本文是一篇土木工程论文，本文通过现场及文献调研，缩尺模型试验和数值模拟等研究方法结合，针对地铁引起电力隧道振动使得电力隧道内出现一系列病害现象，研究地铁振动荷载作用下地铁隧道-土-电力隧道体系在地铁-电力隧道处于不同轴线交叉角、不同空间平行角及不同距离、不同荷载及频率等影响因素下动力响应规律，并以三维有限元模型作为对比验证。
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 课题研究背景
随着改革开放的进行，我国经济快速增长，城市化和工业化的进程不断加快，大量人口涌入城市，随之出现的一些”城市压力”包括：人口膨胀、环境污染、交通拥堵和资源紧张等，其中轨道交通压力尤为突出，原有的轨道交通方式和设施已经不满足人们对出行工具舒适、方便、快捷的要求。由此，作为新型的轨道交通工具地铁应运而生，它具有以下优势：第一，地铁便捷高效，速度快，客运量大，能直接有效的缓解当地交通压力；第二，节约土地，地铁修建于地下能更好的带动地下商场等的发展同时节约地面土地资源；第三，节省石油等能源并减少重金属的排放污染空气。而首条地铁在英国伦敦于 1863 年诞生以来，历经动力由蒸汽机牵引到电动机牵引等变革，我国地铁建设起步比较晚，1969 年 10 月 1 日才建成于北京，距今已历经 54 年的的发展历史，中国地铁建设进入稳步快速的发展阶段。
尽管地铁的发展对缓解城市轨道交通压力和在城市建设方面发挥了巨大的作用，为居民工作及日常生活出行带来方便快捷，但是其运行带来的振动和噪问题也随之开始凸显和被关注。地铁振动具有几个明显的特征：①长期存在、②周期性重复、③小振幅。其影响主要体现在：(1)对下部结构和上部结构产生危害，地铁振动振动尽管是小幅度的，但其周期性重复并长期存在，一方面微小幅度的振动以振动波形式传到土体中，会让土颗粒发生微小的转动和位移，当土体长期发生振动，土颗粒位置会重新排列、间距缩短而诱发土体的沉降，从而引起基础不均匀沉降等，另一方面，重复发生的微小振动让下部结构和上部结构产生附加动应力，从而产生结构的局部甚至整体的动疲劳。不均匀的沉降和动力疲劳会使结构产生局部破坏、开裂、渗漏等。（2）振动会使人有不适感，影响人们的正常睡眠、学习和工作；如工作时影响人的操作准度以及视觉，引发烦躁等心理，降低工作效率。（3）振动会对精密仪器的精度产生影响，如医院仪器，实验室试验设备的精准度，引起结果的偏差甚至影响正常使用。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 地铁振动产生和传播的研究
地铁振动产生及影响的因素很多，如列车车厢长度、列车悬挂刚度及其阻尼比、牵引电机、轮轨间蠕滑指数、齿轮的传动密实程度、车轮几何表面平顺状况；因素有钢轨表面状况、钢轨的紧扣件间隙、轨道线路的坡度、弯曲度、轨道的阻尼和刚度；道床和轨道的密实度，道床材料的阻尼等等众多因素，地铁振动的来源主要有以下几个方面：
（1）车轮之间的不同步作用、车轮尺寸或是安装偏心产生的连续不平顺、钢轨连续的不平顺、轮子和轨道即轮轨之间的非协同而产生的振动。如王志强[1]等通过有限元模型和车辆—轨道耦合动力学模型，运用模态和动力分析钢轨波磨产生和发展，发现通过改变运营速度和轨枕间距，钢轨处竖向加速度变化显著，提出适当的间距（70cm）和车速（80km/h）能有效抑制轨波磨的产生和发展。
（2）车轮几何踏面不平顺和钢轨踏面的不平顺引起的脉冲振动。
（3）道床结构的刚度变化，列车运行时造就轨道刚度变化引起列车移动不平顺的冲击振动。
（4）列车在行驶过程中快速启动和刹车、行驶过程中的突然减速点头、转弯摇头等都会使车轮和轨道发生碰撞引起振动。
