地鐵車輛段咽喉區地面振動傳播規律實測與分析

第一作者鄒超男，博士生，1988年11月生

通信作者汪益敏女，教授，博士生導師，1966年5月生

地鐵車輛段咽喉區地面振動傳播規律實測與分析

鄒超1，汪益敏1，汪朝暉2，曾澤民1，何濤2

(1.華南理工大學土木與交通學院亞熱帶建筑科學國家重點實驗室，廣州510640；2. 廣州市地下鐵道總公司，廣州510380)

摘要：實測廣州地鐵3號線廈滘車輛段咽喉區直、曲線段列車運行引起的周圍地面振動影響，分析列車引起地面振動加速度在時、頻域內的傳播規律。結果表明，咽喉區直線段在軌道35 m范圍內，地面豎向振動加速度級為72～95 dB，略大于水平振動加速度級62～95 dB；咽喉區曲線段在軌道25 m范圍內，地面豎向振動加速度級為70～98 dB，略小于水平振動加速度級80～98 dB；對地鐵車輛段咽喉區臨近的環境振動評價時，應同時考慮水平、豎向振動影響；中高頻振動隨距離增加衰減速度較低頻快，咽喉區列車運行引發的振動傳遞到臨近建筑物時主要頻率成分為4～60 Hz。建議在車輛段減振措施設計時應重點考慮中低頻振動的減振方案；在路基外側沿軌道方向結合排水設施設置明溝利于減弱車輛段列車運行引發的振動傳播。

關鍵詞：地面振動；車輛段；咽喉區；現場測試；傳播規律

基金項目：國家自然科學

收稿日期：2013-12-19修改稿收到日期：2014-08-07

中圖分類號:U231；X839.1文獻標志碼：A

Field measurement and analysis of ground vibration in the throat area of metro depot

ZOUChao1,WANGYi-min1,WANGZhao-hui2,ZENGZe-min1,HETao2(1. State Key Laboratory of Subtropical Building Science,School of Civil Engineering and transportation,South China University of Technology, Guangzhou 510640, China; 2. Guangzhou Metro Corporation, Guangzhou 510380, China)

Abstract:Field measurements were carried out at Xiajiao Metro Depot of Guangzhou Metro Line 3 subjected to moving trains on the straight section and curved section of throat area. The propagation of ground vibration acceleration induced by metro trains passing the throat area was investigated in the domains of time and frequency. The conclusion is that the ground vertical vibration acceleration level is 72～95 dB during trains running on straight section in the region of 35 m from the train running track, while the ground horizontal vibration acceleration level is 62～95 dB. The vertical vibration is stronger than the horizontal vibration slightly. However, during trains running on curved section in the region of 25 m from the train running track the ground horizontal vibration acceleration level is 80～98 dB and is stronger than the ground vertical vibration acceleration level which is 70～98 dB. The horizontal vibration and vertical vibration should be simultaneously considered in the evaluation of environmental vibration near the throat area of metro depot. The attenuation rate of the medium-high frequency vibration is larger than that of the low frequency vibration, and the main frequency of vibration transmitting to adjacent buildings is mainly within 4～60 Hz. It is suggested that low and medium frequency vibration should be primarily taken into account in the vibration mitigation measure for metro depot. The open trench which is used for drainage along the direction of the track can reduce the vibration.

Key words:ground vibration; metro depot; throat area; field test; propagation law

受土地資源緊缺影響，城市地鐵工程多在規劃、實施地鐵車輛段之上進行物業開發及建設[1-2]。地鐵車輛段咽喉區是列車由正線出入停車列檢庫必經區域。較地鐵正線，該處道岔、軌道接頭較多，線路彎曲，軌道由幾股分成幾十股，車輛運行引起的地面振動較大[3-4]。列車振動經道床、立柱及平臺傳播至平臺上方建筑物，會影響[5]其上居住者生活及其對新建車輛段上蓋建筑的接受程度。

