長春地鐵7號線列車運行對沿線某精密儀器場區的振動預測

倪景峰，李 莉

（長春市軌道交通集團有限公司，長春 130000）

隨著城市軌道交通線網密度的增加，地鐵車輛在運營過程中對周圍環境的影響日益凸顯，特別對于地鐵沿線已布置的既有精密儀器，其振源與精密儀器的位置關系、傳遞介質有著直接關系[1-5]。在可研階段，精密儀器所在區域的振動影響對線路選擇至關重要，因此在地鐵未運營前就需對評估區域進行振動預測。針對列車振動對目標場區的影響問題，劉衛豐等結合現場振動實測，對北京地鐵4號線列車運行引起的振動對北京大學物理實驗室內精密儀器的影響問題進行了研究，并對地鐵4號線隧道內浮置板軌道的減振效果進行了探討[6]；李宇東等以西安地鐵2、6號線交叉通過鐘樓案例為背景，提出通過數值計算與現場測試相結合進行復雜交通環境下古建筑微振動響應的預測方法，并給出應用實例[7]。以上研究均對列車運營狀態下目標場區的振動影響提出了預測方法。

前期研究通過在長春地鐵1號線及2號線[8-9]分別選取了地質條件、線路條件及軌道條件均較為類似的4處斷面進行了振動加速度、振動速度及振動位移的測試，分析了在相同地質條件下，不同埋深，不同水平距離的振動對地表結構的影響，以期判斷7號線[10-13]運營狀態下車輛運行對某精密儀器廠區的振動影響是否合理，并為今后高敏感區的振動預測提供技術參考。

1 測試概況

預測區為7號線盾構區間下穿一汽地塊，在K25+300位置鄰近一汽沖壓車間，區間外輪廓與車間最小水平距離約為50 m，區間覆土為16.5 m，車間內的壓力機等精密儀器對振動較為敏感。結合預測目標的特征，應滿足VC-A曲線規定的振動測度限值，同時依據GB 50868—2013《建筑工程容許振動標準》，考慮振動加速度及振動位移的控制標準，線路運營開通后應滿足以下振動限值見表1。

表1 振動測試內容及限值Table 1 Contents and limits of vibration test

1.1 測試儀器

本次振動測試采用的儀器設備主要有振動傳感器(見圖1)和激光測距儀(見圖2)。振動采集設備為INV9580A無線數據采集儀，是一種雙通道24位雙核分布式采集儀，采集器與傳感器一體化設計，支持儀器內部的數據不間斷采集與存儲，可以通過選擇不同檔位實現不同量程的振動位移、振動速度及振動加速度采集，頻響范圍為0.17～100 Hz。

圖1 測試用振動傳感器 Figure 1 Vibration sensor for testing

圖2 測試用激光測距儀 Figure 2 Laser rangefinder for testing

1.2 測試斷面

本次振動測試選取了長春軌道交通1號線、2號線3個測試斷面，測試區間均為盾構隧道區間，具體測試信息見表2。

表2 振動測試斷面和地質情況Table 2 Vibration test section and geological conditions

1.3 測點布置

根據相關標準以及以往測試經驗，同時結合現場的實際道路、建筑的實際布局，最終選取了以下位置布置振動傳感器測點：

1)近軌隧道地表中心線0 m位置；

2)距離近軌隧道地表中心線25 m位置；

3)距離近軌隧道地表中心線50 m位置。

其中，近軌側為雙線線路中靠近傳感器一側的隧道中心正上方，遠軌側為雙線線路另一股線路，同一斷面處的近軌、遠軌側軌道結構相同。典型斷面布置情況如圖3所示，不同測試斷面及預測斷面的相對埋深位置關系如圖4所示。

圖3 水平距離測點布置 Figure 3 Layout of horizontal distance measuring points

圖4 普通軌道測試斷面區間隧道埋深 Figure 4 Buried depth of common track test section tunnel

2 測試結果及分析

給出了各斷面在地鐵通過時不同測點位置的10次有效測試結果，通過將時程結果轉化至頻域，得到各個測點在頻域上的振動位移、振動速度及振動加速度結果。通過將振動位移(P-P)、振動速度及振動加速度的頻域結果與給定的限值進行對比，分析各個測點的振動情況。其中振動加速度幅值為10～50 Hz內的最大值統計結果；振動速度峰值為4～80 Hz內的最大值統計結果；振動位移幅值為1～10 Hz內的最大值統計結果。選取每次列車通過時程內各個評價指標的最大值，并將10次測試獲得的樣本進行統計分析。

