富水砂卵石地區(qū)不同類型軌道振動源強(qiáng)及衰減特性試驗(yàn)研究

程云妍，趙 月，王躍宗，劉 毅

（1. 成都軌道交通集團(tuán)有限公司，四川成都 610041；2. 成都交通投資集團(tuán)有限公司，四川成都 610041）

1 研究背景

近年來，地鐵的高速發(fā)展在一定程度上緩解了交通擁堵問題，推動了城市經(jīng)濟(jì)全面發(fā)展，但其產(chǎn)生的振動噪聲問題，對沿線居民的生活和精密儀器的工作產(chǎn)生了不良影響[1-3]。地鐵運(yùn)行產(chǎn)生的振動是非常復(fù)雜的波動過程，受車輛、軌道系統(tǒng)、軌下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)（隧道）、土壤介質(zhì)和建筑物類型等因素影響。安裝鋼軌阻尼、更換扣件連接、制造鋼彈簧浮置板道床等措施，已經(jīng)成為地鐵軌道減振措施發(fā)展的主要方向[4-7]。劉鵬輝[8]等人通過對地鐵隧道內(nèi)不同減振措施現(xiàn)場振動測試分析，了解不同減振措施在各個頻率范圍內(nèi)的減振效果差異；劉福金[9]等從車輪、鋼軌、扣件和道床4個方面綜述地鐵輪軌主要減振降噪措施，并從減振降噪效果、施工難易、制造成本、維修難易等方面分析各措施的優(yōu)缺點(diǎn)。但是在車輛、軌道、軌下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)基本一致的情況下，不同地質(zhì)條件下的振動波傳播及衰減規(guī)律也存在較大差異；郭飛[10]等人對蘭州砂卵石地層施工振動傳播及衰減特性進(jìn)行試驗(yàn)分析，得出該地區(qū)環(huán)境振動傳遞規(guī)律，提出相應(yīng)的環(huán)境振動評價建議；而成都仍沿用北京、上海、廣州上世紀(jì)80年代修建地鐵研究成果中的預(yù)測參數(shù)，未能反映出成都的地質(zhì)環(huán)境特點(diǎn)，因此根據(jù)成都所處地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行特定地區(qū)的地層振動傳播特性研究十分重要。

成都所處地區(qū)地質(zhì)條件相對單一，大部分區(qū)域?yàn)闆_積及冰水沉積砂卵石地層，少部分區(qū)域?yàn)榈谒南叼ね梁桶讏紫瞪澳鄮r，從理論上分析地質(zhì)條件對振動衰減效果較好[11]。目前國內(nèi)外對振動在地層中的衰減主要通過基于“振源-傳播路徑-受振體”這一研究系統(tǒng)建立起來的理論模型。Harkrider[12]采用傳遞矩陣法研究了各項(xiàng)異性介質(zhì)的瑞利波頻散，以及不同埋深點(diǎn)源下分層豎向質(zhì)點(diǎn)位移表達(dá)式；Kausel和Peek[13]利用薄層法得到剛性基上分層介質(zhì)在瞬態(tài)荷載作用下質(zhì)點(diǎn)位移響應(yīng)離散解；然而，面對地鐵列車運(yùn)行引起的振動及其在土體等介質(zhì)中傳播這樣一個非常復(fù)雜、涉及多對象系統(tǒng)的問題，在建立理論模型時，不得不對實(shí)際的情況做出大量的簡化、假定、抽象與約束，使得到的結(jié)果不能完成精確的定量預(yù)測分析。

因此，本文通過現(xiàn)場測試方法，對富水砂卵石地區(qū)施加不同減振措施的區(qū)段進(jìn)行振動對比試驗(yàn)研究，分別在采用GJ-Ⅲ減振扣件、鋼彈簧浮置板、一般整體式道床、浮軌式扣件4種軌道結(jié)構(gòu)形式的隧道內(nèi)及地面進(jìn)行現(xiàn)場測試，采用Z振級分析、頻域分析、時頻分析[14-16]等多種分析方式，對成都地區(qū)特有的富水砂卵石地層振動傳播及衰減特性進(jìn)行研究，以確定線路與各種沿線建筑的理想空間關(guān)系。

