下沉式地鐵車輛段列檢庫車致振動實(shí)測與分析?

陳艷明，馮青松，劉慶杰，劉文武，羅信偉

（1.華東交通大學(xué)鐵路環(huán)境振動與噪聲教育部工程研究中心 南昌，330013）（2.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 廣州，510010）

引言

近年來，我國城市軌道交通的發(fā)展十分迅速，截止2018 年6 月底，全國共有35 座城市開通運(yùn)營城市軌道交通線路，總里程約為5 200 km。在城市軌道交通迅速發(fā)展的同時(shí)，與之相配套的地鐵車輛段同樣得到快速發(fā)展。地鐵車輛段作為地鐵列車停放、檢查、整備和修理的場所，其占地面積大。如果能充分利用其空間，在車輛段平臺以上進(jìn)行物業(yè)開發(fā)，如住宅、辦公樓、學(xué)校等，可以獲取豐厚的投資回報(bào)。國內(nèi)北京、上海、廣州、深圳、武漢、杭州、成都及寧波等很多城市都對地鐵車輛段進(jìn)行了物業(yè)開發(fā)。目前，車輛段基本都采用地面式車輛段，地面式車輛段地面1 層為車輛段工作區(qū)域。隨著城市用地的緊張，為進(jìn)一步提高土地的利用率，近幾年出現(xiàn)了下沉式地鐵車輛段。下沉式地鐵車輛段把工作區(qū)域從地面轉(zhuǎn)移到地下，且地下可設(shè)計(jì)多層，地面以上可進(jìn)行物業(yè)開發(fā)。下沉式車輛段相比地面式車輛段，可以更大程度地利用土地，在相同占地面積的情況下可以容納更多列車，在土地異常緊張的大城市具有廣闊的應(yīng)用前景。

下沉式車輛段相比地面式車輛段，因其結(jié)構(gòu)的特殊性使得其振動問題也更加復(fù)雜。在下沉式地鐵車輛段中，列車從地下負(fù)1 層運(yùn)行引起的振動傳遞路徑為鋼軌－道床－立柱－上蓋平臺－上蓋建筑物，振動波傳播介質(zhì)剛度較大，因此振動衰減較慢。此外，下沉式地下雙層地鐵車輛段具有空間跨度大、自振頻率低、阻尼小等特點(diǎn)，列車在車輛段內(nèi)運(yùn)行時(shí)容易引起結(jié)構(gòu)共振。

下沉式車輛段工作區(qū)域中面積最大的為列檢庫，列檢庫為列車日常停放和檢查的場所，其上蓋平臺通常規(guī)劃住宅類建筑物，因此有必要掌握下沉式地鐵車輛段列檢庫的振動特性，包括其振源特性和振動傳播規(guī)律，為設(shè)計(jì)這類結(jié)構(gòu)時(shí)提供參考依據(jù)。王毅等［1］對北京市八王墳地鐵車輛段振動與噪聲在上蓋平臺上的傳播過程進(jìn)行了理論分析和類比測試。Zou 等［2‐3］分別對廣州和深圳某車輛段進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)測，并分析了振動在地面和建筑物的傳播規(guī)律。文獻(xiàn)［4‐5］對廣州地鐵3 號線廈滘車輛段試車線和咽喉區(qū)進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)測，根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)分析了列車引起地面振動加速度在時(shí)、頻域內(nèi)的傳播規(guī)律。李綠宇等［6］對沈陽地鐵車輛段上蓋雙子樓結(jié)構(gòu)開展了模擬地震振動臺試驗(yàn)研究。文獻(xiàn)［7‐9］通過車輛段現(xiàn)場實(shí)測和理論分析，總結(jié)分析了車輛段車致振動規(guī)律和車輛段上蓋物業(yè)舒適度評價(jià)的一般性流程，并提出了基于舒適度評價(jià)的有限元模型建立方法。鄔玉斌等［10］通過現(xiàn)場實(shí)測以及建立立柱‐平臺‐建筑三維精細(xì)化有限元模型，分析車輛段上蓋建筑物振動影響和分布規(guī)律。鄭輝［11］通過有限元仿真研究了空溝和填充溝的寬度、深度和設(shè)置位置對地鐵車輛段的減振效果。

