軌道交通誘發土體振動特性的現場測試研究

馬險峰 ，李金定，何 斌，張寶民

（1.同濟大學土木工程學院地下建筑與工程系，上海 200092；2.喀什大學土木工程學院，新疆喀什 844000）

許多國家大城市的軌道交通普遍很發達，這會導致振動公害普遍存在，因此對軌道交通誘發的振動問題進行研究和解決就顯得尤為重要.對于環境振動在土層中的傳播和衰減規律，國內外學者進行了大量的研究，主要采用了解析法、數值方法、現場實測及試驗方法等.各方法在應用時并不是孤立的，而是聯合運用，相互驗證.

解析方法通過運用理論模型，結合數學以及力學中的理論對振動問題加以研究.Krylov 等[1]將高速軌道簡化成Euler-bernoulli 梁，研究了列車振動的影；曹艷梅[2]研究了車、軌道和地基相互作用模型，該模型以列車動力學、軌道動力學以及地基土Green 函數為基礎；Schillemans[3，4]采用了2D 有限元模型研究了鐵路振動響應，并提出了減振措施，減小了地鐵振動對古建筑的影響.但對于振動這種復雜的系統問題進行很多簡化和假設，得到的解是不完全精確的.

隨著振動測試傳感器、數據處理方法和理論分析的完善，現場振動實測和試驗方法顯示了獨有的優勢.高峰與郭劍勇[5]采用模型試驗的研究方法，設計不同工況，分析了雙層隧道的響應問題.

試驗結果表明，上下交會動載最不利，該工況下襯砌結構出現了應力集中現象；鄭曉等[6]分析了現場實測的數據，認為地鐵振動以中低頻為主，豎直方向的振動分量大于水平方向的分量，并且沿地表的衰減速度也慢于水平分量.

本文在前人研究的基礎上，采用現場實測的方法，分析了磁懸浮高架、地鐵高架、城市高架橋及地面交通誘發的振動特性，并結合磁懸浮高架附近不同距離的測點垂向加速度信息分析振動的衰減規律.

1 現場測試方法

1.1 測試系統

本次現場測試采用的拾振器和放大器為中國地震局工程力學研究所制造的941B 型超低頻拾振器和941 型16 線放大器.兩者配接后加速度分辨率可達到5×10-6m/s2.采集儀器為美國國家儀器公司研發的NI9220 采集卡，采樣率為100 kS/s/ch，通道數為48道，各通道同步采樣.

圖1 振動測試系統構成

1.2 測點布置

該測試場地位于上海硬X 射線隧道建設選址附近，緊鄰磁懸浮、軌道交通16 號線、羅山路高架及羅山路地面交通等地.本次測點分別布置于附近四種交通處，即羅山路高架橋墩、磁懸浮高架橋墩和地鐵線高架橋墩處，為了形成對比在地面交通附近也布置了測點.為了得到振動波在土中的衰減規律，在磁懸浮高架附近布置了不同距離的測點.

2 不同交通形式產生的振動波對比

2.1 時程分析

圖2為四種交通方式的垂向時程圖，地鐵高架產生的振動在數值上最大，最大值約為0.12 m/s2.地面交通引起的振動在數值上最小，最小值約為0.003 m/s2.從波形上看，地面交通和羅山路高架產生的振動波比較雜亂，沒有一定的規律性.磁懸浮在經過的時候會快速形成一個振動波，而地鐵高架則會產生與地鐵車廂相等的振動波個數.

圖2 四種交通方式垂向時程圖

圖3為四種交通方式在橫向、縱向和垂向的振動加速度箱型圖.箱型圖的方形箱體的上下代表振動加速度的四分之一和四分之三位數，也就是振動加速度數值的一半在箱體的范圍內.箱型圖的上下邊緣代表振動加速度的最大與最小值.

圖3 四種交通方式三向振動箱型圖

圖3(a)為地面交通引起的振動箱型圖，可以看出三個方向的振動在數值上比較接近，振動最大值都在0.003 m/s2，垂向的振動幅度比其他兩個方向略大點.振動箱型圖的方形箱體大小正常，說明振動加速度的數值分布比較均勻.圖3(b)為羅山路高架引起的振動箱型圖，縱向加速度相較于橫向和垂向小很多，橫向產生的加速度最大.振動箱型圖的方形箱體較小，說明振動的數值集中在比較小的區域內.圖3(c)為磁懸浮高架產生的振動箱型圖，可以看到縱向產生的加速度較大，而橫向和垂向較為類似.振動箱型圖的方形箱體的大小在四種交通狀況下最小，說明磁懸浮的振動集中在很小區域內，數值較大的振動只有少部分.圖3(d)為地鐵高架產生的振動箱型圖，可以看出數值上地鐵高架相較于其他三個交通方式引起的振動最大，在縱向有比較大的振動加速度，而且箱型圖的方形箱體大小正常，說明地鐵高架引起的振動不集中在某一時刻.

