地鐵振動對精密儀器的影響預測和對策研究*

謝鎣松李 莉汪龍兵

（1.同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院，201804，上海；2.蘇州市軌道交通集團有限公司，215004，蘇州∥第一作者，碩士研究生）

地鐵振動對精密儀器的影響預測和對策研究*

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（1.同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院，201804，上海；2.蘇州市軌道交通集團有限公司，215004，蘇州∥第一作者，碩士研究生）

某儀器場臨近規劃地鐵線路，需要考慮地鐵運營后對廠內精度要求很高的三坐標測量儀器的影響及相應的隔振措施，在已運營線路不同軌道隔振地段臨線不同距離內，按國家和國際精密儀器振動評價參數，對地鐵運行時地面的振動響應進行了測試，分析其對三坐標測量儀的振動影響。結果表明，在不同軌道隔振區段臨線一定范圍內，地鐵運行時的地面振動均不滿足通用振動標準級的要求；浮置板軌道的位移峰值已超過國標限值；同時驗證了振動放大區的存在。建議針對該精密儀器采取防微振措施。

地鐵；精密儀器；微振動；振動評價

First-author＇s address Institute of Railway and Urban Mass Transit，Tongji University，201804，Shanghai，China隨著城市軌道交通網的建設，精密儀器使用場所所在的區域難免會有地鐵穿過。地鐵運行會引起軌道和隧道結構振動，其振動輻射進入隧道周圍的土體，再由土體進入建筑。而精密及超精密儀器對使用環境的振動要求比較嚴格振動對精密儀器的正常使用影響十分突出，會出現數據測量不準確、信噪比差、重復性低、無法正常工作等問題［1］。在上海，軌道交通2號線東延伸區段在設計規劃和建設期間也曾遇到相似的問題［2］。微振動已經成為影響精密設備使用的關鍵性因素之一。

目前，我國并沒有專門的電子工業防微振技術標準，對超精密實驗加工環境振動的研究尚在起步階段［3-8］。因此，進行地鐵振動對精密儀器的影響預測和對策研究，具有非常重要的工程實用價值。

本文以某新建地鐵線規劃途徑某精密儀器廠內對微振動最敏感的三坐標測量機作為研究對象，用國家和國際標準進行分析評價，為預測地鐵振動對該類使用精度要求高的精密儀器的影響提供參考。

1　精密儀器振動標準及比較

1.1建筑工程容許振動標準

根據GB 50868—2013《建筑工程容許振動標準》第4.1.3條規定，三坐標測量機的測量精度ε≤1.0×10-6L。其中，L為坐標測量機的最大量程。其不同頻率下的容許振動值如表1所示。

表1　三坐標測量機頻域范圍的容許振動值

1.2通用振動（VC）標準

VC標準是國際上廣為接受的儀器容許振動等級。該指標以V三分之一倍頻程內的振動速度有效值作為評價指標，劃分為VC-A到VC-G七個級別。VC曲線規定的振動等級如圖1所示。

圖1　用于振動敏感設備的VC曲線

三坐標測量機振動限值在10 Hz以上，介于VC-C到VC-D之間，但在低頻段趨近于VCE。由于VC-E級幾乎是精密儀器微振動的極限要求，故而取VC-D為本次評價的限值。

1.3《電子工業防微振工程技術規范》征求意見稿標準

工程建設國家標準《電子工業防微振工程技術規范》征求意見稿中規定了精密儀器、設備的通用容許振動值，其要求與VC標準一致。而且意見稿中更加詳細地指出了高能激光實驗裝置、光纖拉絲塔等的容許振動值。其中，對光柵刻線裝置精密加工及計量行業設備、儀器和納米裝置的振動要求與GB 50868—2013《建筑工程容許振動標準》中一致。同時，《電子工業防微振工程技術規范》征求意見稿的附錄A還詳細地給出了微振動測試和數據處理分析的要求。

1.4標準比較

根據大量的試驗結果，精密儀器設備對振動的最大敏感點在頻域表達中表現為常值速度。另外，環境振動以隨機振動占主導，采用均方根值更能表示振動的統計特性。因此VC標準使用速度的均方根值作為參數最為簡便。

2　振動測試分析

對三坐標測量機所在的檢測室環境振動進行現場實測。

根據《建筑工程容許振動標準》，實測得到頻域范圍內的振動加速度峰中最大值為0.913 mm/s2，遠小于標準限值2.5 mm/s2；位移峰值最大值是0.50μm，小于標準限值的1.0μm。即實測結果滿足要求。

