地鐵列車激勵下巖石場地振動傳遞特性測試分析

張 斌，王建立，王 建，張啟樂，張 寧

（隔而固（青島）結構設計事務所有限公司，青島 266108）

1 研究背景

研究地鐵振動主要有現場實測、理論分析和計算機數值模擬三種方法，現場振動實測數據分析得出的結論能為其他兩種研究方法提供大量的數據支持，并用以評估地鐵引起的區域環境振動[1]。對于北京、上海、廣州等開通地鐵較早的城市，已有不少學者進行了振動測試方面的研究分析。粟潤德等[2-3]通過對北京地鐵1號線東單—建國門區間進行現場測試，得出環境背景振動、公交振動等地面車輛和地鐵的地面振動響應規律，影響地鐵列車引起的地面振動規律的因素主要有距離和背景振動。劉衛豐等[4]對北京地鐵4號線北京站—圓明園站區間進行現場測試，結果表明，在距離地鐵隧道中心線一定范圍內，公交車引起的振動對沿線居民影響要強于地鐵列車。袁揚等[5]對北京地鐵15號線望京東站—望京站區間小曲線半徑地面進行振動測試，研究分析地鐵列車通過曲線段時引起地面振動加速度在時域和頻域內的傳播規律。高廣運等[6]對上海地鐵1號線人民廣場區間隧道進行測試分析，利用振動加速度數據推導地鐵列車振動模擬荷載，結合FLAC3D數值模型，分析地鐵引起地面振動響應。盛濤等[7]在上海某軟土場地對地鐵隧道誘發的三向環境振動進行測試，對地鐵隧道內、臨近自由場地及建筑物室內的三向振動進行了分析。樓夢麟等[8]對上海地鐵某區間段的地面及隔振建筑進行實測分析，得出地鐵引起的地面振動特性和衰減特性，及地鐵激勵下裝有隔振支座建筑物的隔振效果。徐中根等[9]對廣州地鐵1號線隧道及地面進行了振動測試，對不同的隧道截面形狀給出不同的地表振動傳播公式。凌育洪等[10]對廣州地鐵3號線上方某教學樓擬建場地進行測試分析，發現振動超出限值，需要進行隔振設計。汪益敏等[11]對廣州地鐵3號線夏滘車輛段試車線臨近地面及建筑物振動進行了現場實測，發現在距離軌道0～30 m范圍內，地面與建筑物振動均超過相關國家振動標準，在進行上蓋物業開發時，需要進行減振設計。

青島市整體坐落在燕山晚期深成相中粒、粗粒、細粒花崗巖（r53～2c）基上[12]。與其他城市的地質條件相差較大，青島地鐵開通運營時間較晚，相關分析主要采用理論與數值模型手段[13]。地鐵列車引起的振動缺乏實測數據，本文選取青島某地鐵線路區間進行隧道—地面同步測試，分析其振動傳遞衰減規律。

2 測試概況

2.1 測試斷面條件及工程地質

測試區間斷面隧道為平行雙洞，兩洞中心線間距13 m，直線地段，隧道斷面形式為馬蹄形，道床為長枕埋入式普通整體道床，鋪設60 kg/m鋼軌，DTⅥ2型扣件，運行車輛為B型車，6節編組。地面距隧道頂面16.6 m，距隧道底面23.1 m。測試場地表覆第四系全新統人工堆積層，厚0.76 m，下伏燕山晚期花崗巖，局部糜棱巖、砂土狀碎裂巖及碎裂狀花崗巖發育，煌斑巖、花崗斑巖巖脈穿插，基地穩固。

2.2 測試儀器及測點布置

隧道內測試采用LMS SCADAS Mobile SCM01采集系統（8通道），PCB 333B50 ICP高靈敏度加速度傳感器，其量程 ±5 g，頻率范圍0.5～3 000 Hz。地面測試采用東方所INV3060CT2型采集系統（8通道），LANCE LC0116型加速度傳感器，其量程 ±0.5 g，頻率范圍0.1～300 Hz。測試儀器及傳感器見圖1。