上述研究主要集中在地面式地鐵車輛段的振動問題，對于下沉式地鐵車輛段這一新型結(jié)構(gòu)和車輛段內(nèi)列檢庫的振動問題鮮有文獻(xiàn)報(bào)道。基于此，筆者以國內(nèi)最大的某下沉式地鐵車輛段為研究背景，通過現(xiàn)場實(shí)測的方法研究下沉式地鐵車輛段列檢庫振源特性及其振動傳播規(guī)律，為此類結(jié)構(gòu)的振動精準(zhǔn)預(yù)測、減振設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 現(xiàn)場測試

1.1 工程概況

某下沉式車輛段是地鐵車輛基地重要組成部分之一，全線列車的停車/列檢以及相應(yīng)的配屬車輛的周/月檢任務(wù)都由其承擔(dān)。車輛段工程主體結(jié)構(gòu)采用下沉式地下雙層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)類型為大底盤+多塔結(jié)構(gòu)，場地土層分布為人工雜填土、沖積軟土、粉質(zhì)黏土和上更新統(tǒng)軟石土。車輛段主要包含4 個(gè)區(qū)塊：聯(lián)絡(luò)線區(qū)間、咽喉區(qū)、列檢庫區(qū)及運(yùn)用庫區(qū)。車輛段最多可同時(shí)停放76 列地鐵列車（每層設(shè)置38 個(gè)停車列位）。車輛段平臺以上規(guī)劃建設(shè)包括15 棟多層住宅、6 棟高層住宅和商業(yè)裙房、地鐵運(yùn)行控制中心和地鐵停車庫等。車輛段上蓋建筑物規(guī)劃效果如圖1 所示。

圖1 車輛段上蓋建筑物規(guī)劃效果圖Fig.1 Planning renderings of metro depot over‐track buildings

規(guī)劃建設(shè)高層住宅位于車輛段檢修庫上方，本次測試斷面布置在車輛段面積最大的列檢庫。車輛段區(qū)域分布如圖2 所示，車輛段內(nèi)檢修庫現(xiàn)場如圖3所示，車輛段列檢庫列車和軌道基本信息見表1。

圖2 地鐵車輛段測試斷面布置圖Fig.2 Test section layout of metro depot

圖3 地鐵車輛段內(nèi)檢修庫現(xiàn)場Fig.3 On‐site of metro depot service shop

表1 車輛段列檢庫列車‐軌道基本信息Tab.1 The basic information of train‐track in depot service shop

1.2 測點(diǎn)布置及測試儀器

車輛段檢修庫為了檢修的需要，鋼軌采用短立柱進(jìn)行架空支撐。本次測試測點(diǎn)布置于車輛段列檢庫地下負(fù)2 層鋼軌、支撐立柱和地面，見圖4 中D9～D11；地下負(fù)1 層鋼軌、支撐立柱和樓板，見圖4中D6～D8；在平臺蓋板上垂直于列車運(yùn)行方向布設(shè)測試斷面，各測點(diǎn)位于樓板每跨的跨中，見圖4 中D1～D5。測點(diǎn)布置剖面圖如圖4 所示，測點(diǎn)現(xiàn)場布置如圖5、圖6 所示。

圖4 列檢庫測點(diǎn)布置圖Fig.4 Layout of measured points in service shop

圖5 列檢庫內(nèi)鋼軌及支撐短柱測點(diǎn)現(xiàn)場布置圖Fig.5 Field layout of rail and supporting short column measured points in service shop

圖6 平臺蓋板測點(diǎn)現(xiàn)場布置圖Fig.6 Field layout of measured points on the upper plat‐form

本次測試采集系統(tǒng)采用DATaRec 4 DIC24 數(shù)據(jù)采集儀，傳感器采用ICP 加速度傳感器和941B加速度傳感器，所有測試儀器和傳感器測試前都進(jìn)行了校準(zhǔn)。測試采取自動觸發(fā)采集方式，即采集儀開啟后對振動加速度信號進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測，當(dāng)列車通過時(shí)，觸發(fā)通道加速度峰值超過觸發(fā)值開始采集，持續(xù)采集30s 后停止采集，等待下一列列車觸發(fā)采集。根據(jù)以往類似工程經(jīng)驗(yàn)，鋼軌上頻率主要分布在1 500 Hz 以內(nèi)，樓板主要頻率在200 Hz 以內(nèi)，由采樣定理可知，當(dāng)采樣頻率大于或等于有效信號最高頻率的2 倍采樣頻率，采樣值就可以包含原始信號的所有信息。因此，鋼軌及支撐短柱采樣頻率設(shè)為3 000 Hz，樓板及平臺蓋板為800 Hz。本次測試共采集27 組振動加速度數(shù)據(jù)，選取其中測試效果相對較好的10 組數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 測試結(jié)果分析

