地鐵運行引起鄰近隧道振動實測分析*

黃江華，李西峰

（1.浙江華東工程安全技術(shù)有限公司，浙江 杭州310014；2.鄭州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州450001）

1 概述

近年來，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，各城市的地鐵線路的增多，地鐵也產(chǎn)生了一些負面影響，地鐵運行引起的振動會影響地面和建筑物，進而影響地鐵周邊的工作和生活[1]。地鐵線路的增多，往往造成多條地鐵隧道的凈距越來越小，這致使地鐵列車運行對相臨隧道的振動問題愈發(fā)突出。因此明確列車振動荷載對相臨近距離隧道的影響對保障隧道長期運營過程的安全性和穩(wěn)定性具有重大意義[2-6]。

以鄭州地鐵為例，通過統(tǒng)計各測點的加速度峰值、加速度振級以及頻域數(shù)據(jù)，分析了地鐵荷載對鄰近隧道的振動傳播規(guī)律，為本地區(qū)地鐵運行引起的振動評價提供了參考。

2 現(xiàn)場測點布置和振動信號預(yù)處理方法

2.1 測點布置

鄭州某在建地鐵隧道與已經(jīng)運行的地鐵隧道距離僅2.4m。選取在建隧道417 環(huán)位置，共布置了四個測點，每個測點可以對隧道豎直向、橫向和徑向進行加速度采集。測點1 位于靠近運營地鐵一側(cè)的拱腰位置，測點4 位于遠離運營地鐵一側(cè)拱腰處。由于現(xiàn)場道床已鋪設(shè)無法測拱底處，因此將測點設(shè)于隧道的最低處，測點2 位于靠近運營地鐵一側(cè)隧道與道床交界處，測點3 位于遠離運營地鐵一側(cè)隧道于道床交界處，具體測點布置如圖1。

圖1 測點布置示意圖

2.2 振動信號預(yù)處理

在現(xiàn)實條件下進行振動監(jiān)測時，由于周圍較復(fù)雜的測試環(huán)境，測試信號往往參雜了大量噪聲污染，使得信噪比下降，因而需要對實測振動信號進行預(yù)處理，以保證數(shù)據(jù)的準確和真實。

本文通過Matlab 實現(xiàn)最小二乘法的計算，構(gòu)造出趨勢項，并在實測信號中去除。并運用五點三次平滑法對實測數(shù)據(jù)進行了四次數(shù)據(jù)平滑處理，提高信噪比，使波形更加光滑。根據(jù)曾宇等對地鐵振動信號的信號小波降噪?yún)?shù)的研究，采用Symlets A 4 階小波作為小波基，經(jīng)過3層小波分解，基于無偏似然估計閾值和軟閾值進行去信號去噪。

3 實測信號結(jié)果與分析

3.1 實測加速度時域分析

根據(jù)采集的實測結(jié)果，經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理后，分別得到測點1-測點4 在的加速度峰值見表1，各測點振級值見表2。

表1 各測點三個方向峰值加速度峰值（m/s2）

表2 各測點三個方向振動加速度級（dB）

通過表1 和表2 可以看出，運營列車對近距離隧道的振動影響主要為豎直向和水平向振動，縱向振動影響較小，豎直向振動在隧道底部的影響較大，其余方向均隨著水平距離的增加而不斷衰減。各點的振級變化與峰值加速度變化趨同，在處于凈距最小處的近側(cè)拱腰處水平振級最大，隨著距離的增大水平方向的振級逐漸減小；運營地鐵列車產(chǎn)生的豎直振動對于近距離隧道的底部影響更大，在交接處取得最大振級；在遠側(cè)隧道隨著距離的增加而衰減；縱向振級遠小于豎直向和水平向振級。

3.2 實測加速度頻域分析

對預(yù)處理后的時域數(shù)據(jù)，選取Hanning 窗來減少時域信號截斷的泄露，利用Matlab 軟件采用快速傅里葉變換（FFT 變換）得到各測點的頻率幅值，并繪制出測點1～測點4 三個方向的頻譜曲線見圖2 所示。

通過圖2 可以看出，隧道壁的振動頻率主要在100Hz以內(nèi)，100Hz 以上的高頻段隨著距離的增加衰減明顯。隧道壁不同位置處區(qū)別不大，各方向的優(yōu)勢頻率大多集中在50～80Hz。地鐵列車引起相臨隧道在豎直向、水平向和縱向三個方向上的加速度影響具有相似的優(yōu)勢頻率成分。各點在1～100Hz 的三分之一倍率頻程如圖3。

圖2 頻率曲線

圖3 1/3倍率頻程

通過圖3 可知，隧道任意位置的拾取點在豎直向、水平向和縱向的振動響應(yīng)的三分之一倍率頻程的變化趨勢基本是一致的，總體來看振級最大的頻率主要分布50～100Hz內(nèi)，在5Hz 以內(nèi)逐步增加，然后在5～10Hz 以內(nèi)有小幅下降，之后逐漸上升在60Hz 左右達到峰值后逐漸下降。

4 結(jié)論

本文通過對鄭州地鐵隧道進行了現(xiàn)場測試，記錄了由運營地鐵引起的隧道加速度振動時程。利用預(yù)處理的相關(guān)理論方法，對實測數(shù)據(jù)進行了預(yù)處理繪制出了加速度時程曲線，并計算得到了振動加速度級的變化曲線，繪制了傅里葉頻譜圖，分析了地鐵振動在相臨隧道的傳播和衰減規(guī)律，得到以下結(jié)論：

（1）地鐵列車引起的相臨隧道的振動以豎直向和水平向為主，縱向加速度則明顯較小；近運營隧道側(cè)的振動大與遠運營側(cè)，隨著距離的增加，振動整體呈現(xiàn)明顯的衰減趨勢；豎直向振動最大位置在隧道的底部位置，水平向振動受水平距離影響較大，最大位置處于水平距離最近的拱腰處，且隨著水平距離的增加振動有明顯的縮小，縱向振動由于隧道變形剛度較大而明顯低于其他方向振動。

（2）振動加速度級變化規(guī)律與振動加速度相同，最大振級由水平向振動在拱腰處產(chǎn)生，其余位置豎直向振級均為優(yōu)勢方向，縱向振級則明顯較小，各方向振級均在70dB 以下。

（3）振動三個方向的頻率主要在50～100Hz，優(yōu)勢頻率集中在50～80Hz，隧道不同位置區(qū)別不大。三分之一倍率頻程在隧道壁不同位置在豎直向、水平向和縱向的變化趨勢是相似的，5Hz 以內(nèi)的振動較弱，在60Hz 處振動最強，主要振動在50～80Hz。