列車運行引起周邊環境振動的監測與分析*

張 遠 呂淑然 楊 凱

（首都經濟貿易大學安全與環境工程學院，100070，北京∥第一作者，碩士研究生）

列車運行引起周邊環境振動的監測與分析*

張 遠 呂淑然 楊 凱

（首都經濟貿易大學安全與環境工程學院，100070，北京∥第一作者，碩士研究生）

利用振動傳感器和測試儀器在某鐵路線旁的小區對列車運行經過時引起的三個方向振動速度以及振動頻率進行實測。通過對監測數據分析發現，其振動衰減規律的分析結果與通過監測列車運行引起振動加速度的分析結果是一致的。同時參考《爆破安全規程》中的相關安全允許振動速度標準以及運用“振動感覺與振動持續時間關系”的相關理論，確定了評價列車運行引起建筑物振動的安全允許振動速度，為評價軌道交通系統運行對鄰近建筑物振動危害提供了一個新思路；最后，指出小幅度長久持續的振動對建筑物的破壞是不能被忽視的，需要進一步研究并采取合理措施來控制和減弱其危害。

列車運行；環境振動；衰減規律；安全監測

Author＇s address College of Security and Environment Engineering，Capital University of Economics and Business，100070，Beijing，China

目前，我國鐵路運輸不斷向高速、重載、大運量和高密度方向發展。然而，隨著城市的發展，鐵路沿線建筑物也越來越多，致使沿線居民生活受到列車經過時噪聲和振動的嚴重影響，另一方面人們對自己居住的周邊環境要求也越來越高。這就導致軌道交通系統與沿線居民生活質量之間的矛盾日益突出。

在國際上振動已經被列為七大環境公害之一［1］，尤其在日本，更把振動作為環境公害之首。列車運行是引起環境振動的原因之一，為此國內外學者就列車運行振動產生的原因、傳播的機理、對周圍環境的影響以及列車振動控制措施等展開了一系列的研究。文獻［2］測量了火車運行時引起環境及附近建筑物的振動加速度，分析結果表明，隨著火車運行速度的增大，鐵路附近地面和建筑物的振級增大。文獻［3］通過對上海軌道交通1號線附近的建筑房屋振動加速度進行監測，證明了列車運行引起的建筑物的垂向振級大小與建筑物的基礎類型、構造型式及其與地鐵線路的距離有密切關系。文獻［4］通過對上海軌道交通10號線部分路段周圍場地和建筑物進行振動加速度實測，計算出10號線場地Z振級最小值為82 dB，超出了國家標準值80 dB［5］，因此10號線運行對周圍場地居民生活有影響。文獻［6］等通過對上海軌道交通1號線的地面環境振動加速度實測分析并與標準限值進行比較，表明地鐵隧道埋深10～12 m時地面正上方的Z振級約為70～75 dB，已超過標準的限值。目前，國際上也廣泛選取振動加速度級及其對應的振動級來描述振動的強度［7］，并將其作為判斷振動對環境影響的依據。

上述關于列車運行振動的監測試驗研究主要集中在通過現場監測獲得列車運行引起的振動加速度，再以加速度級、Z振級等為指標來評價列車運行振動對周圍環境及居民生活的影響，但很少有人從振動速度的角度研究列車運行振動的衰減規律以及列車運行振動對周邊建筑物的危害。本文通過某鐵路線旁的居民小區進行列車運行引起的振動速度實測，分析了列車運行引起的振動強度的衰減規律和對周邊建筑物的影響，為利用振動速度評價列車運行對周邊建筑物等環境的影響提供參考。

1　列車運行振動的實測試驗

1.1監測地點

考慮監測工作的可行性與方便性，實際監測地點選擇在河北省灤平縣鐵路線旁的某居民小區。此鐵路線是溝通京津遼蒙的交通要道，全天共有8次客運列車和若干貨運列車通過此鐵路線。監測地點的鐵路路基比旁邊的小區地面稍高（如圖1）。此次監測不排除高程對監測數據的影響。小區建筑物離鋼軌最近距離約16 m。

