《Technologies》：Vibration Response Analysis Method for an Underground Pedestrian Passage Crossing a Subway Tunnel and Orthogonally Sharing a Slab with a Vehicle Tunnel
Shuquan Peng,
Yue Li,
Ling Fan,
Zangnan Yu,
Feixiang Xie and
Yan Zhou
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为应对城市地下结构振动研究的不足，本文以湖南旺旺医院新建地下过街通道为工程背景，该通道与上覆车行隧道共享底板并跨越既有地铁隧道，针对其在地铁-车辆联合振动下的响应特性，通过ABAQUS建立三维有限元模型并结合现场实测进行验证。研究表明，地铁荷载主导了通道振动，双向运行和80 km/h车速会加剧局部振动，车地荷载叠加会进一步放大响应。研究为复杂叠合地下结构的振动控制提供了可靠的数值分析框架与实用设计指导。
随着中国城市化进程的快速推进，城市地下空间被日益密集地开发利用。地铁隧道、车行隧道、地下人行通道等结构常常“亲密接触”，甚至上下叠合、交叉穿越。这不仅带来了空间利用效率的提升，也带来了一系列复杂的工程振动问题。想象一下，当你行走在一个地下过街通道时，头顶是呼啸而过的汽车，脚下深处是疾驰而过的地铁列车，两种交通方式引起的振动会如何在地下结构中传播、叠加，进而影响到结构的耐久性和行人的舒适感？这正是现代城市交通与地下空间一体化发展所面临的实际挑战。
然而，现有的研究大多聚焦于地铁或道路交通等单一振动源对邻近结构的影响，对于地下过街通道这种同时承受地铁和路面车辆联合振动作用的结构，其动态响应特性和振动传播机理尚缺乏清晰的认识。特别是在通道与车行隧道共享一块混凝土底板（即“共享底板”）的独特构造下，振动传播路径被显著缩短，两种振动在有限空间内相互耦合，使得其响应规律难以用传统的单源振动分析方法合理解释。这种认识的不足，阻碍了此类复杂地下结构振动控制设计指南的制定。为了填补这一研究空白，彭淑泉、李岳、樊玲、于臧南、谢飞翔和周燕等研究人员，以湖南长沙旺旺医院地下过街通道为工程背景，开展了一项融合现场测量与三维数值模拟的系统研究。该通道全长50米，连接旺旺医院与芙蓉区政府地铁站，其上盖为芙蓉路车行隧道（共享底板结构），下方则穿越地铁6号线盾构隧道，形成了一个典型的立体交叉叠合地下结构体系。相关研究成果发表在《Technologies》期刊上。
为深入探究该独特结构的振动机理，研究人员综合运用了几项关键技术方法。首先，建立了精细化的三维有限元模型：利用ABAQUS软件，基于工程图纸构建了包含土壤、地铁隧道、车行隧道、地下通道等结构的三维实体模型，模型尺寸达100m×64m×50m，共包含超过25万个六面体单元，土壤和结构材料均采用线性弹性本构模型进行模拟。其次，实施了严格的现场振动监测方案：为验证数值模型的可靠性，在相邻车行隧道内布置了4个测点，使用DH5922D动态信号测试分析系统和941b型高灵敏度加速度计，在夜间无干扰条件下，对标准测试车辆以50 km/h匀速通过隧道进行了多次重复测试，采集了垂直向振动加速度时程数据。最后，采用了多指标振动评价体系：为全面表征振动响应，研究同时采用了峰值加速度（Amax）、1/3倍频程垂直振动加速度级（VALz）和计权垂直振级（VLz）三项评价指标，其中VLz依据中国国标GB 10070-88，以“交通干线道路两侧”区域的昼间75 dB、夜间72 dB作为振动控制限值。
研究人员基于验证后的模型，系统分析了不同交通荷载工况和共享底板厚度对通道振动响应的影响，得出了一系列重要发现：
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地铁荷载主导振动响应：在所有考虑的荷载中，地铁运行引起的振动是地下通道振动响应的主要来源。双向（可逆）列车运行产生的振动水平显著高于单向运行。随着地铁速度增加，通道的Z向振动水平呈上升趋势，在80 km/h速度下会出现局部超标现象。
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车辆荷载下的非单调响应：在车辆荷载单独作用下，通道的振动响应在车速30-40 km/h范围内呈现出先增加后降低的非单调变化趋势。
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荷载叠加的放大效应：当地铁荷载和车辆荷载同时作用时，通道的振动水平会进一步被放大，并可能超过允许的限值。这突显了联合振动评估的重要性。
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振动能量集中区识别：研究在通道底板、正对隧道侧墙下方的位置，识别出一个明显的振动能量集中区。这一发现提示，在该区域进行针对性的减振设计是必要的。
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结构参数的影响有限：参数化分析表明，适当增加车行隧道底板的厚度，并不能有效降低通道的振动响应。这意味着单纯依靠增加结构刚度来减振，在此类复杂耦合系统中效果可能有限。
本研究通过现场实测与三维数值模拟的交叉验证，首次系统揭示了共享底板式地下过街通道在地铁与车辆联合振动作用下的动态响应规律。核心结论指出，地铁振动是该类结构振动的主导因素，且双向行车和较高车速会加剧振动；车地振动荷载叠加会产生显著的放大效应；通道底板特定区域是振动能量的“汇集点”，应作为减振设计的关键靶区；而单纯增加共享底板的厚度并非有效的减振措施。这些发现深化了对复杂叠合地下结构耦合振动机理的理解，打破了传统单源分析方法的局限，为准确预测和评估此类结构的振动服务性能提供了可靠的数值分析框架。更重要的是，研究结论为城市环境中类似“结构上下叠合、荷载多源耦合”的地下工程振动控制，提供了直接、实用的设计依据和理论指导，对于保障城市地下交通基础设施的长久安全与行人舒适性具有重要的工程意义。
