軌道交通振動對古建筑影響與防護措施

隨著城市現(xiàn)代化的不斷發(fā)展，交通擁堵越來越成為必須面對和解決的問題。目前國內(nèi)30余個大中城市已建成或即將啟動軌道交通項目，希冀其成為解決城市交通的重要手段。同時，城市內(nèi)多分布有文物保護單位、歷史建筑等需要特殊保護的對象，因此通過準確預(yù)測軌道交通工程對古建筑的影響從而采取相應(yīng)的減振措施保護古建筑結(jié)構(gòu)安全就顯得尤為必要。本文基于《古建筑防工業(yè)振動技術(shù)規(guī)范》預(yù)測方法，結(jié)合工程實踐分析軌道交通工程對古建筑的影響程度，提出有效地防護措施以確保古建筑結(jié)構(gòu)安全。

　　近年來，我國軌道交通建設(shè)項目發(fā)展迅猛。截止到2012年底，國家發(fā)改委已批復(fù)的軌道交通建設(shè)涉及城市達30多個，涉及投資規(guī)模達萬億。
　　軌道交通主要服務(wù)于城市，一般會貫穿城市建成區(qū)，在承擔城市人員出行主要交通任務(wù)的同時，也會對沿線環(huán)境產(chǎn)生一定的影響。建設(shè)軌道交通的城市中不少是國家歷史文化名城，如北京、西安、太原、洛陽等，分布有大量的文物古建筑，其作為珍貴的文化、文物遺產(chǎn)，廣泛分布于城市區(qū)域，應(yīng)該得到重點的關(guān)注和保護，軌道交通的興建對其結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響應(yīng)重點進行分析，并提出有效的防護措施。
　　1.國內(nèi)外軌道交通環(huán)境振動現(xiàn)狀
　　地鐵交通以其不占用大量地面空間、運量大、速度快、準時、方便、舒適等優(yōu)點而受到人們的青睞，但與此同時，地鐵列車運營時所產(chǎn)生的振動也越來越被人們所關(guān)注，人們也開始了對環(huán)境振動的污染規(guī)律、產(chǎn)生原因、傳播途徑、控制方法等進行著大量的研究。交通車輛引起的結(jié)構(gòu)振動通過周圍地層向外傳播，進一步誘發(fā)臨近建筑物產(chǎn)生振動，對建筑物的結(jié)構(gòu)安全以及居民的工作和日常生活產(chǎn)生影響。
　　隨著城市的發(fā)展，城市交通系統(tǒng)規(guī)劃中考慮交通環(huán)境的影響就顯得越來越重要。尤其現(xiàn)代城市建設(shè)中多層的高架橋梁、地下鐵道、輕軌日益形成一個立體空間交通系統(tǒng)，從地下、地面和空中逐步深入到城市中密集的居民點、商業(yè)中心和工業(yè)區(qū)。如北京、天津、上海、廣州等大城市，市內(nèi)的立體交通道路很多已經(jīng)達到5～7層之多，離建筑物最近距離只有幾米，甚至下穿建筑物。
　　美國紐約擁有世界上運行線路最長的地鐵。針對車輛引起的噪聲和振動，研究人員提出了通過改善道床結(jié)構(gòu)形式（采用浮板式道床）和改善車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)造以減少輪軌接觸力的方法，降低地鐵列車引起的噪聲和振動。
　　瑞士聯(lián)邦鐵路和國際鐵路聯(lián)盟實驗研究所共同研究地鐵列車和隧道結(jié)構(gòu)的振動頻率和加速度特征，從改善線路結(jié)構(gòu)的角度提出了降低地鐵列車振動對附近地下及地面結(jié)構(gòu)振動影響的途徑。
　　日本對環(huán)境振動問題極為重視，相關(guān)專家分別就交通車輛引起的結(jié)構(gòu)振動發(fā)生機理、振動的傳播規(guī)律及其對周圍居民的影響進行了分析研究，提出了振動預(yù)測的方法。
