地鐵出入段線類矩形盾構隧道振動傳遞特性測試分析

劉愛德 張 斌 許永富

(1. 寧波市軌道交通集團有限公司，315101，寧波；2. 隔而固(青島)結構設計事務所有限公司，266108，青島//第一作者，高級工程師)

地鐵列車在隧道內軌道上運行時，由輪軌激勵產生振動并通過軌道—隧道—土壤傳遞至地面及建筑物[1]。隧道形狀與振動響應密切相關[2]。目前，軌道交通常用的隧道形狀有圓形、馬蹄形等，許多專家學者對其進行了大量的振動分析研究。文獻[3]對北京地鐵5號線圓形盾構隧道與馬蹄形隧道內采用不同減振措施時，鋼軌、道床和隧道壁的振動特性進行了振動測試分析與理論驗證。文獻[2]對上海軌道交通8號線單圓與雙圓盾構隧道進行了測試分析，在單列車運行的情況下，相同測點處雙圓盾構隧道的豎向振動加速度峰值小于單圓盾構隧道。文獻[4]對上海某軌道交通線路圓形隧道上方的地面振動進行了測試分析，發現由列車引起的地面振動存在放大區。文獻[5]對上海某軌道交通線路圓形盾構隧道內與自由場地的振動頻譜特性及傳遞規律等進行了測試分析，同時對鄰近建筑物的室內舒適度作了評估。文獻[6]對北京地鐵15號線圓形盾構隧道小半徑曲線段地面進了實測，分析了地鐵列車通過曲線段時引起地面振動加速度的時域和頻域的傳播規律。文獻[7]對上海軌道交通1號線圓形隧道進行了振動測試，并結合數值分析，研究了振動波在地表的傳播規律。文獻[8]對某地鐵1號線馬蹄形隧道引起的地面振動實況和振動特性及其傳播規律進行實測分析，發現存在一個振動放大區及主要響應頻帶。文獻[9]對北京地鐵1號線東單站—建國門站區間馬蹄形隧道進行了現場測試，得出環境背景振動、道路公交振動等地面車輛和地鐵的地面振動響應規律。

寧波地鐵大斷面類矩形盾構隧道在我國尚屬首次應用[10]，為目前世界上最大斷面的類矩形盾構隧道，振動實測數據缺乏。本文選取寧波地鐵3號線一期工程的出入段線類矩形盾構隧道，對其進行了隧道-地面同步測試，并分析了其振動傳遞規律。

1 寧波地鐵3號線一期工程出入段線試驗段測試概況

1.1 測試斷面及測點布置

測試斷面位于寧波地鐵3號線一期工程里程為CK 0+379.5的出入段線試驗段(以下簡為“試驗段”)。出段線和入段線曲線半徑分別為405 m和400 m。出段線隧道頂面距地面的距離為7.7 m，隧道底面距地面的距離為14.6 m。試驗段測試斷面及測點布置示意如圖1所示。采用普通整體道床，鋪設60 kg/m鋼軌、DTⅢ2型扣件。采用施工運輸車作為激勵，運輸車由牽引機車與拖車組成，牽引機車總質量約45 t(軸距為2.6 m，軸重為22.5 t)，拖車總質量約23 t(軸距為1.15 m，定距為4.1 m，軸重為5.75 t)。

在隧道內壁距鋼軌頂面1.5 m處布置豎向測點；同時在地面布置4個豎向測點，與出段線的中心線距離分別為0 m、5 m、15 m、30 m。

圖1 試驗段測試斷面及測點布置示意圖

1.2 測試儀器及測試內容

隧道內測試采用LMS SCADAS Mobile SCM 01采集系統和PCB 356A17型加速度傳感器，加速度傳感器量程為±10g，頻率范圍為0.5～3 000 Hz。地面測試采用東方所INV 3062-C1(L)型采集系統和LANCE LC 0116型加速度傳感器，加速度傳感器量程為±0.5g，頻率范圍為0.1～300 Hz。采樣頻率設定為1 024 Hz。

本次測量分為一列列車在出線段運行與兩列列車在出段線和入段線同向并行運行兩種工況。兩車反向交會運行并同時經過待測斷面的情況較難控制，因此采用兩車同向并行來模擬兩車交會工況。為避免測試時的隨機干擾，兩種工況均選擇10組效果較好的數據進行分析。

文獻[11]研究表明，隨著車速增加，振動總體呈增大趨勢。受車輛條件限制，本文僅測試分析列車勻速運行工況，運行速度取9 km/h。

2 時域分析

2.1 振動加速度時程

圖2～4為一列列車運行工況與兩列列車同向并行運行工況下隧道壁測點與地面典型測點振動加速度時程曲線。由圖2～4可以看出：

(1)兩列列車并行運行時，時域信號中的過車信號更加明顯。

(2)隧道壁振動加速度時程峰值在10-1m/s2量級，地面各測點振動加速度峰值主要在10-2m/s2量級。

a) 一列列車運行b) 兩列列車運行

圖2 隧道壁典型測點振動加速度時程曲線

圖3 一列列車運行工況下地面典型測點振動加速度時程曲線

2.2 振動加速度有效值

將振動加速度有效值arms定義為：

(1)