2 試驗(yàn)概況

2.1 斷面選取

本文在成都地鐵1號、2號、4號和7號線開展試驗(yàn)研究，所處地質(zhì)條件均為富水砂卵石地層，1號、2號、4號線使用車型均為B型車，7號線使用車型為A型車。本研究對各線路測點(diǎn)進(jìn)行地下、地面同步測試，根據(jù)使用車型、列車設(shè)計(jì)速度、軌道結(jié)構(gòu)形式、地質(zhì)條件、埋深選取了5組合適的測試地點(diǎn)，測點(diǎn)信息如表1所示。

表1 測試地點(diǎn)信息 m

2.2 測試設(shè)備

本次試驗(yàn)主要采用的儀器包括網(wǎng)絡(luò)式智能采集儀、加速度傳感器、垂直向拾振器、橫向拾振器、計(jì)軸傳感器（測速用）等，其中加速度傳感器及拾振器主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示，數(shù)量由現(xiàn)場斷面和測點(diǎn)情況而定。

表2 加速度傳感器及拾振器主要技術(shù)指標(biāo)

2.3 測點(diǎn)布置

本研究地面測點(diǎn)測試時間為上午9 : 00 — 11 : 00或下午15 : 00 — 17 : 00。隧道壁源強(qiáng)測試設(shè)備在地面測試開展前一天夜間布置于測試斷面隧道壁處，測點(diǎn)布置在行車方向右側(cè)距設(shè)計(jì)軌頂面1.9 m高處，如圖1所示。測試設(shè)備自動采集隧道壁振動加速度值，通過采集儀的時間記錄功能，挑選出時間與地面測點(diǎn)測試時一致的通過列車數(shù)據(jù)，從而確保地面振動響應(yīng)測試數(shù)據(jù)與隧道壁源強(qiáng)測試數(shù)據(jù)時間上的同步。地面測試沿垂直列車運(yùn)行方向布置若干測點(diǎn)，第一個測點(diǎn)位于軌道中心線正上方，各測點(diǎn)相對于軌道中心線水平距離依次是0 m、5 m、10 m、15 m、20 m、25 m、30 m、40 m，在各測點(diǎn)處均垂向布置拾振器，現(xiàn)場布置如圖2所示。數(shù)據(jù)采集的采樣頻率為1 024 Hz，分析頻率最大可達(dá)512 Hz。

圖1 隧道壁源強(qiáng)測試測點(diǎn)布置圖

圖2 地面測點(diǎn)布置示意圖

3 測試結(jié)果與分析

3.1 隧道壁源強(qiáng)測試結(jié)果與分析

3.1.1 Z 振級分析

取測試時間內(nèi)通過的10趟列車通過產(chǎn)生的有效數(shù)據(jù)的平均值，圖3為全部5組測試斷面隧道壁源強(qiáng)分頻Z振級，包括4種軌道結(jié)構(gòu)形式的隧道壁源強(qiáng)在頻域內(nèi)的變化規(guī)律。根據(jù)測試結(jié)果顯示：采用浮軌式扣件的4 號測試斷面隧道壁振動源強(qiáng)峰值出現(xiàn)在31.5 Hz處，采用鋼彈簧浮置板道床的2號測試斷面隧道壁振動源強(qiáng)峰值出現(xiàn)在8 Hz處，其余3組隧道壁振動源強(qiáng)峰值均出現(xiàn)在80 Hz處，考慮到測試時間和列車運(yùn)行速度相差不大，由此可看出不同的軌道減振措施對隧道壁振動的衰減能力存在顯著差異。

圖3 各測點(diǎn)的Z振級

3.1.2 時頻分析

為了保留時間信息，提高分析精度，本文采用復(fù)Morlet小波[17]對5組不同軌道結(jié)構(gòu)的隧道壁響應(yīng)時程做連續(xù)小波變換，將時域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為時頻域進(jìn)行分析，如圖4所示。

