溫州市域鐵路高架線環境振動源強試驗研究

羅 偉

（1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063；2.鐵路軌道安全服役湖北省重點實驗室，武漢 430063）

1 研究背景

在城市軌道交通振動環境影響評價專題中，振動影響預測是一項重要的內容，而振動源強的準確取值則是決定振動影響預測結果的關鍵，在市域鐵路中同樣如此。

根據《環境影響評價技術導則 城市軌道交通》(HJ453—2018)[1]，振動源強的獲取可采用類比測試、資料調研兩種途徑，或采用二者相結合的方法，其中類比測試要求線路在道床類型、無縫線路類型、地質條件、車輛條件、運行速度等與預測線路相同或相近，且列車應處于正常運行狀態，列車運行速度應在預測斷面設計速度的75%～125%范圍內。在實際的環評操作中，振動源強的獲取一般有兩類[2]：一類是采用既有參考源強，來源包括相關文獻專著、規范，如《城市軌道交通振動和噪聲控制簡明手冊》《北京市地鐵噪聲與振動控制規范》(DB11/T 838—2011)等；另一類是通過在當地運營線路進行類比測試確定。在我國城市軌道交通環境影響評價中，目前80%以上的報告書采取了引用既有參考源強的方法[2]，主要采用了《城市軌道交通振動和噪聲控制簡明手冊》中的振動源強。

如前所述，在我國城市軌道交通環境影響評價專題中，振動源強的獲取比較依賴既有資料，而市域鐵路由于在我國起步較晚，當前并沒有相關的既有資料可供選用。溫州市域鐵路 S1線是“國家戰略新興產業示范工程”，承擔了市域鐵路先行先試、示范引領、復制推廣的功能[3-5]。以此為依托，筆者與所在的團隊開展了市域鐵路環境振動源強的試驗研究，以期為我國市域鐵路的環評工作提供參考。

2 現場實測

2.1 斷面概況

選擇溫州市域鐵路S1線非減振地段4個典型斷面進行測試，各斷面概況如表1所示。

表1 各測試斷面概況Table 1 Overview of each test section

2.2 測點布置

《環境影響評價技術導則 城市軌道交通》(HJ453—2018)要求，城市軌道交通高架線振動源強測點位于地面距線路中心線7.5 m處。考慮到市域鐵路橋梁結構較城市軌道交通存在一定的差異[6]，市域鐵路輪軌振動自橋梁到地面的傳遞模式尚不清楚，因此除了在地面布置測點外，在橋上也布置了測點(見圖1)，以便完成對市域鐵路振動源強測點布置原則的深化研究，具體測試內容為橋面、地面的垂向加速度。

圖1 測點布置示意Figure 1 Layout of measurement points

2.3 測試儀器

采用24位精度INV3630V智能信號采集儀。橋面測點采用INV 9828 型中低頻加速度傳感器，頻響范圍 0.2～2 500 Hz，量程 10g(見圖2)；地面測點采用941B型測振儀，加速度檔頻響范圍0.25～80 Hz，量程 2g(見圖3)。所用加速度傳感器均由具備資質的第三方機構檢定及校準合格。

圖2 橋面振動傳感器現場安裝Figure 2 Site installation of bridge deck vibration sensor

圖3 地面振動傳感器現場安裝Figure 3 Site installation of ground vibration sensor

2.4 數據采集

試驗期間，4個斷面的加速度采集情況如表2所示。根據《環境影響評價技術導則 城市軌道交通》(HJ453—2018)，軌道交通環境振動源強測試要求采集不少于5次列車通過的數據。表2中每個樣本對應一次列車通過時段，除DK1+800、DK3+500地面未采集數據外，現場獲取的加速度樣本數符合《環境影響評價技術導則 城市軌道交通》(HJ453—2018)的相應規定。

表2 各斷面加速度樣本數Table 2 Quantities of acceleration signal samples of each section 組

2.5 測試指標

根據《環境影響評價技術導則 城市軌道交通》(HJ453—2018)、《城市區域環境振動測試方法》(GB10071—88)[7]的相關要求，測試指標采用列車通過時段VLz的最大值，即VLz,max，分析的頻率范圍為1～80 Hz。計權標準推薦采用ISO 2631-1：1997，而考慮到現行《城市區域環境振動標準》(GB10070—88)[8]仍在沿用ISO 2631-1：1985的計權標準，因此同時給出采用ISO 2631-1：1985計權標準的VLz,max計算值。

3 結果分析

3.1 離群值剔除

在數據整理過程中發現，橋面、地面測點的VLz,max計算值存在一些離群值，但整體上符合正態分布，圖4所示為DK1+390斷面橋面測點VLz,max計算值的分布情況。

