地鐵施工期間運輸車輛引起的振動實測與分析

劉加華 邢海靈 蔣 通

(1.上海申通地鐵集團技術中心，201103，上海;2.同濟大學結構工程與防災研究所，200090∥第一作者，高級工程師)

城市軌道交通作為當前解決現代化城市交通問題的最有效措施，其運營期間引起的環境振動問題已成為人們關注和研究的熱點。近年來，國內外研究人員已從理論分析、數值模擬及試驗實測等多方面對城市軌道交通地下線列車運行產生的振動問題進行了大量研究［1］，在減振降噪方面也采用了多種減振措施并取得了良好的效果［2］。當前，我國正處于軌道交通建設的高峰期，但相對而言，對城市軌道交通地下線施工階段產生的各種振動問題的相關研究和成果卻較少。我國環境評價導則［3］也僅對地下線施工引起的環境振動問題提出了框架性的要求。所以，開展地鐵施工期間運輸車輛引起振動的研究顯得很有必要。

目前，在地下線建設施工過程中，隧道內水平運輸常用兩種施工運輸車輛:其一是在盾構隧道掘進施工過程中，采用電瓶車運輸盾構管片、渣土和漿液等材料和構件;其二是軌道鋪設或強電等施工期間，采用軌道車運輸預制軌排或電纜、設備等部件。電瓶車的車體各部位是剛性連接而未設減振緩沖裝置，且其運行的軌道通常為臨時性的簡易軌道。軌道車運行時，新鋪設的軌道未焊接，例如鋼軌接頭未做處理、浮置板區段內的浮置板尚未頂升等。故盾構電瓶車或軌道車在施工區間內運行時產生的環境振動有可能影響臨近建筑物內居民的生活，甚至影響到沿線某些精密儀器和設備設施的正常運行。

本文通過對上海某在建地鐵隧道內的振動實測，分析了地鐵施工中盾構電瓶車和軌道車運行引起隧道振動的時頻特性，并與既有線路地鐵運行引起的振動進行了對比。所得結果和結論可為地鐵施工期間盾構隧道內運輸車輛引起環境振動的評價與防治提供參考。

1 盾構電瓶車運行引起的振動

1.1 測試條件與測點布置

盾構掘進施工中，一般鋪設簡易的臨時軌道用于渣土和盾構管片的運輸。臨時軌道的軌枕采用30 kg/m的工字型鋼，鋼軌接縫采用簡易夾板連接，通過臨時扣件(螺栓和墊片)固定于型鋼軌枕上，軌枕直接放置在隧道管片上。本次現場測試時臨時軌道情況如圖1所示。

圖1 盾構電瓶車用臨時軌道

本次測試所使用的盾構電瓶車由25 t牽引機車、運渣車/漿液車和管片車混合編組，如圖2所示。與城市軌道交通乘客列車相比，盾構電瓶車未設置任何減振緩沖裝置，且在施工條件下車輪不可避免地沾有泥土雜質。測試時，電瓶車在滿載狀態下以常時工作運行速度5 km/h往返通過測試斷面。

圖2 地鐵隧道內的盾構電瓶車

本次測試的測點選定為隧道底部和隧道壁。其中，隧道底部豎向測點設置在隧道管片底部中心線處，兩側隧道壁豎向測點與隧道底部測點處于同一斷面內。測點上布置豎向振動加速度傳感器。

測試使用丹麥BK3503信號采集模塊和BK4513B型壓電加速度傳感器，有效測量頻段為1 Hz～10 kHz，測量范圍0～±10 g(g為重力加速度)。測試中采樣頻率為4096 Hz。

1.2 實測豎向振動加速度時域分析

盾構電瓶車通過測點斷面時，隧道底部和隧道壁豎向振動加速度的典型時程曲線如圖3所示。從圖3中可看出，振動持續時間約為20 s，信號中存在多個沖擊峰值，測試條件下的隧道底部的振動明顯大于隧道壁的振動。

圖3 實測振動加速度時程曲線(電瓶車通過時)

1.3 實測豎向振動加速度頻譜分析

振動加速度時程的功率譜能直觀地展現其能量分布，且常用于軌道交通引起的振動分析。對于離散型振動時間過程 xk(其中，k=1，2，…，n)，使用工程中最常用的Welch方法進行功率譜估計［4］:

