地面城軌交通近軌道區(qū)域自由地表振動(dòng)實(shí)測(cè)研究

王福彤，陶夏新，崔高航，鄭 鑫，3，梁德勇，5

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，哈爾濱 150090;2.黑龍江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，哈爾濱 150001;3.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163319;4.東北林業(yè)大學(xué) 木工程學(xué)院，哈爾濱 150040;5.黑龍江省工程咨詢?cè)u(píng)審中心，哈爾濱 150008)

地面城軌交通近軌道區(qū)域自由地表振動(dòng)實(shí)測(cè)研究

王福彤1，2，陶夏新1，崔高航4，鄭 鑫1，3，梁德勇1，5

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，哈爾濱 150090;2.黑龍江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，哈爾濱 150001;3.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163319;4.東北林業(yè)大學(xué) 木工程學(xué)院，哈爾濱 150040;5.黑龍江省工程咨詢?cè)u(píng)審中心，哈爾濱 150008)

城市軌道交通誘發(fā)周邊地表振動(dòng)已成為突出的環(huán)境振動(dòng)問(wèn)題。為考察軌道周邊自由地表垂向振動(dòng)的特性及其傳播規(guī)律，在北京城鐵13號(hào)線回龍觀至霍營(yíng)區(qū)段進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)。從時(shí)域、功率譜和振動(dòng)級(jí)三個(gè)方面對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示:隨著與軌道距離的增加，地表加速度峰值明顯衰減，振動(dòng)持時(shí)增加;振動(dòng)優(yōu)勢(shì)頻率為10 Hz－80 Hz，近軌道處以高頻為主，遠(yuǎn)離軌道處以低頻為主;加權(quán)Z振級(jí)單調(diào)衰減，但分頻段振級(jí)并非單調(diào)衰減，與場(chǎng)地卓越頻率接近的頻段存在較大的反彈現(xiàn)象;乘客滿載和半載對(duì)Z振級(jí)的影響不大;相對(duì)于干線鐵路而言，城軌交通地面振動(dòng)水平較低。

城市軌道;地表振動(dòng);現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試;振動(dòng)級(jí)

在城市軌道交通運(yùn)行過(guò)程中，輪軌相互作用形成激勵(lì)源。振動(dòng)通過(guò)軌道、路基以波的形式向周圍地層傳播，引起線路周邊區(qū)域地表及建筑物的環(huán)境振動(dòng)。相對(duì)于埋在地層中的地鐵路段，地面路段的振動(dòng)強(qiáng)度更高，環(huán)境影響問(wèn)題更為突出。鑒于室內(nèi)模型試驗(yàn)難度大、成本高，目前現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試是軌道交通環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)研究的最有效手段?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的結(jié)果能夠?yàn)槔碚摲治龊蛿?shù)值模擬提供可靠的驗(yàn)證依據(jù)，為既有線路隔振改造和新線路減振設(shè)計(jì)提供必要的參考。

軌道交通引起環(huán)境振動(dòng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)多集中于對(duì)地鐵及高架鐵路交通的測(cè)試［1－5］，對(duì)地面軌道交通的測(cè)試多針對(duì)于速度快、軸重大的城際鐵路。1997年比利時(shí)鐵路公司在巴黎至布魯塞爾高速鐵路線的一段軟土場(chǎng)地組織了一次聯(lián)合測(cè)試，獲得了一批地表振動(dòng)的寶貴數(shù)據(jù)［6］。