圖4 隧道壁源強(qiáng)時頻分析

圖4a～圖4e反映了全部斷面的典型時頻分布，圖中的亮斑或亮線表示特定時刻和頻率范圍的振動峰值，對應(yīng)了輪軌相互作用對軌道下部結(jié)構(gòu)的振動沖擊，除浮置板軌道外可以觀察到6節(jié)列車各個輪對經(jīng)過測點(diǎn)的時刻，圖4e標(biāo)識出了對應(yīng)的列車。將分析頻段擴(kuò)大到4 ～200 Hz的范圍可以看出：采用GJ-Ⅲ減振扣件軌道結(jié)構(gòu)隧道壁振動能量主頻為110 Hz，而160～180 Hz的振動能量相比于一般軌道結(jié)構(gòu)得到了有效的衰減；第2組采用鋼彈簧浮置板的隧道壁源強(qiáng)振動能量整體較小，分散于50 Hz以下及70～110 Hz，這是由于鋼彈簧浮置板阻隔了高頻振動向隧道基礎(chǔ)的傳遞，在列車經(jīng)過前后，測點(diǎn)對應(yīng)的頻段均有振動能量，這表明浮置板軌道的振動傳遞距離遠(yuǎn)、衰減慢但可以抑制振動的峰值；而列車經(jīng)過裝有浮軌式扣件的隧道壁160～200 Hz高頻振動峰值則未被抑制，但振動衰減更快；采用一般整體道床和DT-Ⅵ2扣件軌道形式的2組，由于第5組列車運(yùn)行速度等于第3組導(dǎo)致了第5組時域信號更寬。雖然第5組運(yùn)行的A型車速度低，但是A型車軸重大載客多，導(dǎo)致其對軌道結(jié)構(gòu)施加的振動激勵大于第3組。因此，二者的各自振動的頻域分布基本一致而軌道系統(tǒng)的輸入能量差異導(dǎo)致了隧道壁處測得的第5組源強(qiáng)大于第3組。

上述隧道壁源強(qiáng)測試結(jié)果說明GJ-Ⅲ減振扣件、鋼彈簧浮置板及浮軌式扣件對減弱列車運(yùn)行引起的環(huán)境振動是有效的，GJ-Ⅲ減振扣件、浮軌式扣件、鋼彈簧浮置板3類減振軌道結(jié)構(gòu)分別于120 Hz、40 Hz、10 Hz后產(chǎn)生隔振效果，從考慮降低環(huán)境振動源強(qiáng)的效果考慮，鋼彈簧浮置板減振效果比浮軌式扣件更好，浮軌式扣件優(yōu)于GJ-Ⅲ減振扣件。從時頻分析的情況來看，采用減振軌道結(jié)構(gòu)且隔振效果越好的斷面振動能量在時域上的分布越分散的趨勢。可見振動源強(qiáng)受軌道結(jié)構(gòu)影響是顯著的，故振動自源強(qiáng)位置向遠(yuǎn)場傳播并衰減的過程自然也應(yīng)考慮軌道結(jié)構(gòu)的影響。

3.2 地面振動測試結(jié)果與分析

3.2.1 Z 振級分析

實(shí)測地面振動加速度信號采用自互功率譜修正法對地面本底振動進(jìn)行去除，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行采用GB 10071-88《城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)》中的鉛垂向Z振級計(jì)算[18]，為使得到的計(jì)算結(jié)果穩(wěn)定，選取重疊系數(shù)為3/4[15]。取10趟有效數(shù)據(jù)的Z計(jì)權(quán)分頻振級最大值的平均值作為評價指標(biāo)，對多個測點(diǎn)取各振動測點(diǎn)的算術(shù)平均值為振動評價量，得到結(jié)果如圖5所示。

圖5 地面振動Z振級分布

從圖5中可以看出采用GJ-Ⅲ減振扣件的斷面，在距測試線路0～20 m范圍內(nèi)地鐵運(yùn)營引起的地面環(huán)境振動從60.7 dB快速衰減到52.3 dB，但25 m處振動加強(qiáng)至55.8 dB，至30 m處衰減至53.5 dB而40 m處又加強(qiáng)至54.0 dB，在10 m以外測點(diǎn)基本上呈現(xiàn)一種波浪形的分布規(guī)律。這樣的波浪形分布在采用鋼彈簧浮置板的斷面2處更加明顯在距線路中心線40 m范圍內(nèi)，列車引起的地面環(huán)境振動的Z計(jì)權(quán)振級水平在48～52 dB，從變化趨勢上來看，振動在垂直于線路中心線的方向上反復(fù)出現(xiàn)了多個加強(qiáng)區(qū)。而一般軌道結(jié)構(gòu)的振動地面分布，除5 m處和25 m處測點(diǎn)有振動加強(qiáng)外，地面環(huán)境振動幾乎呈線性衰減，5 m測點(diǎn)處的振動加強(qiáng)是由于隧道本身具有一定的寬度造成的，通常將隧道寬度的影響范圍考慮在7.5 m左右，而第二次振動加強(qiáng)發(fā)生在25 m處。對于斷面4，列車經(jīng)過測試斷面時地面環(huán)境振動Z振級水平在52～56 dB，在距線路中心線5～20 m的位置地面振動快速衰減至20 m處達(dá)到最低水平51.9 dB，25 m處振動加強(qiáng)至53.63 dB而后隨距離增長繼續(xù)衰減。A型車運(yùn)行于一般軌道結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的地面振動衰減規(guī)律較其他測試斷面有很大不同。在測點(diǎn)至線路中心線距離增大的同時地面環(huán)境振動的變化較小，Z計(jì)權(quán)振級水平在50.0～53.5 dB的范圍內(nèi)。從變化趨勢上來看0 m測點(diǎn)處的振動較弱，這可能是埋置隧道有一定寬度導(dǎo)致的正上方地面振動減弱。振動加強(qiáng)有2處，第1處類似于前述測試的20 m測點(diǎn)處振動加強(qiáng)，第2處40 m處的測得的環(huán)境振動卻是全部測點(diǎn)中最大的，初步推測是由于土層的不均勻分布導(dǎo)致的。

