軌道交通振動對古建筑影響與防護措施

隨著城市現代化的不斷發展，交通擁堵越來越成為必須面對和解決的問題。目前國內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，因此通過準確預測軌道交通工程對古建筑的影響從而采取相應的減振措施保護古建筑結構安全就顯得尤為必要。本文基于《古建筑防工業振動技術規范》預測方法，結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構安全。

　　近年來，我國軌道交通建設項目發展迅猛。截止到2012年底，國家發改委已批復的軌道交通建設涉及城市達30多個，涉及投資規模達萬億。
　　軌道交通主要服務于城市，一般會貫穿城市建成區，在承擔城市人員出行主要交通任務的同時，也會對沿線環境產生一定的影響。建設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，廣泛分布于城市區域，應該得到重點的關注和保護，軌道交通的興建對其結構產生的影響應重點進行分析，并提出有效的防護措施。
　　1.國內外軌道交通環境振動現狀
　　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、舒適等優點而受到人們的青睞，但與此同時，地鐵列車運營時所產生的振動也越來越被人們所關注，人們也開始了對環境振動的污染規律、產生原因、傳播途徑、控制方法等進行著大量的研究。交通車輛引起的結構振動通過周圍地層向外傳播，進一步誘發臨近建筑物產生振動，對建筑物的結構安全以及居民的工作和日常生活產生影響。
　　隨著城市的發展，城市交通系統規劃中考慮交通環境的影響就顯得越來越重要。尤其現代城市建設中多層的高架橋梁、地下鐵道、輕軌日益形成一個立體空間交通系統，從地下、地面和空中逐步深入到城市中密集的居民點、商業中心和工業區。如北京、天津、上海、廣州等大城市，市內的立體交通道路很多已經達到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構形式（采用浮板式道床）和改善車輛轉向架構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。
　　瑞士聯邦鐵路和國際鐵路聯盟實驗研究所共同研究地鐵列車和隧道結構的振動頻率和加速度特征，從改善線路結構的角度提出了降低地鐵列車振動對附近地下及地面結構振動影響的途徑。
　　日本對環境振動問題極為重視，相關專家分別就交通車輛引起的結構振動發生機理、振動的傳播規律及其對周圍居民的影響進行了分析研究，提出了振動預測的方法。
　　在國內，隨著城市現代化進程的加快，軌道交通大規模發展的趨勢極為迅猛。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，地鐵運行對周圍環境和周邊建筑物內的居民生活和工作都將產生一定的影響。相關科研院校通過不斷研究測試，在地鐵振動的產生機理，傳播規律，以及控制方法方面取得了一定的研究成果。
　　2.研究方法
　　住房和城鄉建設部組織有關單位對主要的工業振源、全國有代表性的古建筑結構及主建筑材料等進行了現場測試和室內試驗，在取得大量可供分析的有效數據基礎上，于2008年制訂了GB/T50452-2008《古建筑防工業振動技術規范》，對古建筑結構的振動控制標準、結構的動力特性、響應的計算與測試等方面進行了規定。
　　根據HJ453-2008《環境影響評價技術導則―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《古建筑防工業振動技術規范》來預測分析地鐵運行對周邊古建筑的影響，以文物承重結構最高處的容許振動速度作為評價標準。
　　預測采取GB/T50452-2008《古建筑防工業振動技術規范》推薦公式：
　　軌道交通沿城市主干道以地下形式敷設，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構，呈拉丁十字縱長形，后堂為半圓屋頂。十字形設計體現出嚴格的平衡對稱。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測，可知該文物保護單位結構形式良好，現狀振動速度為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，即承重結構最高處高于地面26m。
　　天主教堂為省級文物保護單位，根據《古建筑防工業振動技術規范》中相關規定，其承重結構最高處容許振動速度為0.27～0.36mm/s。
　　根據天主教堂的層高、層寬、層數、底寬、總高等數據，固有頻率計算系數和振型參與系數分別從《古建筑防工業振動技術規范》中表格中選取。
　　通過內插法對動力放大系數進行計算，得出3階振型動力放大系數分別為1.00、5.85、8.40，綜合動力放大系數為3.516。
　　由上表相關預測結果可知，根據《古建筑防工業振動技術規范》預測模式，地鐵工程通過天主教堂區段引起其最大響應振動速度超標。但同時需說明，在該預測模式中，未充分考慮地鐵車輛、運行速度等相關因素的影響，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；另外預測模式中提供的文物結構類型與天主教堂結構類型不完全相似，因此存在著預測結果與實際結果存在誤差的可能。