圖4 DK1+390斷面橋面測點VLz, max計算值分布(離群值剔除前)Figure 4 Calculation value distribution of VLz, max at bridge deck measurement point of section DK1+390 (before outlier removal)

考慮到列車輪對踏面隨機不平順、軌面隨機不平順的客觀存在，由輪軌相互作用誘發的橋梁、地面振動響應具有一定的隨機性，因此適當剔除樣本數據中的離群值是必要的。本研究采用奈爾(Nair)檢驗法對統計離群值進行剔除(見圖5)，剔除水平α*取0.01。該檢驗法適用于樣本量3≤n≤100的情形，檢驗方法詳見GB/T 4883—2008[9]。圖6所示為剔除離群值后DK1+390斷面橋面測點VLz,max計算值的分布情況，可見此時計算值的分布更加集中。

圖5 DK1+390斷面橋面測點VLz, max離群值判斷結果Figure 5 Judgment results of VLz, max outliers at bridge deck measurement point of section DK1+390

圖6 DK1+390斷面橋面測點VLz, max計算值分布(離群值剔除后)Figure 6 Calculated value distribution of VLz, max at bridge deck measurement point of section DK1+390 (After outlier removal)

3.2 測點選擇

振動源強參考值測試，要求實測數據應具備足夠的穩定性、可靠性。為了定量討論在不同車次列車通過條件下各測點測試結果的穩定性、可靠性，做出樣本數據各中心頻率的均值及標準差，計算各中心頻率振級的離散系數CV如下：

式中，SD為標準差，MN為均值。

圖7～9為各測點頻域離散系數分布，離散系數越大，數據的穩定性和可靠性越差[10]。可以看到，在80%以上的頻率范圍內，地面測點數據的離散系數較橋上測點的值要大。1～80 Hz范圍內地面測點的離散系數普遍大于3%，局部范圍達5%以上，橋上測點的離散系數普遍小于 3%。因此，振動源強參考值的測試建議采用橋面測點。

圖7 DK1+390斷面離散系數頻域分布Figure 7 Frequency domain distribution of discrete coefficient of section DK1+390

3.3 統計分析

對 4個斷面橋面測點的加速度樣本進行統計分析，VLz,max的統計值如表3所示。

圖8 DK3+500斷面離散系數頻域分布Figure 8 Frequency domain distribution of discrete coefficient of section DK3+500

圖9 DK23+100斷面離散系數頻域分布Figure 9 Frequency domain distribution of discrete coefficient of section DK23+100

由表3可以看到：

1) 4個斷面橋面測點VLz,max測試結果的離散系數較小(最大不超過1.5%)，數據的穩定性、可靠性較高。

2) 列車運行速度的影響：對比DK1+390和DK1+800兩直線斷面，列車運行速度差值為15 km/h，橋面測點VLz,max均值相差4.8 dB；在DK3+500斷面測試期間，列車運行速度分為91 km/h和106 km/h兩檔，速度差值為15 km/h，橋面測點VLz,max均值相差3.2 dB。

3) 曲線半徑的影響：對比DK3+500、DK23+100兩曲線斷面，當列車運行速度相近時，由曲線半徑差值700 m引起的橋面測點VLz,max差值為4.4 dB。

4) 計權標準的影響：采用ISO 2631—1:1985計權標準，振動源強VLz,max的計算值較采用ISO 2631—1:1997計權標準小2～4 dB。

4 結論與建議

1) 相比而言，橋面測點的測試結果較地面測點的結果具有更高的穩定性、可靠性。因此，對于市域鐵路高架線，振動源強參考值測試建議采用橋面測點。

2) 在本次溫州市域鐵路S1線環境振動源強測試中，各斷面橋面VLz,max測試結果的穩定性、可靠性較高，可供市域鐵路新建線路環評工作者參考。

3) 采用 ISO 2631—1:1985計權標準，振動源強VLz,max的計算值較采用ISO 2631—1:1997計權標準小2～4 dB。

4) 溫州市域鐵路S1線高架直線地段，開行市域動車組，在列車勻速95 km/h通過工況下，環境振動源強測試結果如下：采用 ISO 2631—1:1997計權標準時為94.1 dB，采用ISO 2631—1:1985計權標準時為90.6 dB。

5) 關于列車運行速度對振動源強的影響：對比DK1+390、DK1+800兩直線斷面，以及DK3+500斷面測試期間兩檔通過速度工況，列車運行速度差值為15 km/h時，橋面測點VLz,max均值相差3～5 dB。

6) 關于曲線半徑對振動源強的影響：對比DK3+500、DK23+100兩曲線斷面，當列車運行速度相近時，由曲線半徑差值700 m引起的橋面測點VLz,max均值相差4.4 dB。