國內外已有關于地鐵運行誘發地面振動傳播規律的現場測試報道，Sanayei等[6]通過現場試驗，對波士頓地區的鐵路及地鐵引起周圍地面振動特性進行研究。結果顯示，距軌道中心線25 m范圍內振動速度級隨與軌道中心線距離增大而減小，減小幅度約1 dB/m。袁揚等[7]采用高靈敏度數據采集、分析系統，對北京地鐵某曲線段進行地面振動測試。結果表明，距隧道中心線100 m范圍內地鐵運營引起地面振動加速度時程峰值為10-2m·s-2量級；距隧道中心線50 m范圍內水平振動強度為豎向振動強度的2～4倍。夏禾等[8]對某城市地鐵車輛段現場測試結果表明，列車以15～20 km/h速度通過時，其正上方住宅樓振動高達85 dB。謝偉平等[9]以實測列車入庫時線路附近柱底振動加速度為輸入參數，采用有限元法模擬分析某地鐵車輛段大平臺結構上部建筑的動力響應及振動舒適度。結果顯示，列車運行時平臺上的建筑在未采取任何減振措施時，各樓層舒適度均不達標。地鐵車輛段建成帶上蓋物業開發的車輛段數量較少，該段咽喉區環境振動問題由于特殊的線路設計與地鐵正線相比有較大不同，其振動傳播規律亟待研究。

為掌握地鐵車輛段咽喉區振動傳播規律，對廣州地鐵3號線廈滘車輛段咽喉區列車地面振動進行現場測試。基于實測結果，在時、頻域內分析研究地鐵車輛段咽喉區列車引起的地面振動傳播規律，為地鐵車輛段及上蓋物業開發減振設計提供參考依據。

1試驗方案

1.1測試地點及測點布置

圖1　試驗斷面平面位置圖 Fig.1 Layout of the test section

測試地點為廣州地鐵3號線廈滘車輛段地面出入線段咽喉區，該區域為碎石道床軌道。沿線路法線方向設置2個試驗斷面：斷面1位于咽喉區入口直線段，斷面2位于咽喉區內曲線段，具體布設見圖1。結合現場條件，斷面1設置5個測點，斷面2設置4個測點。測點C1、C2、D1、D2布設于軌道木枕，測點C3、D3布設于軌道旁地面，測點C4、C5、D4布設于軌道旁的道路，C3、D3與C4、D4間有一條0.4 m×1.2 m(寬度×深度)的混凝土U型排水溝，見圖2。每個測點布設2個測振儀，同時測量列車通過時引起地面的豎向、與軌道垂直的水平向加速度。

圖2　試驗測點橫斷面布置圖(單位：m) Fig.2 Test point arrangement in cross-section

1.2試驗儀器及測試內容

本次試驗列車荷載為3號線運行的空載B型列車，6節編組，長度約120 m。地面振動測試采用INV306DF型智能信號采集處理分析儀、941型放大器、991B型超低頻測振儀、DASP數據采集及分析軟件進行信號采集和記錄，采樣頻率410 Hz，測試記錄單列車通過時的地表面豎向及垂直軌道水平向的振動加速度，共采集30組數據，其中列車通過時的振動數據20組，無列車時地面振動(背景振動)10組，每個斷面選8組有效振動數據進行分析。

2試驗結果及分析

2.1時域分析

現場測試分析所得測點C2、D2無車通過時的水平、豎向背景振動加速度時程曲線見圖3、圖4，其余各測點豎向、水平向背景振動加速度時程曲線與之類似。由兩圖看出，試驗場地無明顯的干擾振源，地面背景振動加速度時程峰值普遍在10-3m/s2量級。

圖3　水平背景振動加速度時程曲線 Fig.3 Time-history curve of background vibration acceleration in horizontal direction

圖4　豎向背景振動加速度時程曲線 Fig.4 Time-history curve of background vibration acceleration in vertical direction

地鐵列車通過時實測地面水平、豎向振動加速度時程數據共20組，限于篇幅僅給出測點C1、C2及D1、D2的水平與豎向振動加速度時程曲線，見圖5～圖8。由圖可知，兩個測點的振動加速度峰值量級遠大于背景振動量級。其中C2水平、豎向振動加速度時程峰值分別為0.391 m/s2、0.837 m/s2，相當于背景振動的約100倍及200倍；D2的水平、豎向振動加速度時程峰值為0.166 m/s2、0.031 m/s2，約為背景振動的50倍、10倍。據試驗記錄的列車所致振動持時、列車長度可反推獲得列車通過試驗斷面時速度分別為10～20 km/h及6～15 km/h，經過咽喉區測試斷面1的車速明顯較斷面2快，引起的地面豎向振動較強烈。