　　在國內(nèi)，隨著城市現(xiàn)代化進程的加快，軌道交通大規(guī)模發(fā)展的趨勢極為迅猛。北京、天津、上海、廣州、深圳等16座城市均已有地鐵運營，其運行長度將近1800km。近年來，又有20余個城市立項修建地鐵和輕軌。由于這些地鐵線路穿越城市的中心地段，建筑群相對密集，地鐵運行對周圍環(huán)境和周邊建筑物內(nèi)的居民生活和工作都將產(chǎn)生一定的影響。相關(guān)科研院校通過不斷研究測試，在地鐵振動的產(chǎn)生機理，傳播規(guī)律，以及控制方法方面取得了一定的研究成果。
　　2.研究方法
　　住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部組織有關(guān)單位對主要的工業(yè)振源、全國有代表性的古建筑結(jié)構(gòu)及主建筑材料等進行了現(xiàn)場測試和室內(nèi)試驗，在取得大量可供分析的有效數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，于2008年制訂了GB/T50452-2008《古建筑防工業(yè)振動技術(shù)規(guī)范》，對古建筑結(jié)構(gòu)的振動控制標準、結(jié)構(gòu)的動力特性、響應(yīng)的計算與測試等方面進行了規(guī)定。
　　根據(jù)HJ453-2008《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則―城市軌道交通》要求，文物保護目標的評價指標為振動速度。本文采用GB/T50452-2008《古建筑防工業(yè)振動技術(shù)規(guī)范》來預(yù)測分析地鐵運行對周邊古建筑的影響，以文物承重結(jié)構(gòu)最高處的容許振動速度作為評價標準。
　　預(yù)測采取GB/T50452-2008《古建筑防工業(yè)振動技術(shù)規(guī)范》推薦公式：
　　軌道交通沿城市主干道以地下形式敷設(shè)，某天主教堂為省級文物保護單位，是一座古羅馬風格的高大建筑，通體鐵紅色，間以白線裝飾。主建筑為禮拜堂，旁有兩座西式尖頂鐘樓，主教座堂為羅馬平頂式建筑結(jié)構(gòu)，呈拉丁十字縱長形，后堂為半圓屋頂。十字形設(shè)計體現(xiàn)出嚴格的平衡對稱。從遠處觀看，十字架、高聳的鐘樓似與天穹相接；從空中俯瞰，猶如一個大十字架平置于地面，具有很高的保護價值。
　　通過對天主教堂進行監(jiān)測，可知該文物保護單位結(jié)構(gòu)形式良好，現(xiàn)狀振動速度為0.0025mm/s，周邊城市主干道路車輛對其振動影響較小，受外界振動源影響不明顯。
　　工程通過天主教堂區(qū)段為地下線，隧道寬5m，軌道位于地下21m深處，軌道中心線距離天主教堂本體30m。教堂通體高26m，即承重結(jié)構(gòu)最高處高于地面26m。
　　天主教堂為省級文物保護單位，根據(jù)《古建筑防工業(yè)振動技術(shù)規(guī)范》中相關(guān)規(guī)定，其承重結(jié)構(gòu)最高處容許振動速度為0.27～0.36mm/s。
　　根據(jù)天主教堂的層高、層寬、層數(shù)、底寬、總高等數(shù)據(jù)，固有頻率計算系數(shù)和振型參與系數(shù)分別從《古建筑防工業(yè)振動技術(shù)規(guī)范》中表格中選取。
　　通過內(nèi)插法對動力放大系數(shù)進行計算，得出3階振型動力放大系數(shù)分別為1.00、5.85、8.40，綜合動力放大系數(shù)為3.516。
　　由上表相關(guān)預(yù)測結(jié)果可知，根據(jù)《古建筑防工業(yè)振動技術(shù)規(guī)范》預(yù)測模式，地鐵工程通過天主教堂區(qū)段引起其最大響應(yīng)振動速度超標。但同時需說明，在該預(yù)測模式中，未充分考慮地鐵車輛、運行速度等相關(guān)因素的影響，地鐵車輛軸重越大，運行速度越快，地鐵工程引起的振動影響越大；另外預(yù)測模式中提供的文物結(jié)構(gòu)類型與天主教堂結(jié)構(gòu)類型不完全相似，因此存在著預(yù)測結(jié)果與實際結(jié)果存在誤差的可能。