地鐵振動對變電站的影響
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摘要：近年城市建設(shè)快速發(fā)展，城市用地日趨緊張，變電站新型建設(shè)模式隨之出現(xiàn)——建于民用建筑中的附建式變電站。同時，隨著地鐵線路遍布城市，對地鐵上部空間進(jìn)行的物業(yè)開發(fā)也日益增多。地鐵的振動將對地鐵上蓋物業(yè)產(chǎn)生影響，而變電站工程對振動更為敏感。本文針對一座建于地鐵隧道之上的附建式變電站工程進(jìn)行了振動影響分析。
1工程概況
220kV桂灣三變電站位于廣東省深圳市前海自貿(mào)區(qū)，為附建式變電站，設(shè)于前?？毓纱髲B二期3棟地下一層至地上五層內(nèi)。前?？毓纱髲B二期3棟高44.5m，地上9層，為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，采用灌注樁基礎(chǔ)。已經(jīng)建成運行的深圳地鐵11號線地鐵隧道從變電站場地下方穿過。地鐵列車運行將對周邊土體產(chǎn)生振動，經(jīng)由隧道-土體-建筑物途徑可傳遞給周邊建筑物，引起建筑結(jié)構(gòu)振動。對變電站而言，振動除了可能破壞建筑物外，還可能影響變電站設(shè)備的正常運作以及運行人員舒適度。本文通過開展振動相關(guān)測試與預(yù)測分析工作，針對地鐵對變電站工程產(chǎn)生的振動影響進(jìn)行了分析。
2變電站振動控制標(biāo)準(zhǔn)
2.1變電站設(shè)備限值
VC標(biāo)準(zhǔn)于1993年由美國環(huán)境科學(xué)技術(shù)協(xié)會確認(rèn)，稱為IEST標(biāo)準(zhǔn)。我國對精密設(shè)備及儀器容許動值的確定，幾乎都采用IEST標(biāo)準(zhǔn)。其中VC-A用于放大倍率低于400的光學(xué)顯微鏡、精密天平、光學(xué)天平等場景，將其作為變電站控制標(biāo)準(zhǔn)有一定的參考性。綜合分析，可采用VC-A作為變電站各設(shè)備的振動速度評價標(biāo)準(zhǔn)，8-100Hz分頻振動速度有效值不超過0.05mm，同時采用動力基礎(chǔ)設(shè)備中的最嚴(yán)格要求——振動速度峰值不超過3mm/s且振動位移不超過0.02mm作為變電站設(shè)備的評價標(biāo)準(zhǔn)。
2.2環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)
適用的國內(nèi)環(huán)境振動相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)有《城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)》（GB10070-88）和《城市軌道交通引起建筑物振動與二次輻射噪聲限值及其測量方法標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T170-2009）。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)以及《前海合作區(qū)軌道交通穿越地塊降噪減振技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，對于最大Z振級及分頻最大振級均按較為嚴(yán)格的夜間72dB進(jìn)行控制。
3地鐵振動測試
本工程通過現(xiàn)場在線測試，對地鐵振源以及地表振動進(jìn)行在線采樣，評估地鐵振源的振動以及地鐵正常運營情況下當(dāng)前地表環(huán)境的振動響應(yīng)，收集地鐵運行對變電站振動的輸入量值及數(shù)值仿真所需的振動輸入?yún)?shù)，為后續(xù)振動預(yù)測分析提供數(shù)據(jù)支撐。測試內(nèi)容為振源振動測試：檢測地鐵正常運行時鋼軌、道床、隧道壁的振動加速度以及地表振動測試：檢測地鐵正常運行時線路上方地表不同位置的振動加速度。
3.1振源測試
振源測試時，對變電站下方的11號線左線及右線地鐵隧道分別選取了鋼軌、道床以及隧道壁等不同軌道位置開展振動加速度測試。列車通過測試斷面時間約為6s，地鐵振源振動加速度水平小于《電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范》GB50260-2013中電氣設(shè)施耐受0.1g振動加速度要求。左線兩根鋼軌振動頻譜特性基本一致，低于100Hz頻段振動能量較小，能量主要集中在高于400Hz頻段。鋼軌Z振級最大值約120dB，道床的Z振級最大值約107dB，隧道壁Z振級最大值約71dB，振動量值從鋼軌、道床、隧道壁逐漸衰減。右線與左線的分析結(jié)果類似。左線隧道壁最大Z振級均小于右線，平均值較右線小5.1dB。這與道床類型有關(guān)，根據(jù)地鐵11號線線路設(shè)計資料，左線鋪設(shè)了減振墊道床，而右線為雙層非線性減振扣件整體道床，使得左線的振動明顯小于右線。