對比同測點的水平向及豎向振動加速度發現，位于咽喉區入口直線段測點C1、C2的水平振動加速度峰值(0.695 m/s2、0.391 m/s2)約為豎向振動加速度峰值(1.498 m/s2、0.837 m/s2)的0.47倍；但位于咽喉區中心曲線段測點試驗結果則表現出不同的規律。D1的水平振動加速度峰值(1.028 m/s2)與豎向振動加速度峰值(0.933 m/s2)較接近，而D2的水平振動加速度峰值(0.166 m/s2)大于豎向振動加速度峰值(0.031 m/s2)，兩者比值為5.35。由此可見，咽喉區曲線段地鐵列車運行引起的水平振動傳播十分顯著。

圖5　測點C1振動加速度時程曲線 Fig.5 Time-history curve of vibration acceleration ofmeasure point C1

圖6　測點C2振動加速度時程曲線 Fig.6 Time-history curve of vibration acceleration ofmeasure point C2

圖7　測點D1振動加速度時程曲線 Fig.7 Time-history curve of vibration acceleration of measure point D1

圖8　測點D2振動加速度時程曲線 Fig.8 Time-history curve of vibration acceleration of measure point D2

為更好分析振動加速度沿地面傳播規律，計算各車次、各測點振動加速度有效值[10]，即

(1)

式中：arms為振動加速度有效值(m/s2)；a(n)為離散的各態歷經平穩信號序列；N為采樣數量。

對同一測點各車次加速度有效值進行線性平均，并計算加速度級La[11]，即

La=20lg10(arms/aref)

(2)

式中：La為加速度級(dB)；aref為基準振動加速度，取10-6m/s2。

實測分析獲得到兩試驗斷面加速度級與列車振源距離關系曲線見圖9。由圖9看出，①咽喉區直線段斷面1在距列車運行軌道35 m范圍內地面豎向振動加速度級大小為72～95 dB，水平振動加速度級大小為62～95 dB。即振動加速度級隨與軌道中心線距離增加而減小，豎向略大于水平向。②咽喉區直線段斷面1測點C3與C4之間(距軌道中心線17～23 m)振級衰減速率最快，其中豎向振動加速度級減小12 dB，水平向減小23 dB。主要因此位置有一條與路線方向大致平行的排水溝(圖1)對列車振動地面傳播有較好隔阻作用。距排水溝約18 m的測點C5處水平振動加速度有一定反彈增大現象，較測點C4，水平向振動加速度級增大約10 dB。基于三維數值模擬分析[12]結果表明，明溝利于阻隔地面振動傳播，距明溝一定范圍內會出現水平向振動放大現象，明溝減振效果與其深、寬度及周邊巖土類型等因素有關。③咽喉區曲線段斷面2距軌道25 m范圍內地面豎向振動加速度級大小為70～98 dB，水平為80～98 dB，明顯大于豎向。本次試驗觀測到距運行軌道中心線5～25 m范圍內水平振動加速度級較豎向約大10 dB；距軌道中心線25～30 m范圍內，受排水溝影響，水平振動加速度級由80 dB衰減至60 dB，豎向振動加速度未發生明顯變化。

圖9　振動加速度級隨距離的變化曲線 Fig.9 The Curve of vibration acceleration level changing with distance

一般認為地鐵誘發的地面振動豎向強度大于水平向[13]，而本文對車輛段咽喉區直線段、曲線段2監測斷面地面振動傳播的實測結果表明，咽喉區入口直線段距軌道中心線一定范圍內，水平振動與豎向大小接近；咽喉區中心曲線段，水平振動強度明顯高于豎向振動。因此分析地鐵車輛段環境振動影響時，咽喉區臨近環境振動評價應同時考慮水平、豎向振動影響。而沿軌道方向布設明溝利于減弱水平振動傳播。

2.2頻譜分析

對所測振動加速度數據進行傅里葉變換，獲得1/3倍頻程中心頻率振動加速度級，中心頻率最大值取200 Hz。距軌道中心線不同距離測點處振動加速度級隨頻率變化見圖10、圖11，各測點振動響應頻帶及最大振動加速度級所在頻率見表1、表2。由兩圖、兩表看出，①隨與軌道中心線距離增加，各測點頻率振動加速度級及其響應頻帶寬度逐漸減小。②咽喉區直線段斷面1水平與垂直向振動加速度響應頻帶在距軌道中心線35 m處均減小到4～60 Hz，水平振動最大加速度級出現在頻率31.5～ 40 Hz，豎向出現在40 Hz左右。頻帶寬度減小主要因高頻成分衰減，即高頻振動成分沿地面傳播距離較短。③咽喉區曲線段斷面2的振動加速度響應頻帶變化規律與斷面1類似，在距軌道中心線30 m處地鐵引起地面振動頻率成分減小為4～60 Hz。與直線段振動傳播規律區別在于，水平、豎向最大振動加速度級所在頻率隨與軌道中心線距離增大明顯減小，距軌道中心線30 m范圍內，水平向最大加速度級所在頻率由50 Hz減小到25 Hz，豎向則由40 Hz降低至25 Hz。

