地鐵折返線環境振動試驗研究

歐陽康淼，尹 京，楊宜謙

(1.北京東直門機場快速軌道交通有限公司，北京 100027;2.中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

隨著我國城市化建設的快速發展，交通環境振動對科研單位和高等院校的精密儀器、振動敏感設備的影響越來越大［1-5］。北京地鐵15號線一期計劃先后下穿京包鐵路、地鐵13號線、荷清路、清華大學東配樓東側停車場至清華東站。清華東站為側式站臺，站后設折返線，終點鄰近清華大學東配樓。折返線岔心縱向距東配樓東南角245 m，隧道壁橫向距東配樓東南角56 m。為預測地鐵折返線對東配樓內精密儀器的振動影響，分別選取隧道埋深、工程地質和隧道結構等條件類似的已運營地鐵10號線勁松站和大興線天宮院站折返線進行地面振動類比測試。本文主要對比分析兩條折返線行車產生的地面振動及其傳遞規律。

1 試驗場地概況

北京地鐵10號線勁松站位于朝陽區東三環勁松橋南側主路旁，其折返線隧道結構和地質條件與15號線清華東站折返線較為接近，但地面三環主路晝間交通流量較大，主要為小客車和公交車。大興線天宮院站位于大興區新源大街與天府路交匯處，車站南側為地面車輛段，折返線埋深較淺，且存在延伸至地面的較大縱坡，但地面基本無公路交通，環境較為安靜。兩條折返線具體隧道參數和地質條件與15號線折返線的比較見表1。

2 測點布置和測試工況

2.1 勁松站折返線

北京地鐵10號線勁松站折返線現場測試共選取6個斷面，測試內容包括垂向和水平向振動加速度、速度、位移。具體測點位置見圖1，位置依次為:

斷面①，岔心斷面，距地鐵西側隧道壁55 m處地表面;

斷面②，斷面①沿線路縱向向南115 m處地表面;

斷面③，斷面②沿線路縱向向南130 m處地表面;

斷面④，斷面③沿線路縱向向南30 m處地表面;

斷面⑤，斷面④沿線路縱向向南30 m處地表面;

斷面⑥，斷面④遠離線路向西橫移30 m處地表面。

圖1 10號線勁松站折返線振動地面測點布置

其中，斷面③距折返線岔心縱向距離245 m，橫向距隧道壁55 m，相當于清華大學東配樓東南角距清華東站折返線岔心距離，為重要對比測點。

現場測試數據共計160組，主要分為4種工況:

工況1，10號線地鐵側向過岔(含三環路交通)，共計76組數據;

表1 折返線隧道參數和地質條件比較

工況2，10號線地鐵直行過岔(含三環路交通)，共計76組數據;

工況3，無地鐵列車條件下三環路交通，共計6組數據;

工況4，無過車條件下環境振動，共計2組數據。

2.2 天宮院站折返線

北京地鐵大興線天宮院站折返線現場測試共選取6個斷面，測試內容包括垂向和水平向振動加速度、速度、位移。具體測點位置見圖2，位置依次為:

斷面①，岔心斷面，距岔心約60 m處地表面;

斷面②，斷面①沿線路縱向向南115 m處地表面;

斷面③，斷面②沿線路縱向向南130 m處地表面;

斷面④，斷面③靠近線路向東橫移50 m處地表面;

斷面⑤，斷面③沿線路縱向向南60 m處地表面;

斷面⑥，斷面③遠離線路向西橫移30 m處地表面。

其中，斷面③距折返線岔心縱向距離245 m，橫向距隧道壁約55 m，相當于清華大學東配樓東南角距清華東站折返線岔心距離，為重要對比測點。

現場測試數據共計88組，主要分為3種工況:

工況1，大興線地鐵側向過岔，共計41組數據;

工況2，大興線地鐵直向過岔，共計41組數據;

工況3，無過車條件下環境振動，共計6組數據。

3 測試數據分析

3.1 勁松站折返線

實測10號線勁松站折返線斷面③處垂向振動加速度主頻為4～23 Hz，東西水平向振動加速度主頻為7～25 Hz，南北水平向振動加速度主頻為5～25 Hz。

圖2 大興線天宮院站折返線地面測點布置(單位:m)

從圖3～圖5三個方向實測結果可以看出，同一趟列車側向過岔和直行過岔時，兩者在斷面③處的振動加速度1/3倍頻程曲線很接近;距離越遠，中心頻率30 Hz以上高頻振動衰減相對低頻振動更為明顯，因此地鐵列車側向過岔和直行過岔引起的高頻振動差異通過較大距離的衰減后，兩者差異更小。

