轨道交通振动对古建筑影响与防护措施

随着城市现代化的不断发展，交通拥堵越来越成为必须面对和解决的问题。目前国内30余个大中城市已建成或即将启动轨道交通项目，希冀其成为解决城市交通的重要手段。同时，城市内多分布有文物保护单位、历史建筑等需要特殊保护的对象，因此通过准确预测轨道交通工程对古建筑的影响从而采取相应的减振措施保护古建筑结构安全就显得尤为必要。本文基于《古建筑防工业振动技术规范》预测方法，结合工程实践分析轨道交通工程对古建筑的影响程度，提出有效地防护措施以确保古建筑结构安全。

　　近年来，我国轨道交通建设项目发展迅猛。截止到2012年底，国家发改委已批复的轨道交通建设涉及城市达30多个，涉及投资规模达万亿。
　　轨道交通主要服务于城市，一般会贯穿城市建成区，在承担城市人员出行主要交通任务的同时，也会对沿线环境产生一定的影响。建设轨道交通的城市中不少是国家历史文化名城，如北京、西安、太原、洛阳等，分布有大量的文物古建筑，其作为珍贵的文化、文物遗产，广泛分布于城市区域，应该得到重点的关注和保护，轨道交通的兴建对其结构产生的影响应重点进行分析，并提出有效的防护措施。
　　1.国内外轨道交通环境振动现状
　　地铁交通以其不占用大量地面空间、运量大、速度快、准时、方便、舒适等优点而受到人们的青睐，但与此同时，地铁列车运营时所产生的振动也越来越被人们所关注，人们也开始了对环境振动的污染规律、产生原因、传播途径、控制方法等进行着大量的研究。交通车辆引起的结构振动通过周围地层向外传播，进一步诱发临近建筑物产生振动，对建筑物的结构安全以及居民的工作和日常生活产生影响。
　　随着城市的发展，城市交通系统规划中考虑交通环境的影响就显得越来越重要。尤其现代城市建设中多层的高架桥梁、地下铁道、轻轨日益形成一个立体空间交通系统，从地下、地面和空中逐步深入到城市中密集的居民点、商业中心和工业区。如北京、天津、上海、广州等大城市，市内的立体交通道路很多已经达到5～7层之多，离建筑物最近距离只有几米，甚至下穿建筑物。
　　美国纽约拥有世界上运行线路最长的地铁。针对车辆引起的噪声和振动，研究人员提出了通过改善道床结构形式（采用浮板式道床）和改善车辆转向架构造以减少轮轨接触力的方法，降低地铁列车引起的噪声和振动。
　　瑞士联邦铁路和国际铁路联盟实验研究所共同研究地铁列车和隧道结构的振动频率和加速度特征，从改善线路结构的角度提出了降低地铁列车振动对附近地下及地面结构振动影响的途径。
　　日本对环境振动问题极为重视，相关专家分别就交通车辆引起的结构振动发生机理、振动的传播规律及其对周围居民的影响进行了分析研究，提出了振动预测的方法。
　　在国内，随着城市现代化进程的加快，轨道交通大规模发展的趋势极为迅猛。北京、天津、上海、广州、深圳等16座城市均已有地铁运营，其运行长度将近1800km。近年来，又有20余个城市立项修建地铁和轻轨。由于这些地铁线路穿越城市的中心地段，建筑群相对密集，地铁运行对周围环境和周边建筑物内的居民生活和工作都将产生一定的影响。相关科研院校通过不断研究测试，在地铁振动的产生机理，传播规律，以及控制方法方面取得了一定的研究成果。
　　2.研究方法
　　住房和城乡建设部组织有关单位对主要的工业振源、全国有代表性的古建筑结构及主建筑材料等进行了现场测试和室内试验，在取得大量可供分析的有效数据基础上，于2008年制订了GB/T50452-2008《古建筑防工业振动技术规范》，对古建筑结构的振动控制标准、结构的动力特性、响应的计算与测试等方面进行了规定。
　　根据HJ453-2008《环境影响评价技术导则―城市轨道交通》要求，文物保护目标的评价指标为振动速度。本文采用GB/T50452-2008《古建筑防工业振动技术规范》来预测分析地铁运行对周边古建筑的影响，以文物承重结构最高处的容许振动速度作为评价标准。
　　预测采取GB/T50452-2008《古建筑防工业振动技术规范》推荐公式：
　　轨道交通沿城市主干道以地下形式敷设，某天主教堂为省级文物保护单位，是一座古罗马风格的高大建筑，通体铁红色，间以白线装饰。主建筑为礼拜堂，旁有两座西式尖顶钟楼，主教座堂为罗马平顶式建筑结构，呈拉丁十字纵长形，后堂为半圆屋顶。十字形设计体现出严格的平衡对称。从远处观看，十字架、高耸的钟楼似与天穹相接；从空中俯瞰，犹如一个大十字架平置于地面，具有很高的保护价值。
　　通过对天主教堂进行监测，可知该文物保护单位结构形式良好，现状振动速度为0.0025mm/s，周边城市主干道路车辆对其振动影响较小，受外界振动源影响不明显。
　　工程通过天主教堂区段为地下线，隧道宽5m，轨道位于地下21m深处，轨道中心线距离天主教堂本体30m。教堂通体高26m，即承重结构最高处高于地面26m。
　　天主教堂为省级文物保护单位，根据《古建筑防工业振动技术规范》中相关规定，其承重结构最高处容许振动速度为0.27～0.36mm/s。
　　根据天主教堂的层高、层宽、层数、底宽、总高等数据，固有频率计算系数和振型参与系数分别从《古建筑防工业振动技术规范》中表格中选取。
　　通过内插法对动力放大系数进行计算，得出3阶振型动力放大系数分别为1.00、5.85、8.40，综合动力放大系数为3.516。
　　由上表相关预测结果可知，根据《古建筑防工业振动技术规范》预测模式，地铁工程通过天主教堂区段引起其最大响应振动速度超标。但同时需说明，在该预测模式中，未充分考虑地铁车辆、运行速度等相关因素的影响，地铁车辆轴重越大，运行速度越快，地铁工程引起的振动影响越大；另外预测模式中提供的文物结构类型与天主教堂结构类型不完全相似，因此存在着预测结果与实际结果存在误差的可能。