式中:

S(jω)——功率譜;

ω——圓頻率;

wk——離散窗函數。

本文使用工程中常用的Hanning窗進行功率譜估計。

隧道底部和隧道壁多次測試的功率譜最小和最大包絡值及平均值如圖4所示。由圖4可見，盾構電瓶車引起隧道底部和隧道壁的振動卓越頻段均為10～100 Hz，在此頻段內存在多個峰值。其中，隧道底部振動在頻段40～80 Hz相對較大，而隧道壁振動在10～20 Hz內的振動峰值占主導地位。

工程中另一種常用的頻域分析方法是采用1/3倍頻程譜。以不計權振動加速度級表示的隧道壁和隧道底部1/3倍頻程最大、最小值與平均值如圖5所示。由圖5可見，兩個測點的振級在3～10 Hz范圍急劇增大，自10 Hz起以相對緩慢的幅度增大，直至達到400～500 Hz后開始下降。

圖4 測點振動加速度功率譜

圖5 測點振動加速度1/3倍頻程

根據我國《城市區域環境振動測量方法》［5］中對振動加速度級的定義:

式中:

aw——頻率計權的加速度有效值;

a0——基準加速度，10－6m/s2。

對于每次測試的振動樣本，以1 s為時間計權常數來計算VLZ，并取全程最大值VLZ，max作為該樣本的代表值。按實測資料，分別算得隧道底部和隧道壁多次測試的 VLZ，max平均值分別為86.1 dB和75.7 dB。

2 軌道車運行引起的振動

2.1 測試條件與測點布置

由于地下線不同區段采用的軌道結構形式不同，本文僅介紹普通軌道區段的測試結果。測試區段為混凝土整體道床，60 kg/m鋼軌，普通DTVII型扣件。軌道鋪設施工階段，相鄰鋼軌間通常預留間隙，本次測試斷面附近的鋼軌接頭間隙約為5 mm。

本次測試使用的軌道車由內燃機牽引車和1節用于運輸軌排的平板車組成。測試中軌道車為重車，按照常時工作狀態運輸2層軌排。組織軌道車分別以車速 5 km/h、10 km/h、15 km/h、20 km/h 的速度通過測試斷面，以測試車速對振動的影響。

隧道內測點選定在道床和隧道壁，其中道床豎向測點分別安裝在道床中心線和外軌下，兩側隧道壁豎向測點與道床測點處于同一斷面位置。測試儀器及設置與盾構電瓶車測試情況相同。

2.2 實測豎向振動加速度時域分析

軌道車分別以10 km/h和20 km/h的速度通過測試斷面時，道床中心和隧道壁豎向振動加速度時程曲線如圖6所示。從圖6中可看出，測試條件下道床的振動明顯大于隧道壁上的振動，道床和隧道壁振動信號中均存在數個沖擊峰值;隨著車速的增大，道床和隧道壁的振動加速度均呈增大趨勢。

2.3 實測豎向振動加速度頻譜分析

依據式(1)算得道床和隧道壁多次測試的功率譜最小和最大包絡值及平均值。其中，車速為10 km/h時的功率譜如圖7所示。由圖7可見，軌道車引起隧道底部和隧道壁的振動卓越頻段均為40～100 Hz，在此頻段內存在多個峰值。

圖6 振動加速度時程曲線(軌道車通過時)

圖7 車速10 km/h時測點加速度功率譜

不同車速5 km/h、10 km/h、15 km/h 和 20 km/h情況下道床與隧道壁不計權振動加速度級的1/3倍頻程平均值如圖8所示，。由圖8可見，不同車速下兩個測點的振級在10 Hz以下變化不大，在10～80 Hz范圍急劇增大，在80～100 Hz范圍達到最大。隨車速增大，各測點的1/3倍頻程在10 Hz以上均呈增大趨勢。

根據式(2)算得不同車速條件下道床和隧道壁的VLZ，max(見表1)。由表1可見，隨著車速增加，測點的VLZ，max呈增大趨勢，當車速由5 km/h增大到20 km/h時，道床和隧道壁的VLZ，max分別增大約15 dB和11 dB。

