地鐵振動傳播的峰值和頻率特征分析*

周 力 何繼平 明暄暉 陳屹林

(1.同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院,201804,上海; 2.蘇州市軌道交通集團有限公司運營分公司,215101,蘇州; 3.福斯羅扣件系統(中國)有限公司,215300,昆山∥第一作者,碩士研究生)

地鐵振動傳播的峰值和頻率特征分析*

周 力1何繼平2明暄暉3陳屹林2

(1.同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院,201804,上海; 2.蘇州市軌道交通集團有限公司運營分公司,215101,蘇州; 3.福斯羅扣件系統(中國)有限公司,215300,昆山∥第一作者,碩士研究生)

采用2種不同剛度的扣件,對地鐵振動傳播途徑各主要部位進行了振動測試,獲得了各部位相應的振動加速度時程數據。首先，統計了時域振動加速度峰值及其變化情況；然后，通過傅里葉變換計算了各部位振動的頻譜,對比分析了振動在傳播過程的頻譜變化規律；最后，計算分析了地表Z振級變化。結果表明，扣件剛度在一定范圍內變化,對60 Hz附近的振動峰值影響有限,隧道壁和地表的豎向及橫向振動振級分別在650 Hz和340 Hz附近迅速下降，之后趨于平緩。使用剛度較小的扣件有利于減小地表豎向振動，但不利于減小地面橫向振動。

地鐵振動; 峰值; 頻率特性; 加速度頻譜

地鐵在給人們出行帶來方便的同時,其車輛運動所產生的振動與噪聲也給沿線環境造成了極大的影響,成為了軌道交通的主要污染源[1-3]。和其他公路交通產生的噪聲不同,地鐵噪聲的特點是規律性強,頻率范圍窄。不僅采用常規的振動控制方法往往不能取得預期的效果,而且不同頻率的振動對人或結構設備產生的影響是不同的；因此，分析研究振動及其噪聲頻率特征對評估分析振動與噪聲對不同環境影響，以及選擇合理的控制措施有較大意義。研究表明,由輪軌相互作用產生的振動在沿著軌道結構、隧道結構及土介質的傳播中,不僅振動幅值和頻率的貢獻率會變化,而且不同的結構形式也會對變化產生一定影響。長期以來,在地鐵的振動與噪聲控制研究中,往往較重視振動的強度變化,而忽略頻率貢獻率的變化。但是研究和掌握頻率貢獻率變化規律特性,對正確評估地鐵振動噪聲對環境的影響,采用合理的技術控制手段是十分重要的。地鐵振動波在傳播中,先后經過軌道、隧道及土介質等復雜結構,目前還無法僅依靠理論分析方法就能精確預測其頻率在傳播中的變化。本文通過采用在實際線路中試驗的方法來研究地鐵輪軌振動在傳播中的變化規律特征。

1 現場試驗情況

試驗選取某軌道交通線路的典型運營路段,在同一測試斷面,分別對2種不同參數的鋼軌扣件所產生的振動傳播情況進行測試。一種扣件的靜剛度約為32 kN/mm,另一種扣件的靜剛度約為19 kN/mm。測試方法參照GB/T 19846—2005《機械振動列車通過時引起鐵路隧道內部振動的測量》進行制定。對列車通過時地鐵軌道、隧道及附近地表的振動響應進行現場測試后,對比2種扣件對振動情況的影響,并分析振動傳播規律。

1.1 測試方案

試驗段選在線路的某直線路段,無坡度,列車為B型車。試驗段共設置7個測點,分別測試鋼軌、道床、隧道壁和地表的豎向和橫向振動加速度。其中，地表7#測點位于隧道中心線與測試斷面交點正上方附近。

1.2 測試結果

將測試得到的多組數據進行篩選統計,得到各個測點時程峰值平均值(見圖1)。

由圖1可見,豎向和橫向傳播的振動加速度峰值,沿鋼軌、道床、隧道壁和地表依次減小,且橫向振動加速度峰值衰減速度較豎向慢。

更換扣件后,鋼軌豎向振動加速度時域峰值減小了32.6%,道床減小了48.9%,隧道壁減小了28.6%,地表減小了12.5%。由此可見,減小扣件豎向剛度時,道床的豎向振動加速度峰值顯著減小,同時隧道壁和地表豎向振動加速度峰值也皆有減小。鋼軌橫向振動加速度時域峰值減小了4.5%,道床增加了15.6%,隧道壁增加了11.1%,地表增加了12.5%。可見，增大扣件豎向剛度后,道床、隧道壁和地表橫向振動加速度峰值均有所增大。

