地铁振动对变电站的影响

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摘要：近年城市建设快速发展，城市用地日趋紧张，变电站新型建设模式随之出现——建于民用建筑中的附建式变电站。同时，随着地铁线路遍布城市，对地铁上部空间进行的物业开发也日益增多。地铁的振动将对地铁上盖物业产生影响，而变电站工程对振动更为敏感。本文针对一座建于地铁隧道之上的附建式变电站工程进行了振动影响分析。

1工程概况

220kV桂湾三变电站位于广东省深圳市前海自贸区，为附建式变电站，设于前海控股大厦二期3栋地下一层至地上五层内。前海控股大厦二期3栋高44.5m，地上9层，为钢筋混凝土框架结构，采用灌注桩基础。已经建成运行的深圳地铁11号线地铁隧道从变电站场地下方穿过。地铁列车运行将对周边土体产生振动，经由隧道-土体-建筑物途径可传递给周边建筑物，引起建筑结构振动。对变电站而言，振动除了可能破坏建筑物外，还可能影响变电站设备的正常运作以及运行人员舒适度。本文通过开展振动相关测试与预测分析工作，针对地铁对变电站工程产生的振动影响进行了分析。

2变电站振动控制标准

2.1变电站设备限值

VC标准于1993年由美国环境科学技术协会确认，称为IEST标准。我国对精密设备及仪器容许动值的确定，几乎都采用IEST标准。其中VC-A用于放大倍率低于400的光学显微镜、精密天平、光学天平等场景，将其作为变电站控制标准有一定的参考性。综合分析，可采用VC-A作为变电站各设备的振动速度评价标准，8-100Hz分频振动速度有效值不超过0.05mm，同时采用动力基础设备中的最严格要求——振动速度峰值不超过3mm/s且振动位移不超过0.02mm作为变电站设备的评价标准。

2.2环境振动标准

适用的国内环境振动相关规范标准有《城市区域环境振动标准》（GB10070-88）和《城市轨道交通引起建筑物振动与二次辐射噪声限值及其测量方法标准》（JGJ/T170-2009）。根据国家标准以及《前海合作区轨道交通穿越地块降噪减振技术标准》，对于最大Z振级及分频最大振级均按较为严格的夜间72dB进行控制。

3地铁振动测试

本工程通过现场在线测试，对地铁振源以及地表振动进行在线采样，评估地铁振源的振动以及地铁正常运营情况下当前地表环境的振动响应，收集地铁运行对变电站振动的输入量值及数值仿真所需的振动输入参数，为后续振动预测分析提供数据支撑。测试内容为振源振动测试：检测地铁正常运行时钢轨、道床、隧道壁的振动加速度以及地表振动测试：检测地铁正常运行时线路上方地表不同位置的振动加速度。

3.1振源测试

振源测试时，对变电站下方的11号线左线及右线地铁隧道分别选取了钢轨、道床以及隧道壁等不同轨道位置开展振动加速度测试。列车通过测试断面时间约为6s，地铁振源振动加速度水平小于《电力设施抗震设计规范》GB50260-2013中电气设施耐受0.1g振动加速度要求。左线两根钢轨振动频谱特性基本一致，低于100Hz频段振动能量较小，能量主要集中在高于400Hz频段。钢轨Z振级最大值约120dB，道床的Z振级最大值约107dB，隧道壁Z振级最大值约71dB，振动量值从钢轨、道床、隧道壁逐渐衰减。右线与左线的分析结果类似。左线隧道壁最大Z振级均小于右线，平均值较右线小5.1dB。这与道床类型有关，根据地铁11号线线路设计资料，左线铺设了减振垫道床，而右线为双层非线性减振扣件整体道床，使得左线的振动明显小于右线。

