地鐵列車振動規律實測與分析

孟禹，任青，唐家進

（上海理工大學 環境建筑學院，上海 20093）

隨著科技的迅速發展及經濟水平的顯著提高，國內城市化的步伐越邁越快，然而人口相對集中，導致城市交通系統承受的壓力越來越大。因此，地鐵交通憑借著運行速度快、載客量大、舒適性強、安全性高、運行時間固定可靠、對環境污染極小等優點已成為城市交通工具的首選，具有良好的社會效益[1-2]。然而，人們在享受發達交通方式帶來便利的同時，高速列車、地鐵、城市道路交通等引起的振動對環境的影響也愈發突出[3]。目前，交通引起的振動已被列為七大環境公害之一，為此國內外相關領域的科研從業者多年來一直致力于研究交通所引起振動的傳播途徑、振動規律、控制方法等。本文選擇了上海地鐵2 號線蘇虹路和閔行高架線交叉口附近為測試場地。根據實測數據分析了軌道交通引起環境振動的衰減特性。

1 振動測試

1.1 測試地點

綜合考慮地鐵運營時間及各測試場地的實際情況，上海地鐵2 號線和上海地鐵13 號線的測點布置如下：

上海地鐵2 號線。測試地點定在蘇虹路和閔行高架線交叉處附近，在距離地鐵中心線處設置了監測點共11個，如圖1 所示。蘇虹路和閔行高架線到最近測點的距離大于200m，地面交通振動對測試的干擾較小。

圖1 上海地鐵2 號線測試點位圖

1.2 測試設備

拾振器。本文現場測試使用的是低頻高解析度加速度傳感器(PCB-393B05)，

采集與分析系統。本文現場實測使用課題組自行研發的便攜式微振動量測系統，本文選取地面環境振動有效數據并使用 BDSA 軟件對數據進行處理分析，分析內容包括頻譜分析及 1/3 倍頻程分析[4]。以200Hz 采樣頻率測取各測試點位的Z 向、EW 向和NS 向地鐵振源激勵下的振動信號，部分測試區域地面主要覆蓋泥土，故在測量時用鐵椎打入土體中，再將拾振器放在鐵錐頂部平臺上，在頂部平臺調節至水平后放置拾振器。測試時間選擇在夜間22：00 以后，測試人員嚴禁隨意走動。

1.3 測試結果分析

1.3.1 上海地鐵2 號線

1.3.1.1 Z 向頻譜曲線分析

取距離地鐵最近處的測點（0m）和加速度峰值衰減開始的平緩的測點（60m）的頻譜曲線進行比較，用于研究地鐵振動頻率成分的改變情況[5]。

由圖2 可知，該測試場地的自振頻率在4Hz 左右；最優頻率在72Hz 左右，測點60m 處Z 向振動分布在10～20Hz 和90～100Hz，最優頻率在16Hz 左右，可以看出，隨著到地鐵中心線距離的增加，Z 向最優頻率有所減小，對應的幅值有所減小。

圖2 不同測點Z 向的環境振動頻譜曲線

1.3.1.2 1/3 倍頻程分析

由圖3（a）～（f）可知，該測試地點地鐵運行誘發地面振動的Z 向、EW 向、NS 向振動能量均集中在16～80Hz 中心頻率范圍內。

圖3 各測點1/3 倍頻程曲線

Z 向振動速度級在1～4Hz 和10～31.5Hz 中心頻率范圍內隨頻率的增加變化較為平穩；在4～5 Hz 和31.5～40 Hz 中心頻率范圍內振動速度級隨著頻率的增加而波動減小且在4～5Hz 中心頻率范圍內衰退速率更顯著；在5～8 Hz 和 40～80 Hz 中心頻率范圍內振動速度級隨著頻率的增加而波動增加，且在5～8 Hz 中心頻率范圍內尤為迅速。

EW 向振動速度級在1～2 Hz 和12.5～80 Hz 中心頻率范圍內隨著頻率的增加而波動增加，且 12.5～25 Hz 增加速率最快；在2～12.5 Hz 中心頻率范圍內隨著頻率的增加呈“鋸齒”型減小，在10～12.5 Hz 中心頻率范圍內隨著頻率的增加減小的最為劇烈。

NS 向振動速度級在1～80Hz 中心頻率范圍內整體呈現隨頻率增加而上升趨勢，但在不同頻率范圍增加的趨勢不盡相同，在1～4Hz 中心頻率范圍內隨著頻率的增加而顯著增加，在4～25 Hz 中心頻率范圍內隨著頻率的增加而平穩緩慢增加、25～80Hz 中心頻率范圍內隨著頻率的增加而升降走勢較為反復。

2 結果與討論

本文通過對上海地鐵2 號線進行了大量的現場實測并分析采集的數據，得出了如下結論：

（1）地鐵運行誘發環境振動的振動響應Z 向大于水平向；無論是豎直向（Z 向）還是水平向（EW 向和NS 向），均隨著距離地鐵中心線距離越來越遠，振動響應越來越小；地鐵運行引起地面振動加速度在近處衰減幅度大且衰減速率快，在遠處衰減幅度小且衰減速率慢；地鐵運行引起地面振動在距離地鐵中心線30m 左右處存在振動放大區；地鐵運行引起地面振動的振動能量集中在20～80Hz 中心頻率范圍內；隨著測點到地鐵中心線距離的推遠，振動速度級幅值對應的中心頻率范圍有所縮小。地鐵列車的振動影響范圍約為距離軌道中心線500m。

（2）地鐵埋深越大引起的地面Z 向振動響應越小且衰退得越快，地鐵埋深相差在5m 以內時對水平方向的振動響應無明顯影響。地鐵運行時地面的振動速度級與到地鐵中心線距離之間基本呈現對數關系。