2.2 頻域分析

用Seismosignal 軟件通過濾波和傅里葉變換可以得到加速度時程曲線對應的頻域信息，這里截取0～100 Hz的頻域曲線進行分析.為了將不同方向的頻域圖繪制到一幅圖上，本文利用Origin軟件的Savitzky-Golay (SG)法對數據進行平滑處理，因為分析的為比較大的幅值對應的頻率范圍，對幅值的精度沒有很大的要求，所以這種處理方

式是符合分析需求的.圖4 為SG 法平滑處理頻域曲線的前后對比，可以看到曲線在平滑的同時保留了數值的相對大小信息，能夠比較清晰地看出頻域曲線在數值上幾個較大的區域.

圖4 Savitzky-Golay 法平滑處理

圖5(a)為地面交通在三個方向平滑處理后的頻域曲線圖，可以看出三個方向的頻率大都聚集在0～20 Hz 與50～80 Hz 區間內，0～20 Hz 對應的傅里葉幅值大于50～80 Hz的幅值，所以地面引起的大都為0～20 Hz 低頻的振動.圖5(b)為羅山路高架平滑處理后的頻域曲線圖，可以看出縱向的振動頻率大部分聚集在0～10 Hz 和20～30 Hz區間內.橫向振動頻率62 Hz 與80 Hz 左右較明顯，10～25 Hz 區間也有比較大的幅值，而垂向振動在0～90 Hz 內分布較均勻.圖5(c)為磁懸浮高架平滑處理后的頻域曲線圖，可以看出三個方向振動頻率都集中在65-85Hz 之間，90-100Hz 之間的振動也比較明顯.圖5(d)為地鐵高架平滑處理后的頻域曲線圖，可以看出縱向和垂向的振動基本聚集在30～60 Hz 之間，而橫向振動在40 Hz 與60 Hz處比較明顯.

圖5 四種交通方式三向頻域圖

3 振動波在土中的衰減規律

為了研究振動波在土體中傳播及衰減規律，在磁懸浮高架附近布置了4 個測點，表1 為測點編號及其位置.

表1 測點布置位置

3.1 時程分析

圖6為四個測點在垂向的振動加速度，從波形上看，距離磁懸浮高架最近的測點1的波形與磁懸浮高架橋墩較為類似，比較大的加速度集中在一小段時間范圍內.隨著距離的增加，加速度的數值在減少，而加速度數值在時程上的分布顯得更加平均，在測點3 與測點4的波形圖相對比較雜亂.圖7為不同測點垂向時程箱型圖，可見隨著距離的增加，垂向振動衰減明顯，在測點2的峰值大小衰減為測點1的一半左右，測點3的峰值大小又衰減為測點2的一半大小，測點4 與測點3 并沒有很明顯的區別.

圖6 不同測點垂向時程圖

圖7 不同測點垂向時程箱型圖

3.2 頻域分析

圖8 為不同測點在垂向的頻域圖，由圖可見，隨著距離的增加，大于20 Hz的振動衰減的速度比較快，而小于20 Hz的振動衰減速度較慢.測點3 與測點4的頻域圖基本上是重合的，可見當大于20 Hz的振動已經基本衰減的時候，依然有比較明顯的小于20 Hz的低頻波.

圖8 不同測點垂向頻域圖

4 結語

本文通過現場測試，比對地面交通、羅山路高架、磁懸浮高架與地鐵高架的振動數據，并比較磁懸浮附近不同距離的垂向振動數據，得出以下結論：

（1）比較四種交通方式的振動加速度數值可以發現，磁懸浮高架產生的振動波形相對于其他三種波形較為集中，地鐵高架產生集中波形的數目大致與其車廂數目一致.羅山路高架與地面交通產生的波形類似，在數值上羅山路高架引起的振動較大，而地鐵高架相較于其他三種交通方式會產生最大的振動加速度.地面交通產生的三個方向的加速度數值大致相等，羅山路高架會在縱向產生比較小的振動，而磁懸浮高架與地鐵高架在縱向的加速度數值略大.

（2）比較四種交通方式的振動頻域圖可以發現，地面交通產生的振動大都聚集在0～20 Hz 區間內，磁懸浮高架產生的振動聚集在65～85Hz 區間內，地鐵高架產生的振動聚集在30～60Hz 區間內，三個方向沒有特別大的區別.羅山路高架的橫向與垂向分布比較均勻，且會在60 Hz 左右產生比較大的幅值，縱向振動較小，只在25 Hz 左右會產生相較于另外兩個方向比較明顯的振動.

（3）比較不同距離的測點垂向加速度數據可以發現，振動隨著距離發生衰減，并且小于20 Hz的振動衰減速度比大于20 Hz的振動小.當大于20 Hz的振動基本衰減結束時，依然有比較明顯的低頻振動.