地鐵車輛段試車線車致振動特性實測與分析*

閆宇智 邵 斌 丁德云 李 騰 高 巖 馬廣軒 周海斌

(1.北京九州一軌環境科技股份有限公司，100070，北京；2.北京市基礎設施投資有限公司，100101，北京；3.北京市軌道交通運營管理有限公司，100070，北京∥第一作者,工程師)

由于土地資源比較緊張，地鐵車輛段上蓋及周邊的綜合規劃開發已經成為了一種行業趨勢[1]。然而，車輛段上蓋及其周邊開發區域內的振動噪聲源強且復雜，建筑物與軌道交通線路距離較近，很容易產生振動噪聲問題。這些問題已成為制約地鐵上蓋綜合開發的關鍵技術難題[2]。

為此，國內外很多專家學者針對地鐵周邊的振動傳播特性進行了系統研究。文獻[3]對列車通過波士頓地區鐵路時產生的振動進行了現場測試，分析了地鐵列車振動對周邊環境振動的影響特性；文獻[4]分別對廣州地鐵3號線廈滘車輛段咽喉區的曲線段和直線段進行了測試，分析了列車運行對周邊地面振動的影響規律，在進行減振設計時，建議優先考慮降低振動的低頻成分；文獻[5]對地鐵運營引起的低頻振動(<20 Hz)進行了實驗室試驗，并采用時程、頻譜、加速度級和傳遞函數等指標分析了低頻信號的傳播規律；文獻[6]以北京地鐵某曲線段為主要研究對象，現場測試了距離線路中心線100 m范圍內的振動特性，并采用時頻域方法對測試結果進行了分析。

以上研究均是基于地鐵正線、車輛段咽喉區等區域進行的現場測試和研究。截至目前，鮮有針對車輛段試車線振動傳播規律的研究。然而，地鐵車輛段試車線作為地鐵列車進行動態調試和試驗的線路[7]，試車期間頻繁加減速運行，容易產生振動超標的問題。這會對周邊居民的生活造成極大干擾。為此，本文以某地鐵試車線列車運行的振動特性為主要研究對象，進行了現場測試，從時域和頻域角度系統地分析了地鐵列車以不同速度通過試車線時，軌道區、地面和室內的振動衰減規律，可為地鐵車輛段試車線的減振設計提供參考。

1 測試方案

1.1 工程概況

某地鐵車輛段周邊居民樓眾多，為了進一步了解試車線正常運營對周邊環境產生的振動影響，特開展本次測試。試車線區域為碎石道床軌道，并全線安裝了鋼軌阻尼器。

1.2 測點布置

測試地點主要包括車輛段試車線軌道區、地面區和小區室內等3個區域。其中車輛段試車線與該小區僅一墻之隔。所有區域均只測試豎向加速度響應，測點布置示意圖如圖1所示。

圖1 測點布置示意圖

測點1為軌道區，主要測試鋼軌豎向加速度；測點2～5為地面區，主要測試距離試車線7.5 m、15 m、30 m和60 m位置處地面振動的衰減規律；測點6為小區室內，該測點距離試車線線路20 m，位于建筑物的首層，主要測試建筑物室內的振動情況。

1.3 測試工況

測試過程中，列車分別以不同速度勻速通過試車線。所有測試均采用同一列列車在試車線上往返運行，總計16個往返。詳細測試工況及其測試順序如表1所示。本次試驗選取空載B型列車，6節編組。

表1 測試工況表

2 測試結果的時域分析

列車以15 km/h的速度勻速通過試車線時，測點1、測點2和測點6的豎向加速度響應時程如圖2所示。測點1、測點2和測點6的豎向振動加速度響應的有效值分別為1.201 m/s2、0.013 m/s2和0.002 m/s2。

