場地振動響應與地鐵運行速度的變化特征分析

劉必燈，鄔玉斌，宋瑞祥，何蕾，張婧

（北京市勞動保護科學研究所，北京 100054）

引言

城市軌道交通是解決人口集中型城市擁堵和高效出行的最有效方案之一，這得益于其高效安全、節能省地且污染小的優點。據中國城市軌道交通協會發布的2018年年報[1]，截止2018年年末，全國35個城市已開通軌道交通，總運營里程超5700km，在建線路里程超6300km，2018年度全國累計完成客運量達210億人次；以北京和上海為例，兩座城市軌道交通總運營里程數分別達713和785km，日均客運量均超過1000萬人次。高峰時段全國平均發車間隔為265s，平均日運營時長16.6h，平均車公里能耗僅4.09kW·h，運營效率高、安全且能耗低。現階段軌道交通線路以地鐵為主，如北京軌道交通713km的總運營里程中地鐵里程達617km。這說明地鐵在城市集約化發展進程中扮演著越來越重要的角色。地鐵在帶來便利的同時，對沿線居民住宅及敏感建筑造成的環境振動與噪聲污染問題[2、3]也不容忽視，處理失當將會直接影響宜居城市建設歷程。但是，隨著地鐵建設的迅猛發展，其運行引起的振動污染問題越來越凸顯，如北京市西直門地鐵線路150m處的五層居民樓內振動能明顯被人感知，且長時間振動會致室內家具移位[4]；北京地鐵某線路運行致使沿線某單位宿舍樓長期實測振動超過80dB，引起了市政府的高度關注。

地鐵運行所致的振動與噪聲受諸如列車結構形式及運行模式、軌道結構及減振措施、隧道結構等多種因素的影響。列車運行模式主要與輪軌—道床—隧道結構的耦合振動有關，同時也和列車通過速度變化引起的輪軌相互作用強烈程度有關。隨著列車運行的速度越來越高，在有限的列車運行區間內，列車加減速越來越頻繁，例如北京某最高設計時速160km的線路，從0～100km時速加速距離僅為40m。因此研究在有限區間內列車運行引起的隧道結構和場地土振動隨列車運行速度的影響意義重大，這將為線路減振設計、線路近距離物業開發時場地上建筑布局具有重要的指導價值。本研究對北京市某地鐵線路速度快速增加行車區間段的隧道結構和場地土振動進行實測分析，初步揭示場地振動響應與地鐵列車運行速度的變化特征，將為后期減振措施建議、工程場地上建筑結構功能區劃分提供依據。

1 現場試驗

北京市有關科研所于2019年對北京市某地鐵車站附近不同車速斷面處線路道床、軌道、隧道結構、場地土進行了豎向振動測試，以了解地鐵運行車速對外環境振動影響規律。該測試區段為普通整體道床，未采用軌道減振措施，軌道系統采用1435mm標準軌距和60kg/m鋼軌，車輛形式為B型車6節編組、軸重14t，隧道埋深30～33m。地鐵隧道內振動測試工作采用24h不間斷連續測量，在350m范圍內布設了3個車速70～90km/h的測試斷面，共獲取了超過250組軌道—道床—隧道壁振動數據。場地土振動測試工作在列車活動頻繁的晚高峰時段開展，在350m范圍內布設了4個車速70～90km/h的測試斷面，共獲取了超過20組場地土振動數據，測點布設見圖1，其中T1測點位置為明挖區間隧道位置、T2、T3為盾構區間隧道位置。研究分析了3個隧道測試斷面中洞壁測點的250次列車通過振動時程數據，這三個測點相距分別為220m和130m，列車通過車速分別為70km/h、80km/h、90km/h，測點位于距軌面高約1.9m處，加速度計通過底座強力磁鐵吸附在用AB膠粘貼于洞壁的L型鐵支架上，見圖2（a）。同時還分析了4個場地土測試點的20次列車通過時程，這四個測點相距分別為100m、150m和100m,列車通過車速分別為70km/h、75km/h、85km/h、90km/h,測點位于隧道中心線兩側20m范圍的場地土上，加速度計固定在堅硬地面上，當為非硬化地面時先打鋼釬以實現傳感器和地面穩固接觸，以達到和硬化地面相似的測點布設條件，見圖2（b）。

圖1 測點布置示意圖

圖2 測點示意圖

測試中采用了8344型壓電加速度計[5]和INV3062T型采集儀，傳感器經TMS9110D便攜式振動校準器現場校準。8344型加速度計具有測量范圍大、靈敏度高且噪聲小等特點，其技術特點見表1。3062T型采集儀具有4個24位高精度AD采集通道，動態范圍保證值達110dB，采樣率可達51.2kHz且頻率分辨率誤差小于0.01%，量程可選10V/1V/0.1V，誤差小于0.05mVrms（@±10V），總諧波失真為-70dB。9110D型振動校準器可實現5～10 000Hz、幅值最大20g的調頻式校準，5～10Hz和10～10 000Hz加速度校準精度分別達5%和3%。加速度計現場校準結果與其出廠標定值一致，偏差小于±0.01dB，試驗中其參數采用出廠值。