振动产生并会在介质中传播，大地可以看做一个半无限的大弹性介质，振动及其传播从微观上看是质点的振动，当有一个质点发生振动，就会引起相邻的质点的振动即在同一介质中的传播，当传至两种不同介质临街面时，然后引起不同介质的质点振动，以这样的同种介质质点振动到不同介质质点振动向外传播。地铁运行时，地铁列车因上述因素作用下产生振动即振源，振动以波的形式从钢轨传到轨枕、道床、隧道衬砌、围岩、土体等介质传至下部结构、地面、上部结构以及人体等受振体。
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第二章 地铁隧道-土-电力隧道体系激振试验模型设计
2.2 试验原型工程概况
2.2.1 工程背景
本章主要是依托于 500kV 穗西楚庭的电力隧道工程（输变电工程）。穗西楚庭位于广州市番禺区，属于国家重点建设项目，该项目建成后将服务于番禺、荔湾、海珠和越秀等局部地区用电需求，能优化广州电网并提高抗风险及供电能力。该项目的特点是存在与电力隧道与地铁隧道交叉重叠区域，且广州地区地铁隧道与电力隧道存在交叉重叠的工程案例不少，如：
（1）广州市昌岗电力隧道交叉上穿广佛地铁沙园站一江燕路站区间隧道工程
（2）石井环西电力隧道～8号线北延线工程（广州地铁）
（3）琶洲电力隧道垂直上跨地铁8号线“磨碟沙一新港东”区间隧道工程
2.2.2 原型隧道结构
（1）地铁隧道
广州地铁盾构隧道衬砌管片尺寸为外径为6m，管壁厚0.3m，内径为5.4m。衬砌采用混凝土强度等级为C50的预制钢筋混凝土管片拼装而成。环向块与块之间连接采用2个M27高强度螺栓，每环6个连接面共12个高强螺栓。纵向环与环之间连接采用10个M24高强度螺栓。每环衬砌管片、道床、轨枕组成及配筋情况分别如表 2.1、表 2.2和表 2.3。
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2.3 相似理论及相似关系设计
2.3.1 缩尺模型试验相似理论
2.3.2.1相似三定理
在缩尺比例模型试验设计中，主要通过相似理论确定缩尺比例模型与原型之间各参数的相似系数。相似理论是解释各种自然科学和工程中不同类型的相似现象和原理的理论。相似理论的主要依据是以下三个相似定理：
（1）相似第一定理（又称相似正定理）：在相似系统中的相似常数为 1，它代表相似系统或现象的基本性质，是系统相似的一项必要条件。
法国的学者J.Bertrand以Newton在1868年的“自然哲学的数学原理”和Galileo在1636年的“两门新科学”为基础，在1848年提出了相似的第一定理，该定理指出：对于相似的现象，相似指数必须等于1。假设两种现象彼此相似，所有用来表示这种现象的物理量都与相应的空间和时间节点成比例。
相似度第三定理由前苏联学者M.B. Kerbichev在1930年首次提出，后被称为相似度逆定理。该定理指出:于同类别的物理现象中，彼此之间存在单值量是相应的，如果近似关系存在于单值量之间，且在数量上这些单值量形成的相似准则相同，则可以认为这些物理现象是相似的。所谓单值量是指单值条件所对应的物理量，而区分个别现象与同一现象的具体条件就是单值条件。因此于模型试验，相似过程中需要满足的单值条件包括: 几何条件、物理条件、初始条件和边界条件。本模型试验需满足如下：
1）几何条件：如本试验模型为模拟地铁对电力隧道振动的影响，则需知道地铁隧道管片和电力隧道衬砌的直径，厚度及每一节的长度的具体数值。
2）介质条件：如在减隔振过程中用的EPS或是橡胶颗粒，要清楚其物理性质。
3）边界条件：边界的存在会造成振动动波的反射，进而影响现象发生，因此要了解其边界的情况。
4）初始条件：如研究接触土压力时需知道其静土压力，才可以准确知道后续的动土压力变化。
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第三章 地铁隧道-土-电力隧道体系激振试验结果分析 ..................... 46
3.1 引言 ................................. 46