式中：

a(t)——加速度時間函數；

t——分析時間長度。

根據式(1)計算得到施工運輸車經過測試斷面時間段各測點振動加速度有效值均值，繪制兩種行車工況下各測點振動加速度有效值變化曲線，如圖5所示。由圖5可以得到如下結論：

圖5 各測點振動加速度有效值變化曲線

(1)兩列列車同向并行運行工況下的同一測點振動加速度有效值大于一列列車運行工況。兩列列車同向并行運行工況下，各測點振動增大效應較為明顯。

(2)兩種行車工況下，過車引起的振動由隧道壁向地面各測點傳播過程中，呈波動衰減趨勢。振動加速度有效值由隧道壁傳播至出段線中心線正上方測點1的衰減幅度較大。

(3)地面振動加速度有效值的最大值并非在出段線中心線正上方測點1處出現，而是在偏離出段線中心線5 m的測點2處出現。

(4)在橫向距離出段線中心線30 m處的測點4振動加速度有效值比測點3(橫向距離出段線中心線15 m處)有反彈放大現象，且該現象與文獻[8]類似。

3 頻域分析

3.1 振動加速度級

根據GB 10071—1988《城市區域環境振動測量方法》[12]，振動加速度級Val的計算公式為：

Val=20·lg(arms/a0)

(2)

式中：

a0——基準加速度，一般取10-6m/s2。

兩種行車工況下隧道壁測點與地面各測點振動加速度級如圖6～7所示。由圖6～7可以看出：

圖6 一列列車運行工況下各測點振動加速度級

(1) 兩列列車同向并行運行工況下，隧道壁測點的加速度級在3 Hz頻段，大于單一列車運行工況；在3 Hz以內頻段，兩種行車工況下振動加速度級交替變化。兩種行車工況下振動加速度級均在200 Hz處出現最大值。

(2)兩種行車工況下，地面各測點在40 Hz以內頻段振動頻譜特性較一致；對于40 Hz以上頻段，測點1、2處振動頻譜特性較為一致；測點3、4處振動頻譜特性較一致。

(3)地面各測點隨著與出段線中心線距離增加，大部分頻帶振動逐漸減小。測點1、2在30 Hz以上頻帶振動較為顯著，測點3、4在30 Hz附近頻帶振動較為顯著。

3.2 兩種行車工況對比分析

對兩種行車工況下各測點振動響應進行對比，并分析兩列列車同向并行運行時的振動放大效應。兩列列車同向并行運行與一列列車運行工況各測點振動加速度級差值如圖8所示。由圖8可以看出：

(1)兩列列車同向并行運行工況相對于一列列車運行工況各測點振動加速度級在4 Hz處放大最顯著。

(2)隧道壁測點在1.25 Hz、2.5 Hz處振動均減小0.01 dB；在其他頻帶處均有所放大，其中在4 Hz處達到最大值，為8.01 dB。

(3)地面測點1在1.25～1.6 Hz頻帶振動減小0.01～1.21 dB，在其他頻帶均有所放大，在4 Hz處達到最大值，為9.82 dB。

(4)地面測點2在1.6 Hz處振動減小0.57 dB，在其他頻帶均有所放大，在4 Hz處達到最大值，為13.79 dB。

(5)地面測點3在1.25～1.6 Hz頻帶處振動減小0.18～1.22 dB，在其他頻帶均有所放大，在4 Hz處達到最大值，為12.92 dB。

圖8 兩種行車工況下各測點的振動加速度級差值

(6)地面測點4在1 Hz處振動減小3.13 dB，在其他頻帶處均有所放大，其中在4 Hz處達到最大值，為11.75 dB。

3.3 振動傳遞衰減分析

將隧道壁測點作為參考點，計算兩種行車工況下隧道壁至地面各測點的振動傳遞損失，用以評價類矩形隧道與寧波軟土場地的振動傳遞衰減特性。

圖9與圖10分別為一列列車運行工況與兩列列車同向并行運行工況下隧道壁至地面各測點振動傳遞損失。由圖9～10可以看出：

圖9 一列列車運行工況隧道壁至地面各測點振動傳遞損失

圖10 兩列列車同向并行運行工況隧道壁至地面各測點振動傳遞損失

(1)一列列車運行工況下，隧道壁至測點1的傳遞損失值為1～2 Hz時的頻帶為負值，振動加速度級為-4.41～-2.41 dB，說明這些頻帶振動由隧道壁傳遞至測點1時并未衰減，反而有所放大，在200 Hz處，傳遞損失值達到最大，為26.30 dB；測點2在各頻段均呈現振動衰減的趨勢，在200 Hz處，傳遞損失值達到最大，為27.62 dB；測點3在1.6 Hz內振動傳遞損失為-1.34～-0.33 dB，在200 Hz處，傳遞損失值達到最大，為46.49 dB；測點4處于2 Hz內的振動衰減為-4.41～-0.19 dB，在160 Hz處，傳遞損失值達到最大，為41.95 dB。