各國(guó)學(xué)者對(duì)此次觀測(cè)進(jìn)行了一系列理論分析和數(shù)值模擬，積極推動(dòng)了對(duì)輪軌振動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理、場(chǎng)地振動(dòng)傳播特性及環(huán)境振動(dòng)的預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)等方面的研究。Xia He等［7］對(duì)沈陽(yáng)—山海關(guān)鐵路線靠近沈陽(yáng)站附近一段的地面振動(dòng)進(jìn)行了觀測(cè)，分析了振動(dòng)衰減規(guī)律。Auersch［8］在柏林－漢諾威高速鐵路線附近觀測(cè)了ICE3和Thalys列車通過(guò)產(chǎn)生的地面振動(dòng)，結(jié)合計(jì)算模型分離出擬靜力成分，分析了靜荷載在地表振動(dòng)中的作用。高廣運(yùn)等［9］測(cè)試了秦－沈鐵路垂直線路不同距離、不同車速下的地面振動(dòng)，分析了垂向振動(dòng)加速度特征，討論了行車速度的影響。陳建國(guó)等［10，11］對(duì)京廣線附近地面振動(dòng)進(jìn)行了觀測(cè)，討論了車速、列車軸重、鋼軌接縫等因素的影響，分析了地面振動(dòng)的衰減特征，并進(jìn)行了地面振動(dòng)評(píng)價(jià)。

城市地面軌道交通與城際鐵路具有共性，但相對(duì)而言速度慢，運(yùn)量低，軸重小，與生產(chǎn)生活區(qū)距離更近，應(yīng)區(qū)別對(duì)待。目前，對(duì)城市地面軌道交通引起的地表振動(dòng)測(cè)試不多見(jiàn)。筆者所在的課題組于2007年在北京城鐵13號(hào)線進(jìn)行了兩次現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)。本文首先簡(jiǎn)要介紹現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試概況及數(shù)據(jù)處理方法，然后分析垂直軌道方向和順軌道方向振動(dòng)的時(shí)域特性，地表振動(dòng)的功率譜和振動(dòng)加速度級(jí)的衰減規(guī)律，并對(duì)所觀測(cè)路段做了環(huán)境振動(dòng)評(píng)價(jià)。

1 測(cè)試概況

1.1 場(chǎng)地條件

觀測(cè)地點(diǎn)位于北京城鐵13號(hào)線回龍觀站與霍營(yíng)站之間，GPS 坐標(biāo) N 40.411 8°，E:116.209 6°。為考察地表振動(dòng)衰減特性，第一次觀測(cè)的5個(gè)測(cè)點(diǎn)布設(shè)于垂直于軌道方向的地表直線上，平面布局如圖1(a)所示。各測(cè)點(diǎn)距軌道中心線的直線距離分別為10 m、20 m、40 m、50 m和60 m。第二次觀測(cè)考察平行于車輛運(yùn)行方向的地表振動(dòng)特性，6個(gè)測(cè)點(diǎn)布設(shè)為矩形臺(tái)陣，長(zhǎng)邊平行于軌道方向，如圖1(b)所示。

為了解該場(chǎng)地各分層土的剪切波速隨深度的變化，在圖1(b)中P1、P3、P4和P6測(cè)點(diǎn)位置處進(jìn)行了鉆孔勘探。其中P1、P4鉆孔深度20 m，P3、P6鉆孔深度30 m。采用懸掛式波速測(cè)井法對(duì)4個(gè)鉆孔進(jìn)行了剪切波速度測(cè)試，結(jié)果如圖2(b)所示。

圖1 測(cè)點(diǎn)平面布置圖Fig.1 Plane Layout of Observation Points

圖2 觀測(cè)場(chǎng)地的土層分布Fig.2 Layered Distribution of the Ground

1.2 列車負(fù)荷和測(cè)試儀器

列車由長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司生產(chǎn)，4節(jié)編組。兩端為動(dòng)車，中間兩節(jié)為拖車。動(dòng)車定員226人，拖車定員244人?？紤]到實(shí)際客運(yùn)量對(duì)列車荷載的影響，每個(gè)臺(tái)陣均記錄了客運(yùn)量正常時(shí)段和客運(yùn)高峰時(shí)段的數(shù)據(jù)，區(qū)分了滿載和半載工況。列車運(yùn)行速度為60 km/h。

地表振動(dòng)觀測(cè)設(shè)備采用ALTUSTMETNA強(qiáng)震加速度觀測(cè)儀，儀器觀測(cè)采樣200點(diǎn)/秒。

2 數(shù)據(jù)處理方法

根據(jù)測(cè)得的加速度時(shí)間序列，采用周期圖法估計(jì)了功率譜。為減少觀測(cè)數(shù)據(jù)中本底成分的影響，使用功率譜修正法［12］對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。振動(dòng)加速度級(jí)VAL根據(jù)我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)量測(cè)方法》計(jì)算，加速度參考值取為1×10－6m/s2，加速度有效值a 根據(jù)如下公式計(jì)算［13］:

