不能限速需要考虑特殊的减振措施，如Vanguard减振扣件或钢弹簧浮置板轨道等。项目最后根据实际情况，选用南昌地铁一号线选择了5个断面及5个地面测点，包括古建筑，进行了地铁引起的轨道结构和临线建筑振动水平测试，测试结果基本验证了理论研究的方法和结果正确性。