3.2.2 頻域分析

將距軌道不同距離處的振動頻譜繪制成頻率-距離 -振級云圖，如圖6所示。由圖6可知，斷面1、2列車運(yùn)行引起的地面振動在距線路中心線不同距離的各個測點(diǎn)的頻譜成分基本一致，8個測點(diǎn)的地面振動主要貢獻(xiàn)頻段分別在50～80 Hz、5～20 Hz的范圍內(nèi)，與列車引發(fā)的隧道壁源強(qiáng)主頻一致。斷面1在0～10 m范圍內(nèi)地面振動衰減主要在于20～40 Hz頻段，Z計(jì)權(quán)振動從50 dB衰減到40 dB左右的水平。而在更遠(yuǎn)的測點(diǎn)處，振動能量的主要貢獻(xiàn)頻段則是振動的主頻區(qū)段50～80 Hz，25 m處振動加強(qiáng)也是50～80 Hz的振級大于相鄰測點(diǎn)，而20 Hz以下頻段對地面振動貢獻(xiàn)較小。斷面2隨距線路中心線距離的增加，地面振動呈波浪形變化，第1次5 m位置處的加強(qiáng)主要由50～80 Hz頻段貢獻(xiàn)；第2次15 m位置處的振動加強(qiáng)則是31.5～80 Hz的加強(qiáng)導(dǎo)致的，25 m和40 m測點(diǎn)處的加強(qiáng)在頻率變化上與15 m處一致。值得注意的是在20 m測點(diǎn)處相比于臨近兩側(cè)點(diǎn)，振動在1～8 Hz頻段大3～5 dB而8 ～80 Hz頻段則小2～3 dB。從一般整體式道床軌道經(jīng)過 10趟B型車時各測點(diǎn)地面振動的頻率分布情況中可以發(fā)現(xiàn)地面振動能量貢獻(xiàn)的主要頻段是8～12.5 Hz、50～80 Hz。但在0～20 m范圍內(nèi)，地面振動的變化幾乎全部由50 ～80 Hz頻段貢獻(xiàn)。安裝浮軌式扣件的地面環(huán)境振動多數(shù)測點(diǎn)的主頻在31.5 Hz處，8 Hz處是其頻域分布的另一處峰值。觀察前5個測點(diǎn)即0～20 m范圍內(nèi)振動衰減，振動能量衰減的主要貢獻(xiàn)頻段是50 ～80 Hz，其余頻段的衰減并不明顯。圖6e表明了A型車運(yùn)行時各測點(diǎn)地面振動的頻率分布情況。可以發(fā)現(xiàn)地面振動能量貢獻(xiàn)的主要頻段是10～16 Hz和50～80 Hz。0m測點(diǎn)振動衰減主要是8～50 Hz振級比其臨近的5 m、10 m測點(diǎn)都要小，20 m測點(diǎn)處的振動加強(qiáng)體現(xiàn)在全分析頻段的振動加強(qiáng)，而40 m處的振動加強(qiáng)主要是10～80 Hz頻段加強(qiáng)貢獻(xiàn)的。

