绍兴文理学院土木工程学院 浙江绍兴 312000
摘要：地铁在施工和运营过程中引起的振动和噪声如果过大可能影响地面建筑的正常使用。通过综述针对地铁隧道盾构施工和运营过程中产生振动的理论计算、数值模拟、现场实测的研究，总结振动产生的原因、传播衰减的过程与受振对象的响应，提出降低振动的措施建议，为实际工程中隧道施工和运营提供参考。
关键词：隧道；盾构施工；振动
1.引言
盾构施工产生的振动主要包含两个部分，其一是盾构掘进时刀盘刀具切削岩土体、刀盘与地层之间复杂的相互作用产生振动，其二是盾构自身运行产生的机械振动。列车运行时的问题主要是由列车与轨道之间的振动（如地铁车轮多边形磨损引起的振动）与移动位置的变化所引起的。振动在土壤介质中传播、衰减是土木工程领域研究的重要课题，以隧道为振源，振动向隧道上方的空间传播，一部分以弹性波的形式释放，一部分在土的阻尼作用下衰减，弹性波传至建筑引起建筑与屋内物品的二次振动。盾构下穿古建筑、博物馆等敏感建筑物时需要着重考虑施工引起的振动；在运营阶段隧道振动对周围环境产生的噪音过大会引起居民投诉。所以盾构隧道掘进阶段的研究主要关注盾构引起的振动（假定土体沉降等满足规范要求），运营阶段倾向于关注噪音。
2.盾构施工阶段的振动与传播
Nelson（1984年）对布法罗四台掘进机在硬岩中产生的振动进行了监测发现掘进后几分钟就出现了均匀的正弦曲线。掘进产生的振动频率大致在30~90Hz，测点距离掘进机5~45m。巴尔的摩盾构隧道在35~62m的距离位置测得主频率为10~30Hz。
国内，北京工业大学对盾构阶段引发的振动研究较多，陶连金以北京十号线二期工程为背景研究得出砂卵石地层盾构产生振动主要是刀盘与土体切割产色的，刀盘附近振动主频在30Hz以上。随着距离的增加，频率逐渐降低，在水平距离为40m的地表，砂卵石地区振动频率衰减至20Hz以下。刀盘处地表振级达80dB，地表水平距离刀盘20~30m时衰减至60dB以下。高频振动在松散土体中衰减较快。在对兰州1号线某砂卵石区间施工产生的振动研究发现掘进时振动影响范围约为两倍洞径，X、Y、Z三个方向均出现局部放大的情况，X向的加速度呈现双峰值。在距离隧道20m的范围内，振动高频占主导，随后高频衰弱低频占主导。
王鲁琦等模拟在软硬不均地层条件下盾构的刀盘主频为0~5Hz的低频，软岩与硬岩只影响振幅对频率干扰较少。王鑫等采用灰关联熵分析以及多元回归分析得出地层条件是最主要因素，此外总推力、扭矩对振动影响较大。
针对上述影响因素可以根据实际工况在土层其他特性接近的情况下选择阻尼比更大的掘进路线，优化刀盘扭矩、盾构总推力等施工参数。适当增加与建筑物之间的距离有助于振动波的衰减降低影响。
3.地铁运营阶段的振动与传播
3.1振动的产生
Takemiyal认为列车振动的激励有三种形式：轨道不平顺所产生的固定点动力荷载、移动线荷载以及考虑车轮的不平顺和列车转向架振动模式的移动简谐荷载。文献显示广州地铁一号线就有由于弯道较多在运营过程中铁轨磨损造成振动增大的情况。
在实际运营过程中列车产生轮轨力的主要原因是轨道不平顺及轮周局部变形磨损，温士明等对比有多边形磨损和无磨损的轮轨模型发现，车轮的多边形磨损对内轨、弹条、隧道壁等构件振动加速度影响巨大，浮置板轨道能够降低列车通过引起的振动但在同等条件下多边形磨损会减弱减振效果。
测试数据显示，宁波地铁振源幅值为70.41dB，南昌地铁1号线源强为76.7 dB。刘必灯等的隧道频谱分析结果表明，洞壁振动加速度以大于50Hz的高频为主，李晓霖的测试结果显示X（沿隧道水平方向）Y（垂直隧道水平方向）优势频率在100与160Hz附近，而Z方向优势频率在100Hz附近。随着距离的增大，竖直方向的振动较水平方向的大，对地面建筑物的作用更大。此外，有文献显示在20~100km/h速度加倍，振级会提高6dB。所以振动波的频率与幅值受车辆类型、速度、轨道类型等因素影响。
所以轮轨状况差和轨道固定设计僵硬、不灵活的系统产生的声级比车轮和轨道光滑、轨枕和道床或弹性直接固定紧固件的系统高，列车速度也会影响振级大小。
3.2振动波的衰减
列车引起的环境振动以表面波为主，振动频率上高频衰减较快，低频可能存在放大区，Bornitz公式是土中波的传播与衰减较早的经验公式，Gotowski和Dym（1976年）在此基础上改进，提出了列车引起振动常用的Bornitz公式，Lang（1971年）首先提出了在距离地铁20m内声级与距离的关系公式，Kurzweil（1979年）在此基础上考虑了传播介质土壤的特性进行了改进。振动波在介质中的衰减受隧道、传播距离以及土壤类型等因素影响。不同土壤对振动波的阻尼因子如下表。徐忠根等通过实测数据建立的模拟传播公式马蹄形、圆形隧道，与方形隧道使用的参数不相同。此外，文章发现明挖回填土较为松散会导致振动衰减更大。
4.结束语
盾构施工振源频率与幅值受地层条件影响与刀盘扭矩、盾构总推力等施工参数密切相关。运营产生的振动由轮轨之间的作用产生，受轮轨光滑度、完整度、轨道结构、隧道形状、车辆速度、车辆质量等影响。在传播过程中受不同土层的阻尼作用，高频振动随着扩散距离增大土壤中衰减较快，低频振动可能出现放大区。
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