圖1 傳感器與測試儀器Fig. 1 Acceleration sensors and test instruments

隧道內在道床中心與隧道壁距鋼軌頂面垂向距離1.25 m處（《浮置板軌道技術規范》（CJJ/T 191—2012）在進行減振效果評價時規定的隧道壁測點布置位置）布置2個測點。地面沿線路垂直方向布置7個測點，距離隧道中心線分別為：0 m、15 m、30 m、45 m、60 m、75 m、90 m，如圖 2所示。《城市區域環境振動標準》（GB 10070—88）及《城市軌道交通引起建筑物振動與二次輻射噪聲限值及其測量方法標準》（JGJ/T 170—2009）等規范均采用鉛垂向振動作為評價指標。因此，在測試時，各測點均采集鉛垂向振動加速度響應，采樣頻率1 024 Hz。

圖2 測點布置示意Fig. 2 Measuring points arrangement

3 時域分析

現場實測時，采集多組列車過車振動加速度響應數據，為消除隨機干擾，提取10組振動時程與頻譜基本保持一致的數據進行分析，計算結果取10組數據平均值。

3.1 振動加速度時程

圖 3，圖4和圖 5分別為隧道及地面各測點典型振動加速度時程。通過對比分析可以發現：

圖3 道床中心與隧道壁測點典型振動加速度時程Fig. 3 Typical vibration acceleration time histories of track bed center and tunnel wall

圖4 地面0～45 m測點典型振動加速度時程Fig. 4 Typical vibration acceleration time histories of ground measuring points in the range of 0～45 m

圖 5 地面60～90 m測點典型振動加速度時程Fig. 5 Typical vibration acceleration time histories of ground measuring points in the range of 60～90 m

1）由加速度響應時程曲線與地鐵列車長度簡單推導列車經過測試斷面的運行速度約71 km/h。

2）隧道內道床中心振動加速度峰值在 100m·s–2量級，隧道壁1.25 m處振動加速度峰值在10–1m·s–2量級；地面0～45 m測點振動加速度峰值在10–2m·s–2量級，60～90 m測點振動加速度峰值在10–3m·s–2量級；背景振動加速度峰值主要在10–4m·s–2量級。

3.2 振動加速度有效值

加速度有效值反映了振動信號的強度，其定義為：

式中：a(t)為加速度時間函數，T為分析時間長度。

根據式（1）計算地鐵列車經過測試斷面時間段各測點振動加速度有效值，道床中心與隧道壁測點振動加速度有效值分別為 0.272 0 m·s–2、0.058 8 m·s–2，地面各測點振動加速度有效值如圖 6所示。分析得出：

1）道床中心、隧道壁、地面振動加速度有效值呈衰減趨勢。道床中心至隧道壁、隧道壁至隧道中心線正上方地面振動加速度有效值衰減了4.6倍與9.3倍。

2）地面振動加速度有效值隨著與隧道中心線距離的增加呈波動衰減趨勢。30 m與75 m測點振動加速度有效值較其前一測點處有所增大，為本測試場地存在的兩個振動放大區。文獻[14]在距地鐵線路水平距離26 m處，測試發現振動放大現象，隧道形式為馬蹄形，但隧道埋深及土層類別未作說明。文獻[3]在距線路中心線80 m處發現振動放大現象，隧道形式為馬蹄形，底面埋深16 m，土層從上至下依次為填土（0～2.5 m）、粉質黏土（2.5～12.5 m）、砂卵石（12.5 m以下）。

圖6 地面各測點振動加速度有效值Fig. 6 Virtual values of vibration acceleration of ground measuring points

4 頻域分析

按照我國《城市區域環境振動測量方法》（GB10071—1988）規定，采用 ISO2631/1—1997的1/3倍頻的計算方法，計算振動加速度級 VAL，計算分析1/3倍頻程中心頻率最大值為200 Hz。

