西安地鐵2號線永寧門區段列車運行振動對其上部文物影響實測分析

岳 海

(西安市軌道交通集團有限公司， 710018， 西安∥高級工程師)

西安地鐵2號線是西安市首條開工建設、首條通車的城市軌道交通線路，一期工程于2011年9月16日投入運營，其中途徑鐘樓、西安城墻永寧門和安遠門。眾所周知，鐘樓、永寧門(南門)、安遠門(北門)均為國家重點文物保護單位，多年來，國家有關部門和行業專家高度關注西安地鐵文物保護問題，運營振動就是其核心問題之一。當前，2號線已運營多年，準確認識和評價2號線運營振動對文物本體的影響，分析振動的傳播規律及與運營速度的關系，不僅對文物保護有重要的意義，對后期地鐵建設也有重要的指導價值。本文基于此，擬通過現場監測手段來分析西安地鐵2號線運營振動的傳播規律以及對西安城墻永寧門的影響。

1 西安地鐵2號線下穿永寧門工程振動監測

西安地鐵2號線下穿西安城墻永寧門區段平面位置關系如圖1所示。2號線左右線分別從永寧門甕城東西兩側的城門洞下繞行通過，繞行線路曲線半徑為350 m，地下隧道頂埋深約17.4～18.5 m。對永寧門城墻區段的振動監測工作情況如下：

1) 振動監測儀器。本次振動監測使用了2臺振動數據采集儀，型號分別為INV3060A和DH5910。監測開始前，陜西省技術質量監督局授權認可的陜西省計量科學研究院對監測儀器進行了檢定，檢定測試過程中，監測儀器使用狀態良好。

2) 測點布置。在永寧門區段上部古建筑的城墻、城樓及新增海墁裂縫處共布置10個振動監測點。1～8號測點布設位置如圖2所示。9、10號測點位于墻體正中央。同時，為了研究振源處振動響應大小及永寧門區段浮置板道床的減振效果，在該區段隧道內進行布點監測(見圖3)。測點11～13和14～16分別位于普通道床與浮置板道床的鋼軌、道床和隧道壁上。

圖1 西安地鐵2號線下穿西安城墻永寧門區段平面圖

圖2 西安地鐵2號線永寧門區段上部古建筑測點布置圖

圖3 西安地鐵2號線永寧門區段隧道內測點布置圖

3) 監測工況及時間。為了研究地鐵列車不同運行速度對城墻、城樓及裂縫處的振動影響程度，于2019年1月18日凌晨00：30—04：00期間(路面交通最稀少)，上、下行線電客車均分別以57 km/h、55 km/h、50 km/h、45 km/h和40 km/h 5種運行工況勻速通過永寧門區段，在每一種工況下，電客車往返共6次通過該區段。

2 振動監測結果及分析

2.1 永寧門區段隧道振動監測結果及分析

2019年1月23日對該區段進行振動監測，其中浮置板段監測斷面里程為YCK14+180.000，普通段監測斷面里程為YCK14+131.020，均采用信號觸發采樣，觸發通道為鐵軌通道，采樣頻率為5 120 Hz，采樣時長為50 s。對采集到的時域振動信號進行選擇，選擇原則為：波形完整，無明顯畸變；信噪比高，無工頻干擾或工頻干擾不嚴重。

分析時，對時域波形應先預檢，去掉奇異項、修正零線飄移、趨勢項等誤差；當需濾波時，根據具體情況合理設置低通、高通的濾波截止頻率或帶通的通頻帶寬，以確保數據分析的準確性和真實性。圖4為隧道內軌道上振動信號的典型時程曲線圖和頻譜圖。由圖4可見，列車整列通過測點斷面所需時間約為9 s，列車運行速度約為50 km/h。

a) 加速度時程曲線圖

b) 頻譜圖

表1具體實測結果的統計分析表。由表1可知：

1) 普通道床鋼軌、道床、隧道壁水平向和垂直向的振動加速度幅值分別在184.13～273.12 m/s2、0.61～0.94 m/s2、0.50～0.70 m/s2和1.04～1.20m/s2之間；鋼彈簧浮置板道床鋼軌、道床、隧道壁水平向和垂直向的振動加速度幅值分別在152.50～205.30 m/s2、4.107.10 m/s2、0.28～0.42 m/s2和0.69～0.87 m/s2之間。由輪軌運動產生的振動傳遞至道床、隧道壁時有很大程度的衰減，其中隧道壁水平向振動較垂直向的小。