2.1 振動源強(qiáng)特性

分別測試多組列車進(jìn)入地下負(fù)1 層和地下負(fù)2層車輛段列檢庫時(shí)鋼軌、支撐立柱、樓板及平臺蓋板的振動加速度。表2 為鋼軌和支撐立柱振動源強(qiáng)統(tǒng)計(jì)表，圖7、圖8 為鋼軌和支撐短柱某一組典型垂向振動加速度時(shí)程圖，圖9、圖10 為振動加速度頻譜圖。

圖7 地下負(fù)1 層鋼軌及支撐立柱加速度時(shí)程圖Fig.7 Time history chart of rail and supported column accel‐eration in underground negative floor

圖8 地下負(fù)2 層鋼軌及支撐立柱加速度時(shí)程圖Fig.8 Time history chart of rail and supported column accel‐eration in negative second floor

圖9 地下負(fù)1 層鋼軌及立柱頻譜圖Fig.9 Spectrum of rail and column in underground negative floor

圖10 地下負(fù)2 層鋼軌及立柱頻譜圖Fig.10 Spectrum of rail and column in negative second floor

表2 鋼軌及支撐立柱振動源強(qiáng)Tab.2 Vibration responses of rail and supported column

從表2、圖7 和圖8 中可以看出，地下負(fù)1 層的鋼軌和支撐立柱的振動加速度峰值平均值分別為12.73 和0.61 m/s2，地下負(fù)2 層的鋼軌和支撐立柱的振動加速度峰值平均值分別為2.68 和0.16 m/s2，地下負(fù)1 層的鋼軌和支撐立柱振動加速度都大于地下負(fù)2 層，分別是地下負(fù)2 層的4.8 倍和3.8 倍。其原因分析如下：地下負(fù)1 層鋼軌和支撐立柱位于樓板上，地下負(fù)2 層鋼軌和支撐立柱位于下部地面基礎(chǔ)上，地下負(fù)1 層行車可能激發(fā)樓板結(jié)構(gòu)的彎曲振動，從而使支撐立柱和鋼軌振動增大。此外，地下負(fù)2層鋼軌采用了阻尼鋼軌，阻尼鋼軌通過阻尼材料吸收一部分振動能量，從而抑制鋼軌的振動。因此，地下負(fù)1 層鋼軌和支撐立柱的振動響應(yīng)大于地下負(fù)2 層。

由圖9、圖10 可以看出，鋼軌相比支撐立柱頻帶更寬，其振動主要分布在100～900 Hz；相比鋼軌，支撐短柱有明顯的主頻段，其主頻段為100～200 Hz，振動從鋼軌傳至支撐立柱時(shí)200 Hz 以上高頻衰減較快。

2.2 振動傳播規(guī)律

基于實(shí)測振動加速度數(shù)據(jù)，從頻域、Z 振級等角度分析列車運(yùn)行引起列檢庫蓋板振動橫向傳播規(guī)律和層間振動傳播規(guī)律。