式中，S(f)為加速度功率譜密度，fl和fu分別為計(jì)算頻段的下限頻率和上限頻率。

一般認(rèn)為，自由地表三個(gè)方向的振動(dòng)分量中鉛垂向振動(dòng)最大。因此，本文僅就鉛垂向振動(dòng)數(shù)據(jù)作出分析。

3 觀測(cè)結(jié)果分析

3.1 時(shí)程分析

圖3(a)展示了圖1(a)直線臺(tái)陣觀測(cè)的地表加速度時(shí)程。P1—P5各點(diǎn)振動(dòng)峰值依次為 0.30 m/s2、0.17 m/s2、0.05 m/s2、0.03 m/s2和 0.03 m/s2，表明振動(dòng)峰值隨距軌道中心線距離(簡(jiǎn)稱振源距離)的增加而明顯衰減。從圖3(a)還可看出，隨振源距離的增加，振動(dòng)持時(shí)有增加的趨勢(shì)。

測(cè)點(diǎn)P1距軌道最近，時(shí)程中能夠比較清晰地辨別出5組轉(zhuǎn)向架輪群通過(guò)產(chǎn)生的振動(dòng);隨著振源距離的增加，在時(shí)程中已經(jīng)難以辨別出通過(guò)的車輪群組。

對(duì)圖3(a)的各條時(shí)程進(jìn)行帶通濾波處理，提取8 Hz－8.5 Hz的振動(dòng)分量，展示于圖3(b)中?？梢?jiàn)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)存在明顯的相位差，距離越遠(yuǎn)，振動(dòng)相位越滯后，表現(xiàn)了振動(dòng)從軌道向遠(yuǎn)處傳播的特征。從幅值上看，10 m－20 m距離范圍內(nèi)幅值有所衰減，20 m以外幅值有所反彈，表明該頻段的振動(dòng)并非單調(diào)衰減。

圖4為矩形臺(tái)陣的觀測(cè)結(jié)果。從P3到P1振動(dòng)依次略顯滯后，說(shuō)明列車運(yùn)行的方向是從P1指向P3。

按振源距離的不同，測(cè)點(diǎn)可分為P1、P2、P3和P4、P5、P6兩組。圖4顯示同一組測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)略有差異。理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果［14］表明，對(duì)于水平成層場(chǎng)地，除因?yàn)榱熊囘\(yùn)行而存在時(shí)滯外，與軌道距離相同點(diǎn)的振動(dòng)應(yīng)完全相同。注意到圖2所示的鉆孔資料，本次觀測(cè)場(chǎng)地土層在水平方向并非完全均勻，同一組測(cè)點(diǎn)振動(dòng)的差異可能來(lái)源于土層的不均勻性。這與文獻(xiàn)［8］的結(jié)論是一致的。

3.2 功率譜分析

軌道交通周邊地表振動(dòng)的頻率成分比較復(fù)雜。理論上，距軌道x遠(yuǎn)的地表點(diǎn)頻率響應(yīng)R(x，f)可表示為如下的乘積形式:

式中P(f)為振源函數(shù)，H(x，f)為場(chǎng)地傳遞函數(shù)，f為振動(dòng)頻率。在列車運(yùn)行過(guò)程中，固定距離的軸荷載沿軌道移動(dòng)，車輪扁疤、軌道接頭引起周期輪軌沖擊，各種波長(zhǎng)軌面不平順導(dǎo)致車輛軌道相互作用。這些因素使軌道上面的移動(dòng)荷載序列具有多種頻率成分，Doppler效應(yīng)使得振源函數(shù)P(f)的頻率成分更為復(fù)雜。傳遞函數(shù)H(x，f)反映了路堤、場(chǎng)地土層的動(dòng)力特性。對(duì)振源函數(shù)而言，傳遞函數(shù)起濾波器作用，決定了哪些頻率成分受到抑制，哪些頻率成分得以放大。