2.1 各斷面加速度指標

表3給出了每次速度有效測試10～50 Hz最大值的均值統計結果，所有統計結果滿足標準限值。圖5 給出了不同斷面、不同測點位置的加速度最大值樣本的均值及標準差。

表3 各斷面10～50 Hz加速度最大值的平均值Table 3 Mean of maximum acceleration of each section between 10 Hz and 50 Hz m/s2

由圖5可以看出，不同水平距離條件下，2號線兩個測試斷面的加速度在25 m測點處最大，說明在某一水平距離范圍內，10～50 Hz頻帶內的加速度最大值隨著距離的增加并不呈現一致的衰減特征，甚至會出現放大區域；對比斷面2及斷面3，在同一線路間隔較小的兩個測試斷面，地層條件基本一致，此時埋深越大，地表振動加速度越小。

圖5 10～50 Hz加速度最大值樣本統計結果 Figure 510～50 Hz acceleration maximum samples statistical results

然而，對比1號線的兩個測試斷面，在遠場處，埋深更大的浮置板軌道測試斷面4的加速度統計結果甚至高于斷面1的振動加速度響應。因此，在通過經驗對比預測敏感目標振動響應時，埋深的變化也需要重點考慮。

2.2 各斷面速度指標

表4給出了每次速度有效測試4～80 Hz最大值的均值統計結果，所有統計結果滿足標準限值。圖6給出了不同斷面、不同測點位置的速度最大值樣本的均值及標準差。

表4 各斷面4～80 Hz速度最大值的平均值Table 4 Mean of maximum velocity of each section between 4 Hz and 80 Hz m/s

由圖6可以看出，不同水平距離條件下，2號線兩個測試斷面的加速度在25 m測點處仍出現放大現象；對比斷面2及斷面3，除了25 m測點處，埋深較大的斷面2地表速度較小。斷面1的振動速度統計結果隨著距離增加衰減明顯。斷面4的振動速度衰減并不顯著，這是由于浮置板軌道存在較低頻的自振頻率，對地表振動響應導致低頻振動放大，在4～80 Hz內的最大值往往出現其自振頻率處，同時隨著距離增加低頻振動衰減較慢，因此斷面4的速度隨著距離增加衰減并不明顯。

圖6 4～80 Hz速度最大值樣本統計結果 Figure 6 Statistical results of maximum samples of 4–80 Hz velocity

2.3 各斷面位移指標

表5給出了每次位移有效測試1～10 Hz最大值的均值統計結果，所有統計結果滿足標準限值。圖7給出了不同斷面、不同測點位置的位移最大值樣本的均值及標準差。

表5 各斷面振動1～10 Hz位移最大的平均值Table 5 Mean of maximum vibration displacement amplitude of each section between 1 Hz and 10 Hz μm

由圖7可以看出，4個測試斷面1～10 Hz內位移的統計結果均表現為一致的衰減特征，且隨著距離增加衰減幅度下降。

圖7 1～10 Hz位移最大值樣本統計結果 Figure 7 Statistical results of maximum samples of 1–10 Hz displacement

3 目標振動影響預測評價

根據7號線區間對應的精密儀器區位置(水平距離50 m，埋深16.5 m)，結合前面的類似地質條件下，不同埋深不同距離的加速度、速度與位移統計分析結果，分別采用斷面1~斷面2線性內插經驗類比預測(方法1)、斷面2~斷面3線性內插經驗類比預測(方法2)，及斷面1~斷面3線性外推經驗類比預測(方法3)，給出敏感目標所在位置及對應測試點的加速度、速度與位移預測結果，如圖8所示。

圖8 預測結果對比 Figure 8 Comparison of prediction results

顯然通過線性內插獲得的預測結果具有較強的一致性，且所有預測指標均未超過標準限值。采用線性外推方法的預測數據與內插獲得的速度及位移預測結果相差接近一倍。

4 結論

通過現場測試分析長春軌道交通1、2號線相似斷面的振動傳播規律，預測分析長春軌道交通7號線對沿線精密儀器場區的影響。

1)地質條件一致情況下，不同埋深條件下，行車振動加速度影響隨著埋深增加而逐漸降低；在某一水平距離范圍內，行車振動加速度及速度有放大區域；不同斷面，位移響應的統計結果隨著距離的增加一致降低。

2)類比測試結果，采用不同方法對敏感目標的振動響應進行了預測。預測結果顯示，加速度、速度與位移預測值未超標準限值，且采用內插方法獲得的預測結果具有較強的一致性。因此，在類比預測敏感目標環境振動響應時，應充分考慮類比斷面的可參照性，并推薦采用內插方法進行振動預測。