表1 西安地鐵2號線永寧門區段隧道內不同測點的振動加速度監測結果統計表

2) 鋼彈簧浮置板道床處的振動加速度幅值大于普通道床，這是由于鋼彈簧浮置板道床特殊的減振構造，使得浮置板的振動較為劇烈，這種振動主要由軌道傳遞到車體，進而使得地鐵列車運行產生的振動通過浮置板的隔振后傳遞到隧道壁上的振動量大大減少，相比普通道床，隧道壁水平向和垂直向振動加速度幅值分別能減小45.1%和29.2%。這表明鋼彈簧浮置板道床對減小隧道壁、土體及隧道上方敏感建筑物的振動響應有顯著效果。

2.2 永寧門區段城墻振動監測結果及分析

永寧門區段城墻各測點不同工況下的水平向、垂直向振動速度幅值及變化規律如圖5～6所示。由圖5～6可知：

1) 永寧門區段城墻在地鐵列車單獨運行時，不同運行工況下的水平向振動速度最大幅值僅為0.035 mm/s，隨著列車運行速度的變化，水平向振動變化規律不明顯。所有監測點均滿足GB/T 50452—2008《古建筑防工業振動技術規范》容許振動標準(水平向0.15 mm/s)的要求。

2) 永寧門區段城墻在地鐵列車單獨運行時，不

圖5 西安地鐵2號線永寧門區段城墻各測點水平向振動速度

圖6 西安地鐵2號線永寧門區段城墻各測點垂直向振動速度

同運行工況下的垂直向振動速度最大幅值僅為0.035 mm/s，隨著列車運行速度的增加，垂直向振動速度有一定的增加。所有監測點測檢結果均滿足國家文物局給出的振動速度建議值(垂直向0.15～0.20 mm/s)。

2.3 永寧門區段城樓振動監測結果及分析

永寧門區段城樓各測點不同工況下的水平向、垂直向振動速度幅值及變化規律如圖7～8所示。

圖7 西安地鐵2號線永寧門區段城樓各測點水平向振動速度幅值最大值

圖8 西安地鐵2號線永寧門區段城樓各測點垂直向振動速度幅值最大值

由圖7～8可知：

1) 永寧門區段城樓在地鐵列車單獨運行時，不同運行工況下的水平向振動速度最大幅值僅為0.083 mm/s，隨著列車運行速度的增加，城樓水平向振動速度有一定的增大。所有監測點測檢結果均滿足GB/T 50452—2008容許振動標準(水平向0.19 mm/s)的要求。

2) 永寧門城樓在地鐵列車單獨運行時，不同運行工況下的垂直向振動速度最大幅值僅為0.047 mm/s，隨著列車運行速度的增加，垂直向振動速度有一定的增加，但變化較小。所有監測點測檢結果均滿足國家文物局給出的振動速度建議值(垂直向0.20 mm/s)。

3) 隨著地鐵列車運行速度降低，城樓各監測點的振動速度響應幅值均有不同程度的減弱。其中，當地鐵列車運行速度由57 km/h降至50 km/h時，城樓二層監測點振動響應降低程度相對明顯，如進一步降速則影響不大。

3 結論和建議

1) 鋼彈簧浮置板道床的減振效果較好。相比普通道床，其隧道壁水平向和垂直向振動加速度幅值分別能減小45.1%和29.2%。這表明鋼彈簧浮置板道床對減小隧道壁、土體及隧道上方敏感建筑物的振動響應有顯著效果。

2) 在地鐵列車單獨運行，57 km/h速度工況下，各監測點的振動速度幅值最大，城樓水平向為0.083 mm/s，垂直向為0.047 mm/s；城墻水平向為0.035 mm/s，垂直向為0.035 mm/s。振動速度最大值為規范控制標準的1/5～1/3，由此可見，地鐵列車運行產生的振動對文物的影響是有限的。

3) 隨著地鐵列車運行速度增大，永寧門區段上部文物本體的振動速度有一定的增大，但增加效果不明顯。因此，通過減速方案來改善地鐵列車運行振動對文物的影響，其意義不大。