圖8 不同車速下測點加速度1/3倍頻程

表1 不同車速條件下測點VLZ，max計算結果

3 對比分析

上海自首條地鐵開通運營即已對其引起的振動開展測試［6］，至今已積累大量的實測數據。在此，選用某運行線路的隧道內實測數據與本次測試進行對比。該運行線路隧道內測試斷面處為盾構隧道、整體道床、DTIII－2型普通扣件，運行列車為地鐵A型車。

3.1 盾構電瓶車與地鐵列車的振動對比

圖9給出了運行線路列車引起的隧道壁振動加速度1/3倍頻程與本次實測的由盾構電瓶車引起的隧道壁振動加速度1/3倍頻程(見圖5－b))的對比結果。由圖9可見，在人體振動影響評價頻率范圍內(1～80 Hz)，在頻段5～30 Hz中，電瓶車引起的隧道壁振動明顯高于地鐵列車運行時的隧道壁振動，兩者之差在某些頻段可達20 dB以上。

此外，本次測試盾構電瓶車運行引起隧道壁的VLZ，max平均值為75.7 dB，高于地鐵列車運行產生的VLZ，max平均值 72.9 dB。

圖9 電瓶車與地鐵運行列車引起隧道壁振動的對比

3.2 軌道車與地鐵運行列車對比

地鐵運行列車引起的隧道壁振動加速度1/3倍頻程與本次軌道車在車速10 km/h時的隧道壁振動加速度1/3倍頻程 (見圖8－b))的對比如圖10所示。由圖10可見:在人體振動影響評價頻率范圍內，兩者振動隨頻率的變化趨勢基本相同;在頻率10 Hz以下時，地鐵運行列車與軌道車引起的隧道壁振動均相對較小，且變化緩慢，其中地鐵運行列車引起的低頻振級略高于軌道車;在頻率10～50 Hz時，兩者非常接近，且均隨頻率增大而呈顯著增大趨勢;在頻率50 Hz以上時，地鐵運行列車產生的振級高于軌道車。另外，由圖8可知，當軌道車車速提高時，兩者的高頻振動成分隨頻率的變化趨勢將更加趨于一致。

圖10 軌道車與地鐵運行列車引起隧道壁振動的對比

4 結論

通過對上海某在建地鐵地下線施工階段盾構電瓶車和軌道車運行引起的振動實測，獲取了道床(隧道底部)和隧道壁的豎向振動加速度記錄，并進行了時頻特性分析。將實測結果與運營線路上地鐵列車產生的振動進行比較分析，可得以下結論:

1)在測試的條件下，盾構電瓶車引起的隧道內振動中存在系列的沖擊信號;振動卓越頻段在10～100 Hz，隧道底部和隧道壁的平均振動加速度級分別為86.1 dB 和75.7 dB。

2)在測試的條件下，軌道車運行引起的隧道內振動中也存在數個沖擊信號;振動的卓越頻段在40～100 Hz;在高于10 Hz時，振動隨車速增大而增大;當車速由5 km/h增大到20 km/h時，道床和隧道壁最大Z振級分別增大15 dB和11 dB。

3)將施工階段的運輸車輛與地鐵運行列車在隧道內引起的振動作對比，結果表明:在頻率5～30 Hz范圍內，盾構電瓶車產生的振動高于普通軌道條件下地鐵列車運行引起的振動;在人體振動影響評價頻率范圍內，軌道車與地鐵列車運行引起的隧道內振動變化趨勢基本相同。

［1］劉維寧，馬蒙，王文斌.地鐵列車振動環境響應預測方法［J］.中國鐵道科學，2013(4):110.

［2］謝詠梅，辜小安，劉揚.地鐵環境影響評價中軌道隔振措施應用效果研究［J］.環境工程技術學報，2012(2):162.

［3］HJ 453—2008環境影響評價技術導則城市軌道交通［S］.

［4］Aiello V，D Boiero，M D’Apuzzo，et al.Experimental and numerical analysis of vibrations induced by underground trains in an urban environment［J］.Structural Control and Health Monitoring，2008，15:315.

［5］GB 10071—88城市區域環境振動測量方法［S］.

［6］葛世平.城市軌道交通的振動和噪聲對環境的影響及其對策［J］.城市軌道交通研究，2003(3):30.