3.2 缩尺模型试验测试系统及方案 .................................................... 46
第四章 地铁对电力隧道振动影响因素数值分析 ....................... 100
4.1 引言 ................................. 100
4.2 有限元软件介绍 .................... 100
第五章 地铁振动作用下电力隧道减隔振措研究 .............................. 111
5.1 引言 ..................................... 111
5.2 eps减振效果分析 .................................... 111
第五章 地铁振动作用下电力隧道减隔振措研究
5.2 eps 减振效果分析
Eps 聚苯乙烯泡沫是经颗粒颗粒发泡、熟化、模具塑化等工序制作而来，其组成结构独特，颗粒内部存在封闭的气体处一个个蜂窝状的隔室中，也因此组成 eps 的体积中，气体占据了比较大的比重，使得 eps 密度低、压缩性能好且具有一定的弹性，1972 年被挪威首次应用与路提工程以来，eps 由于其力学和物理性能渐渐在岩土工程领域被关注。
本文所使用的EPS 聚苯乙烯泡沫板厚度为 60mm，其材料参数如下表 5- 1，EPS 聚乙烯泡板及其减隔振布置图如表 5.1。
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第六章 结论与展望
6.1 结论
地铁隧道-土-电力隧道体系在不同影响因素下受地铁振动的动力响应规律如下：
（1）地铁振动加速度在土体传播距离过程中，随着振源振距离增加，振动加速度整体上递减，且土体对高频具有抑制作用使得高频振动衰减快，中低频相对于高频衰减速度较小；土体中加速度最大位于地铁隧道衬砌下部，侧部次之，地铁隧道上部土体加速度较小；振动在土体中向上传播时沿各个方向均衰减，其中横向衰减最快、纵向次之、竖向衰减较慢，地铁振动沿上部地层向上传播或遇到构筑物过程中，各频率成分不是一味递减，部分中低频在距离地表或是构筑物一定距离时会出现反弹增大的现象。
（2）振动加速度沿地铁或电力隧道结构传播规律为平行于轨道方向衰减最快、水平垂直于轨道方向次之、竖向衰减最慢，且振动加速度沿隧道结构各向传播时，加速度的变化趋势为由快到逐步变缓。
（3）振动荷载频率低时（15Hz以内）容易受周围环境的干扰使得振动波形不具备正弦波形且加速度幅值较小，当振动频率较高时加速度波形具有明显的正弦波形且加速度幅值较大。
（4）列车速度增大时，土体和隧道结构的加速度及高频幅值增大；加速度随列车速度增大而增大，一方面是由于高频频率的加速度有效幅值增大，另一方面是由于速度快时轨道不平顺引起附加荷载增大；速度增大时隧道结构下部土压力增大，上部土压力减小；车速增大时动应变减小且减小趋势较小。
（5）当距离等条件相同情况下，轴线交叉角度为0度时振动加速度最大，90度时最小；随着交叉角度增大，振动加速度逐渐减小，且减小的趋势由快到变缓，0度到30度时衰减比较快，45度至60度时衰减比例变缓，60~90度较为平缓；同一断面上，距离振源最近的测点加速度最大，沿着中心向两侧逐渐较小。
（6）不同空间平行角度时电力隧道的振动响应规律为，电力隧道位于地铁隧道正下方时加速度最大，正上方时加速度次之，正左方时加速度最小；随着电力隧道由底部沿地铁隧道往沿正下方逆时针向正上方变化过程中，加速度呈现先减小后增大趋势，但加速度幅值在电力隧道上所处的区域随着空间平行角度由正下方至正上方变化而变化，由正下方时处于顶部到左下方时处于右上角、正左方时处于右部、左上方时处于右下角到正上方时处于底部，即加速度最大值始终位于离地铁隧道最近的部位，是由于其离振源最近，加速度最大。
参考文献（略）