圖1　監測地點

1.2監測儀器

為準確測得列車運行引起的建筑物三方向（切向、徑向、豎向）振動速度和振動頻率，本次監測試驗采用成都中科測控有限公司生產的TC-4850爆破振動記錄儀以及與之匹配的三分量速度傳感器（技術指標見表1）、振動分析軟件（Blasting Vibration Analysis，BVA）及GpS測距儀。

表1　振動速度傳感器技術指標

1.3監測方法

在建筑物外墻邊處的地面與鋼軌不同距離處設置速度傳感器，并盡量將傳感器安放在一條直線上。試驗時沿水平垂直于鋼軌方向呈直線設置了4套監測儀器同時進行監測（如圖2所示）。為了使傳感器能與接觸面耦合良好，將傳感器與地面間用快粘粉粘結或將傳感器尾椎直接緊插于地面。

圖2　監測點布置示意圖

監測開始后，傳感器采集振動信號并傳輸到爆破振動記錄儀。爆破振動記錄儀記錄并存儲振動信號。待振動監測結束后，用專用軟件提取并導出數據，即可對數據進行處理分析了。

2　監測結果分析

2.1監測結果

依據GB 10071—1988《城市區域環境振動測量方法》的相關規定和要求，監測時保持測點位置不變。前后3天共測得20次列車運行經過時引起振動的相關數據。通過專用軟件濾波處理后提取數據，分別選擇3個方向振動速度的峰值和主振頻率，并算得算術平均值（見表2）。

表2　監測數據平均值

2.2振動強度衰減規律分析

有研究指出，由于列車運行產生的大地振動位移非常小而不易測量，而人體對振動的感受與振動速度或加速度有更強的關聯性。因此，在研究列車運行產生的振動問題時，用速度或加速度這兩個量來描述是恰當的［8］。振動頻率則是描述振動快慢的物理量［9］。因而本文用振動速度和振動頻率來表征列車運行引起的振動強度。利用Origin軟件分析表2中的數據，得到列車運行引起的振動速度、振動頻率隨距離的衰減規律如圖3、圖4所示。

圖3　振動速度衰減規律

圖4　振動頻率衰減規律

從圖3和圖4中可以看出，同一監測點豎向的振動速度和頻率都明顯大于切向和徑向，因此列車運行引起的振動是以豎向為主的。這一分析結果符合GB/T 5035一2005《住宅建筑室內振動限值及其測量方法標準》中“方向之別是振動的重要特征之一，我國城市區域環境振動標準中采用以大地作為參考坐標，并以鉛垂向為主要方向［10］”的表述。從圖3、4中還可以看出，振動速度和頻率都隨著與鋼軌距離的增加而減小。這一分析結果也與很多以測量列車運行引起振動加速度的研究結果是吻合的。可見，通過合適的拾振器測量振動速度來研究列車運行引起的振動強度衰減規律是可行的。

2.3振動對周邊建筑的影響

列車運行時車輪與軌道間的壓迫沖擊作用是產生振動的根本原因。振動波通過路基向四周傳播，當傳播到鄰近的建筑物時，就會引起建筑物的振動。已有研究指出，列車運行引起鄰近建筑物振動會導致建筑物墻體裝飾脫落甚至開裂。因此，研究列車運行振動不僅要研究振動的傳播衰減規律、對周圍環境的噪聲及振動影響，更重要的是需要研究其振動對鄰近建筑物的破壞作用［9，11-13］。

圖5是距離鋼軌39 m處鉛垂向振動頻率圖。圖5中，列車引起振動的主振頻率在10～50 Hz左右，集中在10～20 Hz之間；而建筑物振動的固有頻率在10Hz以下，一般為5 Hz左右［14］。因此，不會發生顯著共振。由表2可知，列車運行引起鄰近建筑物的豎向振動主振頻率在19.65～32.56 Hz。由于列車運行引起的建筑物振動頻率大于建筑物的固有振動頻率，并且隨著建筑物與鋼軌間距離的增加振動強度是減弱的，因此，從振動頻率的角度考慮，鐵路線鄰近建筑不會因顯著的共振作用而破壞。