2.2.1 蓋板振動橫向傳播規(guī)律

為研究列車進(jìn)出車輛段列檢庫引起其上部平臺蓋板振動隨行車軌道中心線距離變化的橫向傳播規(guī)律，分別選取2 種典型行車工況進(jìn)行分析。

工況1：列車在端部測點(diǎn)D5正下方地下1 層股道（L19，L20）運(yùn)行；

工況2：列車在中部測點(diǎn)D3正下方地下1 層股道（L15，L16）運(yùn)行。

1）頻域分析。圖11 為工況1、工況2 下列檢庫蓋板平臺各測點(diǎn)垂向1/3 倍頻圖。

從圖11 中可以看出，列車無論在端部還是中部股道行車，各測點(diǎn)雖然與行車軌道中心線水平距離不同，但其頻率分布基本相同。列車進(jìn)出列檢庫引起上蓋平臺的主頻段都在10～50 Hz 之間。在10 Hz 以內(nèi)，各測點(diǎn)隨著與行車軌道中心線距離增大，其振級無明顯衰減；在10～50 Hz 頻段，各測點(diǎn)隨著距離增大，其振級總體上呈現(xiàn)減小的規(guī)律；在50～200 Hz 頻段，各測點(diǎn)隨著距離增大，其振級呈現(xiàn)明顯單調(diào)遞減規(guī)律。由此說明，列車在列檢庫運(yùn)行引起上蓋平臺的振動衰減主要發(fā)生在中高頻段。依據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 10137－2007，人體對鉛垂向振動的敏感頻帶為4～8 Hz，而在平臺蓋板上隨著距離增大在該低頻段基本無衰減。

圖11 不同工況下中蓋板平臺振動1/3 倍頻圖Fig.11 1/3 octave spectrum of platform vibration under dif‐ferent working conditions

為更加直觀描述單個(gè)頻率處振動沿平臺蓋板的橫向傳播規(guī)律，計(jì)算各個(gè)測點(diǎn)在1/3 倍頻程中心頻率2.5，5，25，40，80 和160 Hz 處的加速度振級，并將同頻率在不同距離測點(diǎn)的加速度振級用B 樣條曲線連接，如圖12 所示。從圖中可以看出，列車在端部股道行車時(shí)，其引起上蓋平臺的振動在2.5 和5 Hz低頻處幾乎無衰減，甚至有增大現(xiàn)象。不論列車在端部股道行車（工況1）還是在中部股道行車（工況2）時(shí)，在25 和40 Hz 中頻處衰減緩 慢；而在80 和160 Hz 高頻處衰減明顯，且呈現(xiàn)單調(diào)遞減特征。

圖12 不同工況下各頻率處加速度振級隨距離變化圖Fig.12 Variation of vibration levels with distance at different frequencies under different working conditions

2）Z 振級分析。圖13 為平臺蓋板各測點(diǎn)在端部股道、中部股道2 種行車工況下的Z 振級（VLZ）誤差傳遞統(tǒng)計(jì)圖，并將各測點(diǎn)Z 振級平均值與距行車軌道中心線距離作回歸分析，得到2 種工況下的回歸曲線和擬合公式。

圖13 不同工況下各測點(diǎn)Z 振級擬合‐誤差傳遞統(tǒng)計(jì)圖Fig.13 Fitting curve of Z vibration level error bar of each measured point under different working conditions

由圖13 可知，當(dāng)列車從車輛段端部股道（L19，L20）行車時(shí)（工況1），其引起上蓋平臺的振動響應(yīng)隨著與行車軌道中心距離增大呈線性衰減規(guī)律，線性衰減速度為0.19 dB/m，線性擬合確定性系數(shù)R2=0.979。當(dāng)列車從車輛段中部股道（L15，L16）行車時(shí)（工況2），其引起上蓋平臺的振動響應(yīng)從行車股道正上方至兩端分別呈線性衰減規(guī)律，線性衰減速度分別為0.08 和0.12 dB/m，線性擬合確定性系數(shù)分別為R2=0.965（D<0）和R2=0.989（D>0），D為各測點(diǎn)距行車軌道中心線水平距離。端部股道行車時(shí)上蓋平臺各測點(diǎn)Z 振級衰減率（0.19 dB/m）與中部股道行車時(shí)振動往兩端的衰減率（0.08，0.12 dB/m）之和基本相等。主要原因可能為：列車無論從端部股道還是中部股道行車，引起上蓋平臺的振動能量基本相當(dāng)，從端部股道行車時(shí)上蓋平臺的振動往一端衰減較快，而從中部股道行車時(shí)上蓋平臺的振動能往兩端衰減，因此端部股道行車時(shí)上蓋平臺的振動衰減率和中部股道行車時(shí)上蓋平臺往兩端的衰減率之和相當(dāng)。