圖10　振動加速度1/3倍頻圖(斷面1) Fig.10 1/3 Octave spectrum of vibration (section 1)

圖11　振動加速度1/3倍頻圖(斷面2) Fig.11 1/3 Octave spectrum of vibration (section 2)

距離/m振動響應頻帶/Hz最大加速度級所在頻率/Hz水平豎直水平豎直01～2001～200404054～1204～1204040174～1204～804040234～804～604040354～604～6031.540

表2　試驗斷面2振動響應頻率

為清晰反應單個頻率振動沿地表的傳播規律，本文選水平、豎向頻率分別為5 Hz、10 Hz、30 Hz、40 Hz、50 Hz、80 Hz、100 Hz繪制加速度級隨軌道中心線距離變化曲線，并將同頻率不同測點加速度級用B-樣條曲線連接，見圖12、圖13。由兩圖看出，①無論咽喉區直線段(斷面1)或曲線段(斷面2)，測試范圍內列車誘發的地面振動高頻成分80 Hz及100 Hz的加速度級隨距離增大呈快速衰減特征，低頻成分5 Hz及10 Hz的振動加速度級隨距離增加變化不大。②水平方向，斷面1測點C3與C4之間(距軌道中心線17～23 m)，排水溝的存在使各頻率成分振動加速度級明顯衰減，距軌道中心線23～35 m范圍內，5～10 Hz低頻成分振動加速度級仍呈平穩傳播特點，而30～100 Hz頻率處呈現反彈增大，導致時域內水平振動加速度在該范圍內出現振動放大現象。鄭鑫等[14]研究發現，局部振動放大現象可能由表面波傳播過程中與埋藏基巖頂面的反射波、折射波疊加所致。斷面2各頻率振動加速度幅值隨與軌道中心線距離增加呈單調衰減，其中30～100 Hz頻率水平振動加速度級衰減速度較5～10 Hz低頻成分快。③豎向的2試驗斷面各頻率成分振動加速度級在測試范圍內均表現出隨距離增加而衰減特征，80～100 Hz頻率振動加速度級隨距離增加衰減速度最快。斷面2各頻率豎向振動加速度級距軌道中心線5～30 m范圍內變化不大，與時域分析結果一致。

圖12　各頻率分量加速度級與距離關系 (斷面1) Fig.12 The relationship between vibration acceleration level of different frequencyand distance (section 1)

可以認為，隨與列車運行軌道中心線距離增大，中高頻振動衰減速度大于低頻振動，其傳遞到臨近建筑物時主要為中低頻振動分量。因此建議在車輛段減振措施設計時重點考慮中低頻振動減振。

圖13　各頻率分量加速度級與距離關系 (斷面2) Fig.13 The relationship between vibration acceleration level of different frequency and distance(section 2)

3結論

通過測試地鐵車輛段咽喉區直、曲線段地鐵列車運行引發的地面振動響應，并在時、頻域內分析地面振動傳播規律及衰減特性，結論如下：

(1)地鐵運行引起的咽喉區地面振動隨與軌道中心線距離增加總體呈衰減趨勢，曲線段水平振動明顯強于豎向振動；對地鐵車輛段咽喉區臨近環境振動評價時應同時考慮水平與豎向振動影響。

(2)試驗中地鐵車輛段咽喉區直線段水平振動加速度級峰值出現在31.5～40 Hz頻段，豎向振動出現在40 Hz左右；曲線段水平振動加速度級峰值出現在25～50 Hz頻段，豎向振動出現在25～40 Hz頻段。與軌道中心線距離越大，最大加速度級所在頻率越低。

(3)隨與列車運行軌道中心線距離增大，中高頻振動衰減速度較低頻快，車輛段咽喉區列車運行引發的振動傳遞到臨近建筑物時主要頻率成分為4～60 Hz。車輛段減振措施設計時應重點考慮中低頻振動減振方案。

(4)在路基外側沿軌道方向結合排水設施設置明溝利于減弱列車運行引發的振動傳播，但距明溝一定范圍內會出現水平向振動放大現象，其減振效果與溝的深、寬度及周邊巖土類型等因素有關。

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