2 測試結果分析

2.1 頻譜特性分析

要深入研究振動傳播過程的規律特性,必須分析其頻率構成及其變化規律,并對測試數據進行頻譜分析。

將實測數據進行快速傅里葉變換(FFT),得到如圖2和圖3所示的軌道線路各主要結構豎向振動頻譜曲線。更換扣件前后,各測點豎向振動主要頻段如表1所示。

可見,振動在傳播過程中,其主要頻段逐漸縮窄,且振動向中低頻振動變化。且這一點與振動的高頻易衰減特性相符。

圖2 換扣件前豎向振動頻譜

當更換剛度較小的扣件后,鋼軌在670 Hz以上頻段的振動顯著減小,主要振動頻率范圍向中低頻段縮窄。頻率1 047 Hz和1 314 Hz附近的2個峰值顯著減小。道床在中高頻段內的振動減小,但在610 Hz和1 590 Hz頻段附近存在2個顯著的峰值。隧道壁在500 Hz以上頻段的振動顯著減小,但610 Hz附近存在峰值。地表豎向振動的頻率主要集中于0～150 Hz，較更換扣件前的0～250 Hz頻段范圍更窄。

從振動傳播的頻率特征分析,豎向振動在由鋼軌傳播到隧道壁的過程中,頻率分布由高頻到低頻集中,反映了高頻振動成分在傳播中不斷地衰減的特性。但是在振動由鋼軌向軌枕的傳播中,發現不同扣件的傳播衰減規律也有不同。使用剛度較大的扣件時,豎向振動由鋼軌傳播到道床的過程中,其主要振動頻率范圍在一定程度上分散。而更換剛度較小的扣件后,振動從鋼軌傳播到道床，再到隧道壁的過程中,振動頻率的變化范圍相對較小。扣件剛度在一定范圍內的改變對地表豎向振動頻率影響不大,均在60 Hz附近存在峰值。

圖3 換扣件后豎向振動頻譜

測點位置豎向振動主要頻段/Hz更換扣件前剛度較大的扣件更換扣件后剛度較小的扣件鋼軌0～25000～2500道床0～25000～2500隧道壁0～7400～740地表0～2500～150

同樣，將橫向振動實測數據進行快速傅里葉變換(FFT),得到如圖4和圖5所示的軌道線路各主要結構橫向振動頻譜曲線。將更換扣件前后,各測點橫向振動主要頻段列舉如表2所示。

圖4 換扣件前橫向振動頻譜

由于振動具有高頻易衰減特性,故橫向振動在傳播過程中,其主要頻段逐漸縮窄,且振動向中低頻振動變化。

更換剛度較小的扣件后，鋼軌振動在1 000 Hz以上頻段顯著減小,尤其在頻率1 300 Hz附近的振動峰值顯著減小,其主要振動頻率范圍向中低頻縮窄。道床橫向振動在中高頻段內被放大,還產生了1 500 Hz附近的顯著峰值。隧道壁振動在390 Hz附近有了1個新的峰值。地表振動主要頻段縮窄,在60 Hz附近的峰值較使用剛度較大的扣件時有所增大。

圖5 換扣件后橫向振動頻譜

表2 各測點橫向振動主要頻段

從振動傳播的頻率特征分析,橫向振動在由鋼軌傳播到隧道壁的過程中的頻率分布同樣也是由高頻到低頻集中。這也反映了高頻振動成分在傳播中不斷地衰減的特性。更換剛度較小的扣件后,在振動從鋼軌傳播到道床、再到隧道壁的過程中,主要振動頻率先向高頻域轉移，再回到低頻域,主要振動頻率范圍在一定程度上較更換前剛度較大的扣件分散。可見采用不同扣件對橫向振動有不同的影響。與豎向振動相似,更換扣件前后,地表橫向振動均存在60 Hz附近的峰值。