圖2 各測點豎向振動加速度響應時程圖

從圖2中可以看出：①鋼軌豎向振動加速度最大，約為室外地面振動加速度峰值的100～200倍，而室外地面振動加速度峰值約為室內振動加速度峰值的10倍；②對比室內和室外地面的振動加速度響應，室內振動強度明顯低于室外地面振動強度，這是因為建筑物整體質量較大，會降低振動對結構物的影響，且住宅區基礎一般都施加了減振措施，也會在一定程度上降低室內的振動強度。

列車以不同速度勻速通過試車線時，分別將測點1、測點2和測點6在列車出庫和入庫時的振動加速度有效值進行匯總，見圖3。

圖3 各測點振動加速度有效值

從圖3可以看出：①隨著列車速度的增加，列車出庫和列車入庫的各測點豎向振動加速度有效值整體均呈增大趨勢，但局部也有減小的可能；②同一列車速度條件下，列車出庫時的鋼軌豎向振動加速度有效值明顯大于列車入庫時的，說明鋼軌的振動強度與軌道不平順、線路整體狀態、司機駕駛習慣等均具有一定關系，也說明鋼軌振動特性具有一定的隨機性；③除鋼軌豎向振動加速度外，同一列車速度條件下，列車出庫和列車入庫時其他測點的豎向振動加速度有效值相差不大，說明振動幅值的隨機性在沿著地面傳播過程中逐步減弱。

為了分析列車振動在地面的衰減規律，對不同車速作用下測點2～6的豎向振動加速度響應有效值進行匯總，對相同速度級的工況進行平均化處理，處理結果如圖4所示。

圖4 各測點振動加速度峰值統計圖

從圖4可見：①隨著車速的增加，各測點的豎向振動加速度有效值整體呈現增大趨勢；②各列車速度工況下，各測點的豎向振動加速度有效值隨著與振源距離的增加而減??；③對比測點3和測點6，二者的振源距離相差不大，但室內振動加速度峰值明顯小于室外的。

3 測試結果頻域分析

通過對測試結果進行時域分析，可得到各測點在不同條件下的振動加速度有效值統計結果。但時域分析結果容易受到周邊振動信號的干擾，隨機性較大。頻域分析結果相對穩定，且對后續環境振動評估更為直接和方便。因此，本節從振動加速度級、Z振級時變特性和分頻最大振級等頻域指標的角度對測試結果進行分析。

3.1 振動加速度級

對所測的振動加速度時程數據進行傅里葉變換，可得到1/3倍頻程中心頻率的振動加速度級，其計算方法見文獻[8]。基于傳感器設計精度及采樣頻率等方面的考慮，本文在進行頻率分析時，中心頻率的分析范圍為4～400 Hz。因鋼軌振動頻率相對較高，在該分析頻段內無法分析其振動特性，因此在分析中暫不考慮測鋼軌振動的測點1。

根據時域分析結果可知，當列車以相同速度出庫和入庫時，地面測點和小區室內測點的豎向振動加速度有效值相差較小。為分析各測點在出入庫時頻率分布的差異，繪制列車以15 km/h的速度通過試車線時測點2和測點6的振動加速度級1/3倍頻程圖，如圖5所示。

從圖5可以看出，地面測點和小區室內測點的振動加速度級在全頻段幾乎完全吻合，說明在振動傳播過程中，信號低頻成分更加穩定。

圖5 各測點的振動加速度級對比

為分析地面測點和小區室內測點的振動加速度級與列車運行速度的關系，繪制列車分別以15 km/h、30 km/h、45 km/h和60 km/h速度通過試車線時測點2和測點6的振動加速度級1/3倍頻程圖，如圖6所示。

圖6 車速對各測點振動加速度級的影響

由圖6可見：地面測點和小區室內測點的振動響應在小于63 Hz時，列車速度對振動加速度級的影響較??；當振動響應大于63 Hz時，隨著列車速度的增加，振動加速度級逐漸增大。