(2)兩列列車同向并行運行工況下，隧道壁至測點1傳遞損失值在1～2 Hz及4～5 Hz附近頻帶的振動加速度級為-4.21～-0.32 dB，說明這些頻帶振動由隧道壁傳遞至測點1處時并未衰減，反而有所放大，傳遞損失值在200 Hz時達到最大，為24.84 dB；測點2傳遞損失在4～5 Hz附近頻帶為-2.62～-2.00 dB，其他頻段振動均衰減，在200 Hz時達到最大，為26.08 dB；測點3傳遞損失在1～1.25 Hz及5 Hz附近時的頻帶為-1.17～-0.31 dB，其他頻段振動均衰減，在200 Hz時達到最大，為42.15 dB；測點4傳遞損失在1～1.6 Hz附近的頻帶為-3.14～-0.55 dB，其他頻段振動均衰減，在200 Hz時達到最大，為39.09 dB。

4 振動評價

現行的用于評價軌道交通環境振動水平的標準及評價指標主要為GB 10070—1988《城市區域環境振動標準》[13]規定的Z振級Vlz與JGJ/T 170—2009《城市軌道交通引起建筑物振動與二次輻射噪聲限值及其測量方法標準》[14]規定的分頻最大振級Vl，max。本次測試在晝間進行，故均采用晝間限值進行評價。

4.1 Z振級評價

Vlz按照全身振動Z計權因子修正后得到振動加速度級，其頻率計權范圍為1～80 Hz。文獻[13]規定以列車通過的Z振級的算術平均值作為評價量。

Z振級計算如下：

Vlz=10×lg(∑10(Val+cf)/10)

(3)

式中：

cf——Z計權因子，具體取值見文獻[12]。

各測點由10組數據計算得到的Z振級算術平均值見表1。

表1 各測點Z振級均值 dB

由表1可以看出：

(1)一列列車運行工況下，隧道壁Z振級僅滿足“鐵路干線兩側”限值80 dB的要求，地面各測點Z振級均滿足“居民、文教區”限值70 dB(晝間)的要求。

(2)兩列列車同向并行運行工況下，隧道壁Z振級超過“鐵路干線兩側”限值80 dB，地面各測點Z振級除測點3滿足“交通干線道路兩側”限值75 dB(晝間)以外，其他3個測點僅滿足“鐵路干線兩側”限值80 dB的要求。

(3)兩列列車同向并行運行工況相對于一列列車運行工況，隧道壁Z振級增大5.4 dB，地面測點1、2、3、4處Z振級分別增大5.8 dB、7.8 dB、6.7 dB和7.3 dB。當地面建筑剛好處于兩車交會處，可能對建筑物振動評價產生不利影響。

4.2 分頻最大振級評價

文獻[14]規定：Vl,max在4～200 Hz頻率范圍內采用1/3倍頻程中心頻率，且按不同頻率計權因子修正后的分頻最大振級。各測點由10組數據計算得到的分頻最大振級算術平均值如表2所示。

表2 各測點Vl,max的算術平均值 dB

由表2可以看出：

(1)一列列車運行工況下，隧道壁Vl,max滿足“交通干線道路兩側”限值75 dB(晝間)要求，地面各測點Vl,max均滿足“特殊住宅區”限值65 dB(晝間)的要求。

(2)兩列列車同向并行運行工況下，隧道壁Vl,max超過“交通干線道路兩側”限值75 dB，地面測點1、2、3滿足“交通干線道路兩側”限值75 dB(晝間)，測點4滿足“居住、商業混合區，商業中心區”限值70 dB的要求。

(3)兩列列車同向并行運行工況相對于一列列車運行工況，隧道壁Vl,max增大5.8 dB，地面測點1、2、3、4處Vl,max分別增大7.1 dB、11.2 dB、6.5 dB和7.0 dB。

5 結論

通過對寧波地鐵3號線一期工程出入段線類矩形隧道進行振動測試分析，主要得出以下結論：

(1)兩種行車工況下，隧道壁振動加速度時程峰值主要在10-1m/s2量級；地面各測點振動加速度峰值主要在10-2m/s2量級。過車引起的振動由隧道壁向地面各測點傳播過程中，呈波動衰減趨勢。地面振動加速度有效值的最大值在距離出段線中心線5 m處出現，且30 m處振動相對于15 m處存在反彈放大現象。

(2)兩列列車同向并行運行工況相對于一列列車運行工況，各測點振動加速度級在大多數頻段均有增大，在4 Hz處最顯著。兩種行車工況，隧道壁至地面各測點，高頻段振動傳遞損失較低頻段大。大部分測點在5 Hz以內頻段傳遞損失均出現負值，說明此頻段附近振動加速度由隧道壁傳遞至地面有放大現象。

(3)一列列車運行工況下地面各測點Z振級與Vl,max基本能滿足對環境振動要求較高的公共區域及以住宅為主的私家區域的要求，但兩列列車同向并行運行工況不能滿足此類區域的要求。因此在選線設計時，建議考慮兩車交會運行對環境振動的影響。