地鐵車輛經(jīng)過不同軌道結(jié)構(gòu)時(shí)對地面振動的影響研究

戚柳飛, 王安斌, 謝鎣松, 劉 浪, 鞠龍華

（上海工程技術(shù)大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院，上海201620）

隨著我國城市軌道交通的快速發(fā)展，市民都享受到了地鐵帶來的便捷，然而隨之帶來的就是地鐵引起的振動和噪聲問題，且該問題已經(jīng)嚴(yán)重影響到了周圍居民的日常生活。目前，由地鐵運(yùn)行而引起的振動和噪聲已經(jīng)成為了國際公認(rèn)的七大環(huán)境公害之一[1]。

針對地鐵運(yùn)行引起的振動問題，國內(nèi)外已有眾多學(xué)者和專家對其進(jìn)行了相關(guān)研究。其中國內(nèi)研究主要集中于在某種軌道結(jié)構(gòu)斷面對應(yīng)的地面不同距離處（室內(nèi)外）進(jìn)行測試或仿真分析[2-7]，國外研究主要是對軌道交通引起建筑物的振動進(jìn)行分析[8-10]，國內(nèi)外都較少對具有不同軌道結(jié)構(gòu)形式的隧道內(nèi)的振動和對應(yīng)地面振動進(jìn)行分析研究。

為了分析某條地鐵線路不同軌道結(jié)構(gòu)對地面振動影響的差異，在正常運(yùn)營條件下，對該地鐵線路同一區(qū)域3種不同軌道結(jié)構(gòu)的隧道壁和地面振動進(jìn)行對比測試。通過時(shí)域分析和頻域分析，得到在不同的軌道結(jié)構(gòu)處列車運(yùn)行引起的振動沿地面的傳播規(guī)律，可以為地鐵線路設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的參考。

1 測試概況

1.1 現(xiàn)場環(huán)境

選取某條地鐵線路進(jìn)行地面振動測試。測點(diǎn)布置在同一區(qū)間的小半徑曲線段上（曲線半徑為R=365 m），如圖1所示。

圖1 測試場地平面圖

在上行線的3個(gè)不同的道床結(jié)構(gòu)處各取一個(gè)斷面測試地面振動，且相鄰的兩個(gè)斷面之間的距離超過300 m，對其它斷面振動測試無影響。在隧道內(nèi)每個(gè)斷面的隧道壁安裝1 個(gè)垂向和1 個(gè)橫向的振動加速度傳感器來測試隧道壁的垂向振動，具體布置情況如圖2所示。

圖2 振動加速度計(jì)布置位置

在每個(gè)測試斷面垂直于線路走向布置3個(gè)地面垂直振動的監(jiān)測點(diǎn)，具體如下：

(1)斷面1（鋼彈簧浮置板道床）：距離上行線隧道的水平距離分別為0、15 m和30 m(下方為地下停車庫)；

(2)斷面2（科隆蛋）：距離上行線隧道的水平距離分別為-15 m（15 m 處正好在馬路中央，而-15 m處正好在下行線隧道正上方）、0和30 m；

(3)斷面3（普通扣件）：距離上行線隧道的水平距離分別為0、15 m和30 m（30 m處測點(diǎn)處于一個(gè)大型綜合體內(nèi)，擁有地下一層商場和地下二層的停車庫）。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器和測試內(nèi)容

本次測試列車為A 型車，6 節(jié)編組，長度約140 m。分別在3個(gè)不同的斷面處，同時(shí)測試單列車通過時(shí)距離上行線不同距離的垂向加速度數(shù)值，每個(gè)斷面的所有測試點(diǎn)都采集20 組以上的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。

進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析的測試儀器和設(shè)備如下：NI USB-6216 型信號采集器、PCB-480E09 型信號放大器、PCB-393B12 型加速度傳感器（量程為0.5 g）和專業(yè)分析軟件。

2 地鐵所致環(huán)境振動評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 加速度Z振級

由于測點(diǎn)所在地多為居住、商業(yè)混合區(qū)和商業(yè)中心，因而采用Z 振級作為環(huán)境振動評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 2631-1 規(guī)定：全身振動Z 計(jì)權(quán)因子修正后得到的振動加速度級，簡稱振級，記為VLZ，單位為dB。其計(jì)算公式為