根據VC標準，實測得到的各測點速度信號三分之一倍頻程均方根值的最大值為5.87μm/s，小于VC-D的限值6.25μm/s的要求。

由此可知，現有環境振動不會對該精密儀器的使用產生不良影響。

原規劃的地鐵線路離該檢測室較近，而且地鐵運行對三坐標測量機這一精密儀器的影響缺乏數據。因此，測試分析時在已經運營的線路，選擇不同軌道隔振措施，并在0～40 m范圍內布置測點，用VC標準和《建筑工程容許振動標準》綜合評價該類精密儀器的環境微振動是否滿足其使用要求。

2.1測試地點

測試區間包括浮置板道床區間、剪切型減振扣件區間、一般DTV12型扣件區間。根據現場的實際測量條件，每個區間在測量范圍內布置4～5個測點。其中，浮置板道床區間的測點與上行線中心線距離分別為0 m、8 m、13 m、23 m、40 m；剪切型減振型扣件區間的測點與上行線中心線的距離分別為2.0 m、11 m、28 m、38 m、49 m；一般DTVI2型扣件區間的測點與上行線中心線的距離分別為7.6 m、11.2 m、21.1 m、40 m。

對各測點的振動加速度、振動速度各進行約90 min的測量。在測量時段內，上行列車數均為10列。由于列車運行對測試點振動情況有明顯影響的時間約為5 s，故以5 s為計算時長。以測量值的算術平均值作為評價指標。

分析評價時，假設該精密儀器所在的位置外界條件（如隧道埋深、土質、車輛線路情況、房屋基礎等）和三個區間相同，用VC標準和《建筑工程容許振動標準》綜合評價該類精密儀器的環境微振動是否滿足使用要求。

2.2頻域分析

按照《建筑工程容許振動標準》分析三個區間的豎向振動加速度峰值，得到其頻域范圍內對比圖（見圖2）。

由圖2可知，①浮置板道床區間與剪切型扣件區間的垂向振動加速度峰值均小于標準限值（見表1），滿足要求，且浮置板道床區間的減振效果較好。②DTVI2型扣件區間豎向振動加速度峰值最大值為9.5 mm/s2，大于標準限值（見表1），不滿足要求。

圖2　三個區間豎向振動加速度峰值對比圖

浮置板軌道減振效果明顯。當對應頻率＜8 Hz時，浮置板軌道區間的振動位移峰值圖如圖3所示。由圖3可知，當對應頻率＜8 Hz時，在測量范圍內的浮置板道床區間的振動位移峰值最大為1.243μm，大于標準限值1.0μm，不滿足精密儀器要求。

圖3　浮置板道床區間豎向位移峰值圖

由圖2、圖3可以看出，在測量范圍內，振動響應并非隨距離單調減少。在距上行線中心線30～ 40 m處，振動有一定放大。這驗證了振動放大區的存在［9-10］，且表明在距離地鐵線0～40 m的范圍內，振動并非隨距離的增加而衰減。

2.3按VC標準分析評價

為了進一步比較分析地鐵運行振動對精密儀器的影響，可將每個區間全部測點速度信號的三分之一倍頻程的均方根值曲線畫在一張圖中，從而得到三分之一倍頻程頻域下每一中心頻域的速度包絡線。

以浮置板道床區間為例，其測點1到測點5的豎向速度均方根值曲線和最大值包絡線如圖4所示。

圖4　浮置板道床區間振動速度三分之一倍頻程均方根值曲線及最大值包絡線

由圖4可知：

（1）浮置板道床區間的振動速度不滿足VCD的要求。各測點速度三分之一倍頻程均方根值的最大值為8.48μm/s，大于VC-D的限值6.25 μm/s。

（2）5個測點中，測點4（距離23 m處）在三個方向的振動速度最大值均在3.5μm/s以上，反而比更加靠近地鐵線路的測點1和測點2要大。這也進一步驗證了振動放大區的存在［10］。

（3）5個測點在10～80 Hz的范圍內時的振動速度差異不大，但在1～10 Hz的低頻范圍中差別明顯、測點3（距離13 m處）的縱向振動速度8.48 μm/s遠大于VC-D的限值6.25μm/s，不滿足精密儀器的使用要求，但同時測點3的振動速度在豎向又是最小的。