圖6 地面測點(diǎn)頻率 - 距離 - 振級云圖

總體而言，全部測試斷面的環(huán)境振動頻域分布主頻基本與各斷面隧道壁源強(qiáng)主頻保持一致，這說明環(huán)境振動的主頻在經(jīng)過土體介質(zhì)后一般不會發(fā)生改變，決定環(huán)境振動頻域分布的主要因素仍是軌道結(jié)構(gòu)形式，主頻除浮置板軌道外一般由車輛軌道系統(tǒng)的P2共振頻率決定的。而在傳播途徑上，除斷面5外的測試結(jié)果都反映了一個相同的規(guī)律，即地面環(huán)境振動隨傳播距離衰減的主要體現(xiàn)在各組斷面的主頻上而加強(qiáng)區(qū)測點(diǎn)的頻域加強(qiáng)頻帶為50～80 Hz。其實(shí)，4 Hz以下和50～80 Hz頻段振動均呈波浪形隨距離衰減，但是地面振動的低頻成分貢獻(xiàn)較小，而50～80 Hz的振級水平一般為主頻或接近主頻，故50～80 Hz隨距離衰減的第一個“波峰”處一般是地面振動加強(qiáng)區(qū)出現(xiàn)的位置。

3.3 地下至地表振動衰減測試結(jié)果

5個斷面地下至地面振動的衰減情況如圖7a～圖7e所示。全部測試斷面地面環(huán)境振動在1～2.5 Hz的振動能量比源強(qiáng)小很多，振動經(jīng)土體傳播后衰減明顯，這表明軌道結(jié)構(gòu)對低頻振動的傳播幾乎沒有影響。但在4～40 Hz的范圍內(nèi)，隧道埋深在13 m左右的3組斷面中，斷面1振動自源強(qiáng)位置至地面在8～20 Hz出現(xiàn)了振動放大，斷面4的振動放大頻段出現(xiàn)在4～6.3 Hz和16 Hz處，斷面3的振動放大頻段則是5～16 Hz。而源強(qiáng)位置較淺的斷面2振動放大頻段是10～20 Hz，源強(qiáng)位置較深的斷面5振動放大頻段是10～16 Hz。在50～80 Hz的頻段內(nèi)，施加了減振措施的斷面振動衰減明顯弱于一般軌道結(jié)構(gòu)。然而，各組測試斷面的隧道埋置位置和地質(zhì)條件有較大差異，振動衰減特性的主要影響因素還需進(jìn)一步的研究來確定。

圖7 地面地下分頻振級

4 結(jié)論

本文通過對多種軌道結(jié)構(gòu)在列車荷載激勵下的隧道壁源強(qiáng)和地面振動進(jìn)行同步測試，探究成都地區(qū)特有的富水砂卵石地層的振動傳播及衰減特性，采用頻域分析、時頻分析、地面Z振級分析等多種分析方式對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過分析得出了以下結(jié)論。

（1）GJ-Ⅲ減振扣件、鋼彈簧浮置板及浮軌式扣件對減弱列車運(yùn)行引起的環(huán)境振動是有效的，且分別于120 Hz、40 Hz、10 Hz后產(chǎn)生隔振效果，從考慮降低環(huán)境振動源強(qiáng)的效果考慮，減振效果鋼彈簧浮置板大于浮軌式扣件大于GJ-Ⅲ減振扣件。振動源強(qiáng)受軌道結(jié)構(gòu)影響顯著，故振動自源強(qiáng)位置向遠(yuǎn)場傳播并衰減的過程自然也應(yīng)考慮軌道結(jié)構(gòu)的影響。

（2）土體介質(zhì)對環(huán)境振動的主頻幾乎沒有影響，軌道結(jié)構(gòu)形式是決定環(huán)境振動頻域分布的主要因素，除浮置板軌道外主頻一般由車輛軌道系統(tǒng)的P2共振頻率決定的。地面環(huán)境振動隨傳播距離衰減主要體現(xiàn)在各組斷面的主頻上，而加強(qiáng)區(qū)測點(diǎn)的頻域加強(qiáng)頻帶為50～80 Hz。50～80 Hz的振級水平一般為主頻或接近主頻，故50～80 Hz隨距離衰減的第一個“波峰”處一般是地面振動加強(qiáng)區(qū)出現(xiàn)的位置。

（3）選取的4種軌道結(jié)構(gòu)4 Hz以下的低頻振動和50 Hz以上的高頻振動經(jīng)過土層介質(zhì)后均有較為明顯的衰減，4 Hz以下的低頻振動隨距離呈線性衰減，50 Hz 以上的高頻振動衰減量隨頻率的升高而增加；在4 ～20 Hz的范圍內(nèi)，傳播至地表的振動會發(fā)生放大，不同地質(zhì)情況會使振動加強(qiáng)頻段有所不同，但總體上在實(shí)施地面減振措施時10～12.5 Hz的地面振動應(yīng)受到重點(diǎn)關(guān)注。