式中：a0為振動基準(zhǔn)加速度有效值，a0=10-6m/s2；arms為計(jì)權(quán)后的振動加速度有效值，m/s2。

2.2 分頻最大振級

測量的鉛垂向振動加速度應(yīng)按照1/3 倍頻程中心頻率的Z計(jì)權(quán)因子進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，評價(jià)量為1/3倍頻程中心頻率上的最大振動加速度級（簡稱分頻最大振級，記為VLmax）。

根據(jù)GB 10070《城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，城市軌道交通沿線建筑物根據(jù)其功能應(yīng)用和室內(nèi)振動限值按照表1分類。

表1 交通沿線建筑物室內(nèi)限值和分類

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

3.1 隧道壁-地面加速度頻譜分析

對3個(gè)測試斷面的隧道壁和隧道正上方地面的測點(diǎn)加速度進(jìn)行頻譜分析，得到地鐵經(jīng)過各個(gè)斷面時(shí)，振動由隧道壁傳播到地面的振動頻率特征。

通過文獻(xiàn)[5-6]可知，隧道壁振動以500 Hz以下的低頻振動為主，因而在分析隧道壁-地面振動的傳播規(guī)律時(shí)分析頻率取為1 Hz～500 Hz。

3 個(gè)斷面的隧道壁和隧道正上方的加速度頻譜圖如圖3至圖6所示。

從圖3至圖6可知：

（1）3 個(gè)斷面的垂向振動和橫向振動從隧道壁傳至地面時(shí)，在200 Hz～500 Hz范圍內(nèi)衰減較快。

（2）鋼彈簧浮置板斷面的隧道壁垂、橫向振動主頻都為20 Hz～100 Hz，傳播至地面時(shí)主頻都為25 Hz～50 Hz。科隆蛋斷面的隧道壁垂、橫向振動主頻都為260 Hz～300 Hz，振動傳播至地面時(shí)主頻都為30 Hz～75 Hz。普通扣件斷面的隧道壁垂向振動主頻為30 Hz～175 Hz和200 Hz～270 Hz，振動傳播至地面時(shí)主頻為40 Hz～100 Hz；隧道壁橫向振動主頻為200 Hz～270 Hz，振動傳播至地面時(shí)主頻為40 Hz～100 Hz。可見隧道壁的振動頻率主要在300 Hz 以下，地面振動頻率主要在100 Hz 以內(nèi)，以低頻為主。

圖3 不同斷面隧道壁垂向加速度頻譜曲線

圖4 不同斷面地面0 m處垂向加速度頻譜曲線

圖5 不同斷面隧道壁橫向加速度頻譜曲線

圖6 不同斷面地面0 m處橫向加速度頻譜曲線

（3）除了鋼彈簧浮置板處隧道壁橫向振動大于垂向振動外，科隆蛋和普通扣件斷面處與之相反，這和王劉翀等[7]測試結(jié)果一致，其原因可能是鋼彈簧浮置板處輪軌相互作用增大，導(dǎo)致橫向振動大于垂向振動。

3.2 地面振動時(shí)域分析

3 種不同軌道結(jié)構(gòu)對應(yīng)的地面距離線路中心線0、15 m 或-15 m）和30 m 處的垂向振動加速度時(shí)域曲線如圖7至圖9所示。具體數(shù)據(jù)結(jié)果見表2所示。

由圖7至圖9及表2可知，0～30 m范圍內(nèi)，鋼彈簧浮置板斷面對應(yīng)的地面垂向振動最小，科隆蛋對應(yīng)的結(jié)構(gòu)斷面次之，而普通扣件斷面對應(yīng)的地面垂向振動最大，其原因是普通扣件不具有減振降噪作用。

表2 3種軌道結(jié)構(gòu)對應(yīng)地面振動值/(m?s-2)

3.3 地面振動頻域分析

從3.1小節(jié)可知，由于輪軌關(guān)系產(chǎn)生的振動在軌道-隧道-地面的傳播過程中高頻振動已經(jīng)基本衰減結(jié)束，因而地面垂向振動頻域分析的中心頻率最大值取200 Hz。3種軌道結(jié)構(gòu)斷面距離上行線隧道中心不同距離的垂向加速度Z 振級隨1/3 倍頻程的變化趨勢如圖10至圖12所示。