從測試結果分析可以看出,扣件剛度改變對軌道結構振動的傳播頻率特征有一定影響。使用前剛度較大的扣件時,隧道內豎向振動傳播的主要振動頻率范圍在一定程度上分散,而更換剛度較小的扣件后,隧道內橫向振動傳播的主要振動頻率范圍在一定程度上分散。扣件剛度即使在一定范圍內發生改變,其地表豎向和橫向振動也均存在60 Hz附近的峰值。

2.2 振級衰減分析

GB 10071—1988《城市區域環境振動測量方法》采用振動加速度級(以下簡稱“振級”)La來評價環境振動[4]。

La=20 lg(a/a0)

式中：

a——振動加速度有效值;

a0——基準加速度,a0=10-6m/s2。

由于振級是從能量的角度,對列車通過時間段內的總能量進行計算分析,故能系統地反映振動傳播過程中能量的變化規律特性。

2.2.1 豎向振級衰減分析

采用剛度較大的扣件時,豎向振級-頻率曲線見圖6。鋼軌各頻率振級在全頻域內分布較為均勻,主要分布在中低頻段。道床振動主要分布在中高頻頻段。在低于約650 Hz的頻段內,其振級隧道壁振動與道床振動的振級幾乎重合,且在此頻段內的振動幾乎沒有衰減。而在高于約650 Hz的頻段、隧道壁振動與道床振動分離,且振幅迅速下降,以致趨于平緩。地表振動集中在低頻(40～100 Hz),而在高于約340 Hz的頻段,振級變化趨于平緩。

更換剛度較小的扣件后,鋼軌振級主要分布于低頻段(見圖7);道床振級在全頻域內的分布較為平均;在低于約650 Hz的頻段內,隧道壁振動與道床振動振級幾乎重合,而在高于約650 Hz的頻段,隧道壁振動振級迅速降低,之后趨于平緩,與剛度較大的扣件的情況相似;地表振動同樣集中在區域40～100 Hz低頻，在高于340 Hz的頻段其振級趨于平緩。

圖6 換扣件前豎向振級-頻率曲線

圖7 換扣件后豎向振級-頻率曲線

值得注意的是,改變扣件剛度后,豎向振動從鋼軌處產生直至傳播到地表,其在60 Hz附近的峰值始終存在。這與之前頻譜分析的結果相對應。可見鋼軌扣件剛度在一定范圍內的變化,對60 Hz附近的振動峰值頻率變化影響有限。

2.2.2 橫向振級衰減分析

對于剛度較大的扣件,橫向振級-頻率曲線見圖8。鋼軌振級在全頻域內分布較為均勻,主要分布在中低頻域;道床振動主要分布在中高頻域;在高于約650 Hz的頻段,隧道壁振動振級迅速下降，之后趨于平緩;地表振動集中在低頻40～100 Hz頻段，在高于340 Hz的頻段,其振級變化趨于平緩。

更換剛度較小的扣件后,鋼軌振級分布以中低頻域為主(見圖9);道床振級在全頻域內分布較為平均;在低于650 Hz的頻段內,隧道壁振動振級與道床振動振級幾乎重合,而在高于650 Hz的頻段,其振級迅速下降,并趨于平緩。這一點同使用剛度較大扣件時的情況相同。地表振動同樣集中在低頻頻段,在高于340 Hz左右的頻段，其振級趨于平緩。

改變扣件剛度后,橫向振動從鋼軌至到地表處,在60 Hz附近的1個峰值也始終存在。

圖8 換扣件前橫向振級-頻率曲線

圖9 換扣件后橫向振級-頻率曲線

2.2.3 比較分析

可見，橫向振動與豎向振動的情況相同。除60 Hz的振動峰值之外,當扣件剛度在一定的范圍內變化時,隧道壁豎向及橫向振動振級均在約650 Hz處下降，之后趨于平緩;地表豎向及橫向振動振級均在約340 Hz處下降，之后趨于平緩。可見，鋼軌扣件剛度在一定的范圍內變化，并不影響本次測試的軌道結構振級衰減特性規律。