2.2.2 振動層間傳遞規(guī)律

表3 為列車從列檢庫地下負(fù)2 層和地下負(fù)1 層行車時(shí)引起各層測點(diǎn)的Z 振級均值大小分布。由表3 可以看出，列車從地下負(fù)2 層行車時(shí)，地下負(fù)1 層樓板和平臺蓋板振動相比地下負(fù)2 層地面振動增大了約3～4 dB，主要可能是由于地下負(fù)2 層測點(diǎn)位于地面上，其振動波傳遞路徑為鋼軌-支撐短柱-基礎(chǔ)-土體-地面，因此地面測點(diǎn)振動會經(jīng)過土體而被衰減，而地下負(fù)1 層和平臺蓋板振動波傳遞為地下負(fù)2 層鋼軌－支撐短柱－基礎(chǔ)－立柱－地下負(fù)1層樓板/平臺蓋板，地下負(fù)1 層和平臺蓋板振動沒有被土體衰減。因此，地下負(fù)1 層和平臺蓋板的振動相比地下負(fù)2 層地面略有增大。列車從地下負(fù)1 層行車時(shí)，可能激發(fā)地下負(fù)1 層樓板局部彎曲振動模態(tài)，因此地下負(fù)1 層樓板的Z 振級達(dá)到約78 dB；振動通過立柱傳至上蓋平臺，其振動相對地下負(fù)1 層樓板的振動衰減了約6 dB。

表3 列檢庫各層測點(diǎn)Z 振級Tab.3 Z vibration level of measured points in service shop dB

雖然列車從地下負(fù)1 層行車時(shí)，振動從地下負(fù)1層樓板傳至平臺蓋板時(shí)衰減了約6 dB，但其引起蓋板的振動平均達(dá)到71.4 dB，已接近《城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)》［12］（GB 10070 — 88）規(guī)定限值，該區(qū)域?yàn)樯虡I(yè)和居住用途，限值為夜間72 dB。雖然平均值沒達(dá)到限值，但是振動最大值已超過限值，且車輛段列車進(jìn)入車輛段時(shí)間在晚上10 點(diǎn)到12 點(diǎn)之間，這段時(shí)間正是居民開始晚間休息的時(shí)段，對振動更為敏感。因此，需重點(diǎn)關(guān)注地下負(fù)1 層行車引起上蓋建筑物的振動。

圖14、圖15 為地下負(fù)1 層和地下負(fù)2 層行車時(shí)不同樓層振動1/3 倍頻圖。由圖可以看出，地下負(fù)2層行車時(shí)，地下負(fù)1 層樓板和平臺蓋板在2 Hz 以上頻段的振級都大于地下負(fù)2 層，這也解釋了地下負(fù)2層行車時(shí)，地下負(fù)1 層樓板和平臺蓋板的振動大于地下負(fù)2 層地面的振動。當(dāng)列車從地下負(fù)1 層行車時(shí)，上蓋平臺振動衰減頻段主要發(fā)生在20～80 Hz頻段。

圖14 地下負(fù)2 層行車時(shí)各層樓板振動加速度1/3 倍頻圖Fig.14 1/3 octave spectrum of floor slabs vibration accelera‐tion in negative second floor

圖15 地下負(fù)1 層行車時(shí)各層樓板振動加速度1/3 倍頻圖Fig.15 1/3 octave spectrum of floor slabs vibration accelera‐tion in underground negative floor

3 結(jié)論

1）列車在列檢庫運(yùn)行速度約為9～14 km/h 情況下，列檢庫內(nèi)鋼軌振動加速度峰值地下負(fù)1 層約為12.7 m/s2，地下負(fù)2 層約為2.7 m/s2；支撐立柱的振動加速度峰值地下負(fù)1 層約為0.6 m/s2，地下負(fù)2層約為0.2 m/s2，其主頻段為100～200 Hz。

2）列車運(yùn)行引起上蓋平臺的振動隨著與行車軌道中心線距離的增大呈線性衰減規(guī)律，端部股道行車時(shí)線性衰減率約為0.2 dB/m，中部股道行車時(shí)衰減率約為0.1 dB/m。

3）上蓋平臺的振動隨著與行車軌道中心線距離的增大，在50～200 Hz 頻段呈現(xiàn)明顯單調(diào)遞減規(guī)律，而在10 Hz 以內(nèi)低頻段衰減緩慢，振動衰減主要發(fā)生在中高頻段。

4）列車從地下1 層行車時(shí)，平臺蓋板的振動相對地下1 層的樓板衰減了約6 dB，但其振動值已接近國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的限值，需重點(diǎn)關(guān)注地下負(fù)1 層行車引起上蓋建筑物的振動。