圖7 3種軌道結(jié)構(gòu)在0 m測點(diǎn)處垂向振動加速度時(shí)域曲線

圖8 3種軌道結(jié)構(gòu)在15 m（科隆蛋為-15 m）測點(diǎn)處垂向振動加速度時(shí)域曲線

圖9 3種軌道結(jié)構(gòu)在30 m測點(diǎn)處垂向振動加速度時(shí)域曲線

圖10 垂向Z振級1/3倍頻程圖-鋼彈簧浮置板

由圖10可知，在鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)處的0 m測點(diǎn)測得垂向加速度Z振級最大，其次是15 m處，30 m處最小。

圖11 垂向Z振級1/3倍頻程圖-科隆蛋

由圖11可知，在科隆蛋軌道結(jié)構(gòu)處的-15 m 測點(diǎn)測得垂向加速度Z振級最大，其次是0 m處，最小的是30 m 處，其原因是-15 m 處測點(diǎn)正好處在下行線的隧道正上方。

由圖12可知，在普通扣件軌道結(jié)構(gòu)處的0 m 測點(diǎn)測得垂向加速度Z 振級最大，其次是30 m 處，最小的是15 m處，說明地鐵運(yùn)行引起的普通扣件斷面對應(yīng)地面垂向振動在30 m左右有一個(gè)振動放大區(qū)，而此振動放大區(qū)一般是由沿著地表傳播的表面波和埋藏地下的反射波、折射波疊加而形成的。

3.4 分頻最大Z振級分析

圖12 垂向Z振級1/3倍頻程圖-普通扣件

根據(jù)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(biāo)準(zhǔn)》，統(tǒng)計(jì)得到的地面振動加速度Z振級在1 Hz～200 Hz范圍內(nèi)的總級值和分頻最大振級VLmax結(jié)果如表3所示。

由表3可知：

（1）從與不同軌道結(jié)構(gòu)等距離處測點(diǎn)的層面分析，會發(fā)現(xiàn)鋼彈簧浮置板的分頻最大Z振級最小，其次是科隆蛋，最大的是普通扣件，這和時(shí)域分析結(jié)果一致；

（2）與上行線隧道中心線距離越小，分頻最大Z振級值越大，而科隆蛋斷面(-15 m)處距離上行線中心線15 m但又正好位于下行線中心線上，由于土層原因使得振動加速度Z 振級VLmax值在-15 m 處最大，達(dá)到了72 dB，超出了標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域限值5 dB；由于普通扣件沒有減振降噪的功能，故而在普通扣件0 m 處的VLmax值達(dá)到75 dB，超出了標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域限值3 dB。

（3）普通扣件軌道和鋼彈簧浮置板軌道的振動主頻（50 Hz～63 Hz）比科隆蛋扣件軌道振動主頻（約40 Hz）大，列車經(jīng)過軌道線正上方0～30 m范圍內(nèi)垂向振動的峰值頻率主要在40 Hz～63 Hz，其是由于輪軌系統(tǒng)P2共振引起的。此外，鋼彈簧浮置板另一個(gè)主頻12.5 Hz 可能是浮置板道床本身的共振頻率引起的，也可能是車輛車體本身的彎曲振動頻率（8 Hz～12 Hz）造成的。

4 結(jié)語

通過測試地鐵小半徑曲線段內(nèi)3種不同的軌道結(jié)構(gòu)處列車運(yùn)行引起的振動，從時(shí)域和頻域角度分析隧道壁和地面振動的傳播規(guī)律，結(jié)論如下：

表3 不同測點(diǎn)分頻最大Z振級統(tǒng)計(jì)表

（1）地鐵小半徑曲線段的振動從隧道壁傳至地面時(shí)，200 Hz～500 Hz頻率范圍的振動衰減較快；隧道壁振動的主頻范圍為0～300 Hz，隧道正上方地面振動的主頻范圍為0～100 Hz。

（2）在該測試地段的地面垂向振動中，在0～30 m 范圍內(nèi)，鋼彈簧浮置板斷面對應(yīng)的地面垂向振動最小、科隆蛋斷面處次之，普通扣件斷面對應(yīng)的地面垂向振動最大。

（3）對于鋼彈簧浮置板和科隆蛋斷面對應(yīng)的地面垂向振動，離隧道中心線越近，振動加速度級越大；而普通扣件段段面對應(yīng)的地面在30 m左右存在一個(gè)振動放大區(qū)。

（4）列車所經(jīng)過軌道線正上方0～30 m 范圍內(nèi)的垂向振動的峰值頻率主要在40 Hz～63 Hz。