2.3 地表Z振級分析

評價環境振動對人體的影響時,一般采用Z振級作為指標進行分析[5]。Z振級是按照ISO 2631/1—1985規定,通過全身振動Z計權因子修正后得到的振級。通過計算列車經過時的地表振動Z振級,可評價振動環境對人體的影響。本試驗得到不同扣件剛度對應的Z振級見表3。

表3 地表振動Z振級

由表3可知,更換剛度較小的扣件后,地表豎向向振動Z振級減小了2.09 dB,而橫向振動Z振級增大了1.47 dB。測試結果表明,采用剛度較小的扣件有利于減小地表豎向振動,但不利于減小地表橫向振動。

3 結語

針對某軌道交通線路典型運營路段，通過更換不同剛度變扣件進行現場測試對比分析,以研究改變扣件參數對軌道振動傳播特性的影響。2種扣件的豎向剛度分別為32 kN/mm和19 kN/mm。通過對測試結果進行分析,主要得出以下結論:

(1) 時域上,輪軌產生的豎向和橫向振動加速度峰值的傳播,沿鋼軌、道床、隧道壁和地表依次減小,橫向振動的加速度峰值衰減速度較豎向振動慢。采用剛度較小的扣件時,道床、隧道壁和地表的豎向振動加速度峰值衰減較快,橫向振動加速度峰值衰減較慢。

(2) 振動在“鋼軌-道床-隧道壁-地表”路徑的傳播過程中,其主要頻段逐漸縮窄,且振動向中低頻振動變化。這與振動的高頻易衰減特性相符。采用不同剛度扣件時,地表豎向振動與橫向振動均存在60 Hz附近的峰值。

(3) 采用不同剛度扣件時,隧道壁豎向振動振級和橫向振動振級均在高于約650 Hz的頻段迅速下降，之后趨于平緩。地表豎向振動振級和橫向振動振級均在高于約340 Hz的頻段趨于平緩。

(4) 更換剛度為較小的扣件后,地表豎向Z加速度振級減小了2.09 dB,而橫向Z加速度振級增大了1.47 dB。這表明，在所研究的扣件剛度變化范圍內,使用剛度較小的扣件,有利于減小地表豎向振動,但不利于減小地表橫向振動。

[1] 樓夢麟,賈旭鵬,俞潔勤.地鐵運行引起的地表振動實測及傳播規律分析[J].防災減災工程學報,2009,29(3):282-288.

[2] 耿傳智,廖志軍.地鐵振動衰減特性研究[J].同濟大學學報(自然科學版),2009,37(3):344-348.

[3] 郝珺,耿傳智,朱劍月.不同軌道結構減振效果測試分析[J].城市軌道交通研究,2008,4(3):68-71.

[4] 馬利衡.滬寧城際高速鐵路振動及其對周圍環境影響研究[D].北京:北京交通大學,2014.

[5] 耿傳智,孫曉明.地鐵軌道結構減振效果的實測分析[J].環境污染與防治,2011,33(11):54-62.

On Peak and Frequency Characteristics of Metro Vibration Transmission

ZHOU Li, HE Jiping, MING Xuanhui, CHEN Yilin

By adopting two metro fastenings with different rigidities, the vibration of each major part of transmission (rail,track bed,tunnel wall and ground surface) are tested, the time-histories data are collected. Firstly, the vibration acceleration peaks of time domain and its changes are summarized; then the vibration acceleration spectrums of each part are calculated by Fourier transform, the changes of spectrums in the process of vibration transmission are analyzed. The Z vibration levels of ground surface are calculated. The results show that the fastening rigidity differing in a certain range has a limited influence to 60Hz vibration peak value, the vertical and horizontal vibration levels of tunnel wall and ground surface decrease rapidly at 650Hz and 340Hz respectively, and remain on steady levels afterward. So the metro fastenings with low rigidity could reduce the surface vertical vibration, but not the horizontal vibration.

metro vibration; peak value; frequency characteristics; acceleration spectrum

Institute of Railway and Urban Rail Transit,Tongji University,201804,Shanghai,China

*國家自然基金資助項目(51678446);國家自然科學基金青年基金項目(51408434)

TB 533+2

10.16037/j.1007-869x.2017.03.021

2016-03-11)