圖5表示直線臺(tái)陣各測(cè)點(diǎn)的加速度功率譜?？梢?jiàn)在10 m－60 m范圍內(nèi)，地表振動(dòng)頻率集中于10 Hz－80 Hz以內(nèi)。P1到P5點(diǎn)的卓越頻率依次為54 Hz、34 Hz、46 Hz、26 Hz和 22 Hz，說(shuō)明近軌道處的振動(dòng)以高頻為主，遠(yuǎn)離軌道處的振動(dòng)以低頻為主。隨著與軌道距離的增加，相對(duì)于低頻部分而言，高頻部分的衰減速度更快。

3.3 振動(dòng)加速度級(jí)分析

計(jì)算直線臺(tái)陣各條觀測(cè)記錄的倍頻程中心頻率處振動(dòng)加速度級(jí)VAL，進(jìn)行算術(shù)平均后展示于圖6。為便于比較各頻段衰減特性，圖6中每條衰減曲線均對(duì)其最大值做了歸一化處理。

圖4 矩形臺(tái)陣加速度時(shí)程Fig.4 Acceleration Time Histories Recorded by the Rectangular Observation Array

圖5 直線臺(tái)陣加速度功率譜Fig.5 Acceleration PSD of the Line Observation Array

隨著振源距離的增加，各頻段振動(dòng)級(jí)整體表現(xiàn)為衰減的趨勢(shì)。但在不同振源距離處，所有頻段的振動(dòng)級(jí)均出現(xiàn)了不同程度的局部反彈現(xiàn)象。2 Hz頻段衰減曲線的反彈區(qū)位于40 m－60 m處，4 Hz頻段的反彈區(qū)在40 m處，8 Hz頻段的反彈區(qū)在20 m處，16 Hz頻段的反彈區(qū)在10 m和50 m處，31.5 Hz頻段和64 Hz頻段的反彈區(qū)在50 m處。這說(shuō)明不同頻率的地表振動(dòng)在不同振源距離處發(fā)生反彈，閻維明等［15］在考察查地鐵交通引起地面振動(dòng)問(wèn)題時(shí)也獲得了類似的觀測(cè)結(jié)果。事實(shí)上，公式(2)已經(jīng)表明，不同頻率f的地表響應(yīng)R(x，f)與相應(yīng)頻率的傳遞函數(shù)H(x，f)有關(guān)。H(x，f)

的含義是，在位于軌道頂面簡(jiǎn)諧荷載激勵(lì)下，與軌道水平距離為x的地表點(diǎn)的響應(yīng)幅值，如圖7所示。由振源輻射出的一系列彈性波經(jīng)過(guò)地層的反射、透射后到達(dá)地表受震點(diǎn)。如果部分波的傳播距離是波長(zhǎng)的整數(shù)倍，到達(dá)受震點(diǎn)處相位相同，幅值相疊加就可能導(dǎo)致該點(diǎn)的振動(dòng)水平高于附近其他點(diǎn)，因此形成振動(dòng)衰減的反彈現(xiàn)象。不同激振頻率的波具有不同的波長(zhǎng)，反彈點(diǎn)顯然不可能位于同一個(gè)振源距離x。圖7展示的只是一個(gè)理想化的模型，實(shí)際的路堤、土層分布情況要復(fù)雜得多。

需要說(shuō)明的是，圖6的每條衰減曲線均對(duì)其自身最大值做了歸一化處理。相對(duì)于高頻段而言，2 Hz頻段的振動(dòng)水平極低，如圖5所示。盡管出現(xiàn)了較大反彈，遠(yuǎn)距離點(diǎn)的低頻成分仍然小到可以忽略。

按ISO2631規(guī)定的全身振動(dòng)z計(jì)權(quán)因子修正1/3倍頻程中心頻率處VAL曲線，得到鉛垂向Z振級(jí)VLz。圖8為滿載和半載兩種工況下，VLz的衰減曲線。在10 m－50 m范圍內(nèi)，載客量的大小對(duì)地表Z振級(jí)的影響不超過(guò)2 dB。