用同樣的方法求得三個區間的速度信號的均方根值包絡線如圖5所示。將三個區間的振動測試數據按照VC標準的要求進行評價，其中，VC-D的要求是6.25μm/s。

由圖5可知：

（1）在測量范圍內，三個區間的地鐵運行時地面振動均不滿足VC-D的要求。

（2）地鐵運行時，三個區間的地面振動速度都主要集中在1～5 Hz的低頻范圍。

（3）在1～5 Hz的低頻范圍內：浮置板道床區間的豎向、橫向振動速度較小，但縱向振動速度較大；剪切型扣件區間的豎向、縱向振動速度較小，但橫向振動速度較大；DTVI2型扣件區間的豎向、橫向振動速度較大，但縱向振動速度較小。在5～80 Hz的范圍內，三個區間在三個方向上的振動差異不大。

3　隔振措施

為確保精密儀器能順利安裝使用，可采取被動隔振措施。常用的措施為設置隔振平臺。

隔振平臺的隔振效果以振動的傳遞率TV來表示：

式中：

TV——振動傳遞率，dB；

vin——輸入的速度值，即三分之一倍頻程下每一中心頻率的包絡線速度有效值，μm/s；

圖5　三個區間速度的均方根值包絡線圖

vb——輸出的速度值，即VC標準下對應的速度有效值限值，μm/s，其VC-D對應的限值為6. 25μm/s。

以一般DTV12型扣件區間橫向測試點的結果為例，分析其隔振效果。圖6是一般DTV12型扣件區間三分之一倍頻程速度的均方根值包絡線圖。根據式（1）求得一般型扣件區間測點的傳遞率，如圖7所示。由圖7可知，應該在1.0～1.5 Hz頻率下提供針對性的被動隔振。且要求隔振平臺在1.0～1.5 Hz頻率下提供不少于2 dB的橫向隔振能力。

圖6　一般DTV12型扣件區間三分之一倍頻程速度的均方根值包絡線圖

圖7　一般型扣件區間測點的被動隔振傳遞率圖

4　結語

本文比較了涉及精密儀器的現行國家標準、國際標準以及電子工業防微振技術規范征求意見稿，對該地區已經運營的地鐵線路不同隔振措施區段一定范圍內的地面振動進行測試和分析，并用精密儀器的評價參數進行類比。結果表明：

（1）在40 m的范圍內，如考慮地鐵運行的影響，則三坐標測量機及其同類精密儀器的環境微振動將超出標準限值，無法滿足振動控制要求；如忽略外界條件，則參考上海軌道交通2號線的試驗可知，在距離地鐵中心線162 m處的振動速度滿足VCD振動控制要求，且減振軌道對遠場振動幾乎無減振效果［2］。

（2）三個不同軌道結構的振動在0～40 m范圍內都不隨距離而衰減。浮置板道床區間和剪切型扣件區間在25m左右處存在振動區，DTVI2型扣件區間在40 m左右處存在振動放大區。只有離開振源距離足夠大，振動能量才會有效減小。

（3）可針對單臺高要求的精密儀器進行防微振處理（如采用高剛性底座、高性能隔振裝置等）。采用被動隔振措施時，在一般DTV12型扣件區間，隔振平臺在1.0～1.5 Hz頻率下的速度傳遞率不能低于2 dB。

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Prediction and Countermeasure for the Influence of Metro Vibration on Precise Instrument

Xie Yingsong，Li Li，Wang Longbing

An electronics industry is located near a planned metro line in Suzhou City.In order to evaluate the vibration influence induced by metro train on the high-precision 3-coordingate measuring machine produced in this factory and provide vibration reduction suggestions to the metro operation company，the vibration on the ground during the operation of metro train was tested in different track vibration isolation sections of Suzhou metro Line 2，and analyzed by national and international evaluation parameters of precise equipment.Results show that the ground vibration during metro operation in different track vibration isolation sections could not meet the requirements of VC-D，and the displacement amplitudes on the ground have exceeded the limit of international standard when the floating slab track is used，at the same time，the existence of vibration amplifying zone has been verified.Some suggestions are put forward to adopt necessary isolation methods for precise instrument.

metro；precise instrument；micro-vibration；vibration evaluation

U 211.3∶U 231

10.16037/j.1007-869x.2016.03.010

*國家自然科技基金項目（51408434）

（2015-07-08）