3.2地表测试

左线列车通过时，左线上方测点最大值约为0.006m/s2，右线上方测点最大值为0.009m/s2，两线中间测点最大值为0.012m/s2，距右线5m远测点最大值为0.006m/s2，距右线10m远测点最大值为0.0045m/s2，距右线15m远测点最大值为0.005m/s2。左线地铁振动传递至地表后，其主要振动能量均位于125Hz以下频段，高频振动经过土体的衰减作用明显降低。地表测点的振动能量峰值均位于20~100Hz频段，分频最大振级均小于60dB。随着距振源中心水平距离的增加，地表振动量值减小，但在距离振源中心地表10~15m区域Z振级稍有反弹，这是因为距离振源一定范围存在振动反弹区。右线列车通过时与左线列车类似。列车通过时，地表各测点最大Z振级平均值均不超过72dB。可知，左线列车通过时地表各个测点的最大Z振级均小于右线列车通过时的测试结果，左线采用的减振垫道床起到了良好的减振效果。

4变电站振动预测

4.1建立模型

为评价地铁运行对变电站的振动影响，可建立三维有限元模型进行计算。模型包括荷载、土层调参有限元模型，轨道-土层-建筑物有限元模型，轨道-土层-建筑物-变电站有限元模型，轨道-土层-建筑物-变电站减振措施-变电站有限元模型等。根据实测结果校核计算模型，将实测振源数定荷载作为输入，计算变电站所在地下结构的振动响应，对变电站建筑结构振动进行预测。

4.2工况选取

在预测分析时，优先考虑最不利工况进行振动预测。220kV桂湾三变电站现场实测结果可知，右线列车引起的振动较大，左线列车引起的振动较小，故单线列车通过时仅考虑右线即可。对比分析以下两种荷载工况下的振动响应：（1）右线列车通过；（2）双线列车交汇通过。

4.3计算结果

振动速度有效值分析计算结果表明，各种计算工况下，8-80Hz各分频振动速度有效值均小于VC-A分频限值50μm/s的要求。各拾振点振动速度满足根据国家标准《隔振设计规范》GB50463-2008以及《建筑工程容许振动标准》GB50868-2013提出的振动速度峰值不超过3mm/s的限值要求。分频振动速度有效值满足VC-A的限值要求。各层数据均未发现建筑结构与变压器存在共振现象。拾振点靠近建筑结构楼盖板中部时的振动量值较大，靠近梁柱位置的拾振点振动量值相对较小。振动位移分析计算结果表明，各拾振点振动位移满足国家标准《隔振设计规范》GB50463-2008以及《建筑工程容许振动标准》GB50868-2013中最严格振动位移不大于20μm的限值要求。220kV桂湾三变电站的分析结果表明，变电站变压器与二次设备工作环境振动满足参考标准的要求，地铁运行引起的建筑内振动响应不会影响变电站的正常工作。变压器在其基频（5Hz或10.5Hz）附近存在较大的能量集中，此频段振动在传递到楼板的过程中出现明显的衰减，说明楼板自振频率未与变压器基频耦合，变压器振动未引起楼板的共振；地铁运行引起的220kV桂湾三变电站建筑物内振动主要频段为30~60Hz，此频段振动不会引起基频为10Hz及以下的变压器共振。

5结论

通过确定评价标准、采集地铁振动数据、建立模型进行振动分析，本文针对建于地铁隧道之上的附建式变电站工程进行了振动影响分析。分析结果表明，地铁运行引起的建筑内振动响应不会影响变电站的正常工作。

参考文献：

［1］城市轨道交通引起的建筑物振动及二次辐射噪声限制及其振动方法标准,JGJ/T170-2009.

［2］城市区域环境振动标准,GB10070-88.［3］220kV~500kV变电所设计技术规程,DL/T5218-2015.

［4］建筑工程容许振动标准,GB50868-2013.

［5］前海二单元五街坊项目地铁环境振动及变电站电磁辐射影响研究.中国铁道科学研究院城市轨道交通中心,2016,(12).

作者：江莹 单位：深圳供电规划设计院有限公司