為分析同一振源條件下，各測點的振動衰減規律，當列車以15 km/h的速度通過試車線時，測點2～6的振動加速度級衰減特性如圖7所示。

圖7 各測點振動加速度級衰減特性圖

由圖7可以得出：①隨著測點與振源距離的增加，室外測點的高頻成分迅速衰減，低頻成分則傳播得更遠，因此，在做減振設計時需要重點考慮低頻成分；②室內測點振動較室外的小，其振動加速度級最大值為80 Hz，該頻率峰值是由列車通過建筑物周邊引起的強振頻率與建筑物結構自振頻率的耦合引起的。

振動加速度級總級值是各頻帶振動加速度級的總級值，可以間接反映各信號的振動總強度，其計算方法見文獻[9]。為分析列車以不同速度通過試車線時各測點的振動強度關系，對同一列車速度下的工況進行平均化處理，振動加速度級總級值的計算結果如圖8所示。

圖8 各測點振動加速度總級值統計圖

由圖8可見：①隨著列車運行速度的增加，振動加速度級的總級值逐漸增大，但整體增大幅度較小；②隨著與振源距離的增加，列車以不同速度通過試車線時的振動加速度總級值均逐漸減小；③各速度條件下，室外測點3的振動加速度級均大于與振源距離相近的室內測點6的，相差可達10 dB。

3.2 Z振級時變分析

Z振級是指按照GB 10071—88《城市區域環境振動測量方法》的相關規定，將前述的振動加速度級采用全身振動Z記權因子修正后得到的數值，記為VLz，其中Z記權的記權方法參照GB/T 13441.1—2007《機械振動與沖擊人體暴露于全身振動的評價》，其頻率范圍為0～80 Hz。這是頻域分析方法中最能體現局部時間區域內振動強度的指標。

對各豎向加速度響應時程進行Z振級時變分析時，首先選取0～t時間段進行第一次Z振級時變分析，得到總級值;隨后選取Δt～(t+Δt)時間段進行第二次Z振級時變分析(其中t為分析時長，Δt為分析偏移量)。分析過程的示意圖如圖9所示。

圖9 Z振級時變示意圖

當列車以30 km/h的速度勻速通過試車線時，測點1、測點2和測點6的Z振級時變結果如圖10所示(分析過程中，t選為2 s，Δt選為0.1 s)。

圖10 各測點Z振級時變結果對比

由圖10可看見：①當列車通過試車線時，鋼軌測點豎向加速度的Z振級增加最大，其次為地面測點的，增加最少的為小區室內測點的。②當列車車輪經過測點時，會出現明顯波峰，當測點斷面在某列車的前、后轉向架之間時，會出現明顯波谷；根據Z振級時變分析結果可得到該列車為6節編組。B型列車的車長為22 m，根據第一組輪對和最后一組輪對的時間差，可計算得到該列車通過試車線的速度約為29.88 km/h，與設定速度30 km/h相差不大。③列車通過地面測點和小區室內測點時的Z振級并無明顯增大，無法從信號中識別列車編組和列車運行速度。

對于鋼軌豎向加速度測點，為了分析列車運行速度對Z振級時變分析結果的影響，t依然選為2 s，Δt依然選為0.1 s。當列車分別以15 km/h、30 km/h和60 km/h的速度通過試車線時測點1的Z振級時變結果如圖11所示。

圖11 不同車速下鋼軌Z振級時變結果對比

由圖11可看見，當列車速度為15 km/h時，較難識別該列車編組和列車運行速度；當列車速度為30 km/h和60 km/h時，可準確識別列車編組和列車運行速度。

當列車以15 km/h的速度通過試車線時，為了分析計算參數對鋼軌Z振級時變結果的影響，保持Δt=0.1 s不變，分別將t設定為1 s、2 s和4 s，Z振級的計算結果如圖12 a)所示；保持分析時長t=2 s不變，分別將Δt設定為0.4 s、0.2 s和0.1 s，Z振級的計算結果如圖12 b)所示。