圖5　距鋼軌39 mm處的鉛垂向振動頻率圖

振動速度表征的是質點振動時單位時間內的位移。若這一位移超過了建筑物的強度極限則會直接對建筑物造成破壞。我國目前并沒有列車運行引起振動對鄰近建筑物、設備等的安全允許質點振動速度標準，本文借用GB 6722—2014《爆破安全規程》中安全允許標準的相關參數來分析和評價列車運行對鄰近建筑物的振動影響。該標準中質點振動速度為三個分量中的最大值，且振動頻率f為主振頻率。部分爆破振動安全允許標準見表3［15］。

爆破振動是瞬間的非連續的，一般持續時間在1s內［14］。而列車運行引起的振動相對于爆破振動是一個持續的過程。列車通過時引起鄰近地面建筑物振動的持續時間約為10 s［2，8］。這一持續時間是與列車運行速度、列車長度、列車重量以及鋼軌路基土層結構等因素相關的。有學者對振動感覺與振動持續時間進行了相關研究［16］。當振動的持續時間在2 s以上時，振動感覺與連續振動一樣；當振動的持續時間小于2 s時，隨著持續時間的縮短而振動感覺變得遲鈍；當振動持續時間為1 s時，振幅比約為0.8，即產生相同的振動感覺時列車運行引起的振幅是爆破振動產生振幅的0.8倍。

表3　爆破時不同主振頻率下的質點振動速度安全允許標準（部分）　cm/s

由表2中可知，所監測的建筑物豎向振動主頻在19.65～32.56 Hz之間，振動速度峰值在0.015～0.041 cm/s之間。本次試驗所監測的建筑物是一般磚房（一般民用建筑物）。按表3，當主振頻率在10～50 Hz時，其安全允許振動速度為2.0～2.5 cm/s。根據連續振動與非連續振動的振幅比關系，確定本次監測試驗列車運行引起鄰近建筑物振動的安全允許振動速度為1.6～2.0 cm/s。與表2中所監測鐵路線的鄰近建筑物的振動速度相比，可以確定列車運行引起建筑物振動的振動速度在安全允許值以內，因而可以判定此鐵路線列車運行不會對監測點處小區建筑物造成直接的振動破壞。

3　結語

本文通過使用振動速度傳感器監測列車運行引起周圍環境振動的振動速度和振動主頻，其對于列車運行引起振動的衰減規律分析結果與其他學者通過監測列車運行引起周圍振動的振動加速度分析結果是一致的。因此，可以通過合適的振動速度拾振器來監測并研究列車運行引起振動的衰減規律。

確定了評價列車運行引起建筑物振動的安全允許振動速度，并以此判定監測試驗處鐵路線列車運行不會對監測點處小區建筑物造成直接的振動破壞。這為評價列車運行振動對周圍環境的影響危害和規范建筑物建設、鐵路線設計等提供了一個新思路。

雖然列車運行引起的環境振動振幅比較小，不會對建筑物造成直接明顯的破壞，但是列車運行引起建筑物振動是相對持續的和長期反復存在的。這種小幅度長久持續的振動對建筑物的破壞是不能被忽視的，需要作進一步的研究并采取合理的措施來控制和減弱列車運行對鄰近建筑物的振動破壞作用。

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Monitoring and Analysis of the Surrounding Environment Vibration Caused by Running Train

Zhang Yuan，Lv Shuran，Yang Kai

Vibration sensors and test equipment are used to measure the vibration velocity and vibration frequency caused by running trains from three directions of a community adjascent to railway line.The monitoring data are analyzed，which show that the vibration attenuation law is consistent with the vibration acceleration caused by the running trains.Then，according to the related standards in the“Blasting Safety Regulations”and the“Relationship between Vibration Sensation and Vibration Duration”theory，thesafe vibration velocity standard for evaluating building vibration caused by the running trains is defined，which provides a new way of evaluating building vibration caused by rail transit system.Finally，the damage to buildings by small amplitude and long-lasting vibration is emphasized，further research is required，and reasonable measures are to be taken to control and weaken the vibration hazards.

train running；environmental vibration；attenuation law；security monitoring

U 211.3

10.16037/j.1007-869x.2016.03.017

*科研基地建設-科技創新平臺-特大城市安全運行研究項目（p XM2014-014205-000044）

（2015-05-14）