圖3 勁松站斷面③垂向加速度1/3倍頻程曲線

圖4 勁松站斷面③東西水平向加速度1/3倍頻程曲線

圖5 勁松站斷面③南北水平向加速度1/3倍頻程曲線

圖6 列車側向過岔時勁松站各測點垂向加速度比較

圖7 列車直行過岔時勁松站各測點垂向加速度比較

圖6、圖7分別給出了列車側向過岔、直行過岔時各斷面測點垂向加速度1/3倍頻程曲線比較，并從中選取中心頻率 5 Hz，10 Hz，20 Hz，40 Hz，80 Hz 的垂向加速度值繪制隨距離變化的衰減曲線，如圖8所示。從三個圖中可以看出:斷面①列車通過產生的高頻振動明顯;斷面②處高頻振動衰減很大，而中低頻振動衰減相對較小;斷面③、斷面⑤由于距岔心較遠，列車已停車折返，過岔和制動產生的振動傳遞到這里時已大幅衰減，實測此處的振動水平接近地鐵無過車時環境振動水平。

圖8 列車直行過岔時勁松站各測點垂向加速度的衰減

3.2 天宮院站折返線

實測大興線天宮院站折返線斷面③處垂向振動加速度主頻為4～25 Hz，東西水平向振動加速度主頻為7～30 Hz，南北水平向振動加速度主頻為7～33 Hz。

從圖9～圖11三個方向實測結果可以看出，同一趟列車側向過岔和直行過岔時，兩者在斷面③處的振動加速度1/3倍頻程曲線很接近，中心頻率30 Hz以上兩者差異更小。

圖9 天宮院站斷面③垂向加速度1/3倍頻程曲線

圖10 天宮院站斷面③東西水平向加速度1/3倍頻程曲線

圖11 天宮院站斷面③南北水平向加速度1/3倍頻程曲線

圖12、圖13分別給出了列車側向過岔、直行過岔時各斷面測點垂向加速度1/3倍頻程曲線衰減比較，并從中選取中心頻率 5 Hz，10 Hz，20 Hz，40 Hz，80 Hz的垂向加速度值繪制隨距離變化的衰減曲線，如圖14所示。其基本衰減規律與勁松站折返線分析結果相似，但在斷面③附近振動略微增大，這主要有3點原因:

1)勁松站折返線相對較短，列車很快制動并折返，而天宮院站折返線較長，制動區間距離斷面③更近。

2)天宮院站折返線為上坡，岔心斷面隧道埋深約為15.3 m，斷面③處隧道埋深約為10.7 m。

圖12 列車側向過岔時天宮院站各測點垂向加速度比較

圖14 列車直行過岔時天宮院站各測點垂向加速度的衰減

3)天宮院站折返線隧道一直延伸出地面，列車過岔和制動產生的振動將會沿著隧道壁縱向傳遞，而勁松站折返線隧道末端并未延伸到斷面③。

4 結論

1)勁松站折返線距岔心縱向距離245 m的斷面③處地面垂向振動加速度主頻為4～23 Hz，東西水平向為7～25 Hz，南北水平向為5～25 Hz;大興線天宮院站折返線斷面③處垂向振動加速度主頻為4～25 Hz，東西水平向為7～30 Hz，南北水平向為7～33 Hz。

2)同一趟列車側向過岔和直行過岔時，兩者在斷面③處的振動加速度1/3倍頻程曲線很接近;中心頻率30 Hz以上兩者差異更小，這主要是因為距離越遠高頻振動衰減相對低頻振動更為明顯。

3)斷面①列車通過產生的高頻振動明顯;斷面②高頻振動衰減很大，而中低頻振動衰減相對較小;斷面③、斷面⑤由于距岔心較遠，列車已停車折返，過岔和制動產生的振動傳遞到這里時已大幅衰減，實測此處的振動水平接近地鐵無過車時環境振動水平。

［1］ 楊宜謙，尹京，劉鵬輝，等．清華大學精密儀器環境振動影響評價［J］．桂林理工大學學報，2012，32(3):360-365．

［2］ GENDREAU M，AMICK H．Micro-vibration and noise［M］//HWAIYU Geng．Semiconductor manufacturing hand book，New York:McGraw-Hill，2005．

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