文獻(xiàn)［11］報(bào)告的干線鐵路兩側(cè)10 m遠(yuǎn)處地表振動(dòng)VLz超過(guò)90 dB，60 m遠(yuǎn)處接近70 dB，遠(yuǎn)超過(guò)圖8所示的城市軌道交通地表振動(dòng)水平。這主要是由于城軌交通軸重小，軌道平順性好，輪軌作用力低的原因。

中國(guó)《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)(GB10070－88)》規(guī)定鐵路干線兩側(cè)30 m外VLz不超過(guò)80 dB，交通干線道路兩側(cè)不超過(guò)75 dB。從圖8可以看出，距軌道10 m處VLz為74 dB，沒(méi)有超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。但這并不能說(shuō)明城市軌道交通引起的環(huán)境振動(dòng)問(wèn)題可以忽視。事實(shí)上，當(dāng)振動(dòng)達(dá)到65 dB時(shí)，一般人的睡眠受到輕微影響;達(dá)到69 dB時(shí)，所有輕微睡眠的人將被驚醒［16］。《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》1988制定，作為今天評(píng)價(jià)城市軌道交通環(huán)境振動(dòng)影響的尺度已不合時(shí)宜，新的標(biāo)準(zhǔn)亟待出臺(tái)。

4 結(jié)論

本文在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的基礎(chǔ)上，對(duì)城市軌道交通引發(fā)的自由地表垂向振動(dòng)進(jìn)行了時(shí)程、功率譜和振動(dòng)加速度級(jí)的分析，獲得以下結(jié)論。

(1)隨著振源距離的增加，振動(dòng)加速度峰值明顯衰減，振動(dòng)持時(shí)有增加的趨勢(shì)。距離越遠(yuǎn)，振動(dòng)相位越滯后。

(2)與軌道距離相同的點(diǎn)的振動(dòng)基本相同，差異來(lái)源于土層的不均勻性。

(3)地表振動(dòng)的優(yōu)勢(shì)頻率為10 Hz－80 Hz。相對(duì)于低頻部分而言，高頻部分的衰減速度更快。近軌道處的振動(dòng)以高頻為主，遠(yuǎn)離軌道處的振動(dòng)以低頻為主。

(4)各頻段振動(dòng)級(jí)并非隨振源距離的增加單調(diào)衰減，與場(chǎng)地土層卓越頻率接近的頻段存在較大的反彈現(xiàn)象。

(5)乘客滿載和半載對(duì)地表Z振級(jí)的影響不大。

(6)城市軌道交通地表振動(dòng)水平低于干線鐵路兩側(cè)振動(dòng)水平。

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Test in situ for free ground vibration near urban railway line

WANG Fu-tong1，2，TAO Xia-xin1，CUI Gao-hang4，ZHENG Xin1，3，LIANG De-yong1，5

(1.School of Civil Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150090，China;
2.School of Civil Engineering and Architecture，Heilongjiang University，Harbin 150001，China;3.School of Engineering，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319，China;4.School of Civil Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040，China;5.Heilongjiang Engineering Project Evaluation and Consultation Centre，Harbin 150008，China)

Ground vibration induced by urban rail traffic becomes a major environmental vibration problem in urban areas.In order to study the vertical ground vibration characteristics and its propagation behavior，a test in situ was carried out near line 13 of Beijing urban railway between Huilongguan station and Huoying one.The responses of the free ground were analyzed in three aspects of acceleration time histories，power spectra and vibration levels.Results showed that the PGA of the ground surface displays a pronounced decay with increase in distance from track，while the vibration is somewhat prolonged;the dominant frequency range is in 10 to 80Hz，higher frequency components are measured at points near track and lower ones are measured at points far from track;the weighted VLz monotonically decays with distance，whereas at some frequency points close to natural frequencies of ground，the banded VLzs are amplified notably at certain distances;there is no significant change in the weighted VLz whether coaches are full or not;comparing with intercity railways，the urban rail traffic causes a more moderate ground vibration.

urban railway;ground vibration;test in situ;vibration level

TU435;U211.3;X593

A

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(50538030)

2010－05－31 修改稿收到日期:2010－08－20

王福彤 男，博士生，副教授，1972年4月生