圖12 計算參數對鋼軌Z振級時變分析的影響

由圖12可看見：①保持Δt不變，t越短，Z振級的峰值越大；②隨著t的縮短，列車車輪經過測試斷面時的局部特性越發明顯，這是因為t即為每次參與Z振級計算的數據量長度，如果選取較大t，會掩蓋信號的局部特性；③保持t不變，Δt的變化對Z振級的計算結果影響較小。

需要注意的是，雖然較短的t可得到更好的局部特性測試結果，但較短的t會降低時變分析的波形平穩性，大大增加計算量，降低了工作效率。因此，為了兼顧識別精度和計算效率，在實際計算過程中，需選取更為合理的t。

最大Z振級表示Z振級在所有t中的最大值，反映了整個時間域信號在某一t值內的局部振動特性。為了分析不同速度級下各測點最大Z振級與t的關系，保持Δt=0.1 s不變，將列車分別以15 km/h、30 km/h、45 km/h和60 km/h的速度通過測試斷面時，測點1、測點2和測點6的最大Z振級計算結果如圖13所示。

圖13 不同測點在不同t值時最大Z振級

從圖13可以看出：①隨著t的減小，各信號的最大Z振級也逐漸增大，且增大的幅值也逐漸增大，采用不同t進行計算時，最大Z振級的計算值最大相差5 dB左右；②隨著列車運行速度的增加，各測點的最大Z振級整體呈現增大趨勢。

3.3 實測與標準限值的對比分析

根據GB 10070—1988《城市區域環境振動標準》規定：居民、文教區屬于二類區域，室外的最大Z振級的晝間標準值為70 dB，夜間標準值為67 dB。根據JGJ/T 170—2009《城市軌道交通引起建筑物振動與二次輻射噪聲限值及其測量方法》規定：居民、文教區室內的分頻最大振級的晝間標準為65 dB，夜間標準為62 dB。根據上述規定，現將現場實測值與規范限值對比結果列于圖14中。

從圖14可以看出：①對地面測點采用二類區域進行評估時，隨著速度級的增大，各測點的VLz，max整體均呈現增大趨勢；②測點2、測點3、測點4在各類速度級下的VLz，max均超過晝間和夜間標準，測點5在車速小于45 km/h的情況下滿足晝間標準；③對于小區室內測點，各個時速的所有測點均未超過二類區域的評估標準。

圖14 不同測點實測值與規范限值對比圖

根據以上分析可得：當列車以小于60 km/h的速度通過試車線時，室內的振動基本可滿足規范要求；為了確保室外環境振動達標，該類型試車線與住宅區的距離建議不應小于30 m，且在晝間的試車速度不應超過45 km/h。

需要說明的是，本評估結果僅是針對振動這一單項指標進行的，而在實際車輛段建設過程中，需綜合考慮其他指標，尤其應重點關注試車線道岔的減振降噪對策，最終給出更為合理的設計方案。

4 結語

1)車輛引起的振動在軌道區以高頻成分為主，且隨機性較大，隨著振動沿著軌道、地面、室內方向傳播，高頻成分衰減較快，低頻成分傳播得更遠，隨機性逐漸減小。在軌道減振設計時，應優先考慮低頻成分。

2)隨著列車速度的增加，各測點的振動強度整體呈現增大趨勢，地面和室內測點的振動頻率小于63 Hz時，列車速度對振動強度的影響較小。

3)測量不同列車速度下的鋼軌豎向振動加速度時,選取合理的t和Δt,即可得到對應的列車的編組和速度信息。t對VLz，max的影響大于Δt。對同一信號采用不同t值進行計算時，VLz，max的計算值最大可相差5 dB。

4)該試車線目前需在晝間使用，且試車速度不應超過45 km/h。在后續其他車輛段建設過程中，試車線與住宅區的距離建議應不小于30 m。