表1 B&K 8344型壓電晶體加速度傳感器技術指標

振動基本評價指標采用了最大Z計權振動加速度級VLZmax，其含義是規定測量時間T內，Z計權振動加速度級VLZ的最大值，單位為dB。其中VLZ是按GB/T 13441.1規定的計權因子[6]修正后得到的振動加速度級VAL，單位為dB；VAL是指加速度與基準加速度之比的以10為底的對數乘以20，基準加速度取10-6m/s2。

2 試驗結果分析

表2列出了隧道壁及地面振動的最大Z振級隨不同列車通過車速時的變化特點，圖3給出了3個隧道壁測點振動隨列車車速變化的最大Z振級變化圖，圖4給出了4個地面測點振動隨列車車速變化的最大Z振級變化圖。從圖3、圖4和表2中可看出，無論是最大值、最小值還是平均值，區間隧道里洞壁結構豎向振動的最大Z振級隨列車通過車速增加而增加，車速達90km時平均值達到79dB；地面測點豎向的最大Z振級也隨列車通過車速增加而增加，當隧道中列車通過車速達90km時其上方場地土振動達71.9dB。整體而言，無論是隧道壁振動還是隧道外地面振動都表現出豎向振動與列車通過車速的正相關性。從隧道壁和場地土最大Z振級隨列車車速增加的增幅來看，其增幅都遠大于《環境影響評價技術導則-城市軌道交通》（HJ 453—2018）[7]中關于振級隨速度修正的“導則模型”計算值，分析原因，這可能與所選的幾個測試斷面處于明挖矩形區間隧道和圓形盾構區間隧道交界區，其振動源強特征本身的差異性有關。從初步測試結果看，利用導則模型進行低速預測高速振動量時會偏于不安全。同時，也應指出，該研究的結果還需進行更多工況的試驗和更多測試數據的支撐，后期將開展這方面的深入研究。

表2 測點振動實測最大Z振級

圖3 不同隧道洞壁測點振動隨車速變化圖

圖4 不同地面測點振動隨車速變化圖

另外，由于列車通過車速為70km/h的測線位于明挖矩形區間隧道中，其T1洞壁豎向振動較小，S1洞外地面振動較大，這可能與明挖矩形區間隧道自身結構體量較大，能較好的抑制振動有關；列車通過車速為90km/h的T3測點位于盾構區間隧道中，其T3洞壁豎向振動較大，S4洞外地面振動較小，洞壁到地面振動表現為衰減特征。

圖5給出了4個場地土測點振動隨列車車速變化的多組數據算術平均1/3倍頻程變化圖，該1/3倍頻程考慮了人體計權因子[6]。

圖5 不同地面測點振動頻譜隨車速變化圖

從圖5可看出，近隧道地面場地土振動頻率成分主要集中在25～125Hz之間，通過車速為70km/h的S1測點和75km/h的S2測點平均1/3倍頻程卓越頻率為80Hz，通過車速為85km/h的S3測點和90km/h的S4測點平均1/3倍頻程卓越頻率為63Hz。總體而言，地鐵運行誘發地面振動卓越頻率隨著車速增加有降低的趨勢。但應該注意到，從地面測點振動10～25Hz中頻段振級來看，車速為70～75km/h時振級值要顯著大于車速85～90km/h時振級值。因此，可以認為在10～25Hz的中頻段地鐵運行誘發地面振動隨車速增加而降低，在25～125Hz的中高頻段地鐵誘發地面振動隨車速增加而增加。

3 結語

對北京市某地鐵不同車速斷面處線路的隧道洞壁及其上部場地土進行了豎向振動測試，分析了地鐵運行車速對環境振動的影響規律。在350m范圍內布設了3個隧道洞壁測點和4個場地土測點，車速從70km/h逐漸增加到90km/h，獲取了超過250組隧道洞壁連續測試振動數據和超過20組場地土連續測試振動數據。分析表明：

（1）隧道壁振動和場地土豎向振動與列車通過車速表現為明顯的正相關性，隧道洞壁結構豎向最大Z振級隨列車通過車速增加而增加，車速達到90km時平均值達到79dB；地面測點豎向最大Z振級也隨列車通過車速增加而增加，車速達90km時其上方地面振動達到71.9dB。

（2）列車通過車速為90km/h的盾構區間隧道洞壁豎向振動大于地面振動，洞壁到地面振動表現出明顯的衰減特征。

（3）地鐵運行誘發地面振動頻率成分主要集中在25～125Hz，隨著車速增加測點振動平均1/3倍頻程卓越頻率從80Hz逐漸降低至63Hz。在10～25Hz的中頻段地鐵運行誘發地面振動隨車速增加而降低，在25～125Hz的中高頻段地鐵誘發地面振動隨車速增加而增加。

該研究僅給出了初步分析結果，其相關結論還需經過后期多工況補充測試數據的驗證，列車通過車速與外環境振動強度的定量關系還需進行深入研究。