3.2地表測試
左線列車通過時，左線上方測點最大值約為0.006m/s2，右線上方測點最大值為0.009m/s2，兩線中間測點最大值為0.012m/s2，距右線5m遠(yuǎn)測點最大值為0.006m/s2，距右線10m遠(yuǎn)測點最大值為0.0045m/s2，距右線15m遠(yuǎn)測點最大值為0.005m/s2。左線地鐵振動傳遞至地表后，其主要振動能量均位于125Hz以下頻段，高頻振動經(jīng)過土體的衰減作用明顯降低。地表測點的振動能量峰值均位于20~100Hz頻段，分頻最大振級均小于60dB。隨著距振源中心水平距離的增加，地表振動量值減小，但在距離振源中心地表10~15m區(qū)域Z振級稍有反彈，這是因為距離振源一定范圍存在振動反彈區(qū)。右線列車通過時與左線列車類似。列車通過時，地表各測點最大Z振級平均值均不超過72dB。可知，左線列車通過時地表各個測點的最大Z振級均小于右線列車通過時的測試結(jié)果，左線采用的減振墊道床起到了良好的減振效果。
4變電站振動預(yù)測
4.1建立模型
為評價地鐵運行對變電站的振動影響，可建立三維有限元模型進(jìn)行計算。模型包括荷載、土層調(diào)參有限元模型，軌道-土層-建筑物有限元模型，軌道-土層-建筑物-變電站有限元模型，軌道-土層-建筑物-變電站減振措施-變電站有限元模型等。根據(jù)實測結(jié)果校核計算模型，將實測振源數(shù)定荷載作為輸入，計算變電站所在地下結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)，對變電站建筑結(jié)構(gòu)振動進(jìn)行預(yù)測。
4.2工況選取
在預(yù)測分析時，優(yōu)先考慮最不利工況進(jìn)行振動預(yù)測。220kV桂灣三變電站現(xiàn)場實測結(jié)果可知，右線列車引起的振動較大，左線列車引起的振動較小，故單線列車通過時僅考慮右線即可。對比分析以下兩種荷載工況下的振動響應(yīng)：（1）右線列車通過；（2）雙線列車交匯通過。
4.3計算結(jié)果
振動速度有效值分析計算結(jié)果表明，各種計算工況下，8-80Hz各分頻振動速度有效值均小于VC-A分頻限值50μm/s的要求。各拾振點振動速度滿足根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《隔振設(shè)計規(guī)范》GB50463-2008以及《建筑工程容許振動標(biāo)準(zhǔn)》GB50868-2013提出的振動速度峰值不超過3mm/s的限值要求。分頻振動速度有效值滿足VC-A的限值要求。各層數(shù)據(jù)均未發(fā)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)與變壓器存在共振現(xiàn)象。拾振點靠近建筑結(jié)構(gòu)樓蓋板中部時的振動量值較大，靠近梁柱位置的拾振點振動量值相對較小。振動位移分析計算結(jié)果表明，各拾振點振動位移滿足國家標(biāo)準(zhǔn)《隔振設(shè)計規(guī)范》GB50463-2008以及《建筑工程容許振動標(biāo)準(zhǔn)》GB50868-2013中最嚴(yán)格振動位移不大于20μm的限值要求。220kV桂灣三變電站的分析結(jié)果表明，變電站變壓器與二次設(shè)備工作環(huán)境振動滿足參考標(biāo)準(zhǔn)的要求，地鐵運行引起的建筑內(nèi)振動響應(yīng)不會影響變電站的正常工作。變壓器在其基頻（5Hz或10.5Hz）附近存在較大的能量集中，此頻段振動在傳遞到樓板的過程中出現(xiàn)明顯的衰減，說明樓板自振頻率未與變壓器基頻耦合，變壓器振動未引起樓板的共振；地鐵運行引起的220kV桂灣三變電站建筑物內(nèi)振動主要頻段為30~60Hz，此頻段振動不會引起基頻為10Hz及以下的變壓器共振。
5結(jié)論
通過確定評價標(biāo)準(zhǔn)、采集地鐵振動數(shù)據(jù)、建立模型進(jìn)行振動分析，本文針對建于地鐵隧道之上的附建式變電站工程進(jìn)行了振動影響分析。分析結(jié)果表明，地鐵運行引起的建筑內(nèi)振動響應(yīng)不會影響變電站的正常工作。
參考文獻(xiàn)：
［1］城市軌道交通引起的建筑物振動及二次輻射噪聲限制及其振動方法標(biāo)準(zhǔn),JGJ/T170-2009.
［2］城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn),GB10070-88.［3］220kV~500kV變電所設(shè)計技術(shù)規(guī)程,DL/T5218-2015.
［4］建筑工程容許振動標(biāo)準(zhǔn),GB50868-2013.
［5］前海二單元五街坊項目地鐵環(huán)境振動及變電站電磁輻射影響研究.中國鐵道科學(xué)研究院城市軌道交通中心,2016,(12).
作者：江瑩 單位：深圳供電規(guī)劃設(shè)計院有限公司