式中：arms為加速度有效值，m·s–2；a0為基準加速度，一般取 10–6m·s–2。

道床中心與隧道壁測點振動加速度級如圖7所示，地面各測點振動加速度級如圖8所示。可以看出：

1）隧道內振動主要在50 Hz以上，200 Hz處振動最為顯著。道床中心至隧道壁垂向振動傳遞損失在10.8～37.2 dB之間，25 Hz以內傳遞損失值較大，均在20 dB以上。

2）地面振動同樣集中在50～200 Hz，其中60～80 Hz的振動最為顯著。隨著地面測點距離線路中心線距離增加，30 Hz以上的振動呈衰減趨勢，頻率越高，衰減越快；30 Hz以內振動變化不大。

3）30 m與75 m處兩個振動放大點，相對于其前一測點，均在8～25 Hz與60～80 Hz頻段有放大，在其他頻段，振動大小呈交替變化趨勢。

4）1～8 Hz頻段，45 m處的振動最大；11～25 Hz頻段，30 m處的振動最大；26～45 Hz頻段，15 m處振動最大；45～200 Hz頻段，0 m處的振動最大。90 m處振動在大部分頻段均最小；45 m處16～30 Hz的振動最小。

圖7 道床中心與隧道壁測點振動加速度級Fig. 7 Vibration acceleration level of track bed center and tunnel wall

圖8 地面各測點振動加速度級Fig. 8 Vibration acceleration level of ground measuring points

5 振動傳遞損失

將隧道壁測點作為參考點，計算隧道壁至地面各測點1/3倍頻程各頻段振動傳遞損失，用以評價巖石類場地振動傳遞特性。

圖 9為隧道壁至地面各測點1/3倍頻程加速度級傳遞損失，可以看出：

1）振動傳遞損失曲線均近似呈 V型分布，高頻段振動傳遞損失最大值除0 m測點外均在36～46 dB之間，低頻段振動傳遞損失在7～19 dB之間，傳遞損失在20～25 Hz附近最小。

圖9 隧道壁至地面各測點振動傳遞損失Fig. 9 Vibration transmission loss from tunnel wall to ground

2）除45 m與60 m處測點外，隧道壁至地面其他測點傳遞損失在 20～25 Hz附近均有負值出現，說明此頻段附近振動加速度從隧道壁傳遞至地面有放大現象。30 m處測點在20 Hz處放大最明顯，達到5.2 dB。

3）實測傳遞損失與文獻[15]試驗分析結果趨勢一致，由于激勵方式、隧道類型及埋深、土層分布等條件不一致，結果有所不同。

6 結論

通過對青島某地鐵線路區間普通道床段進行隧道—地面同步過車響應測試分析，得到以下結論：

1）隧道內道床中心與隧道壁1.25 m處振動加速度峰值在 10–1～100m·s–2量級；地面 0～90 m 處振動加速度峰值在 10–3～10–2m·s–2量級；背景振動加速度峰值主要在 10–4m·s–2量級。

2）道床中心—隧道壁—地面振動加速度有效值衰減趨勢明顯。地面振動加速度有效值隨著與隧道中心線距離的增加呈波動衰減趨勢。本測試場地在距離隧道中心線30 m與75 m處，存在2個振動放大區。

3）隧道與地面振動主要集中在50～200 Hz，隧道200 Hz處的振動最為顯著，地面60～80 Hz的振動最為顯著。30 m與75 m處2個振動放大點，相對于前一測點，均在8～25 Hz與60～80 Hz頻段有放大。

4）隧道壁至地面振動傳遞損失曲線均近似呈V型分布，高頻段振動傳遞損失較低頻段大，傳遞損失在20～25 Hz附近最小，大部分測點在此頻段傳遞損失均出現負值，說明此頻段附近振動加速度從隧道壁傳遞至地面有放大現象，這可能對建筑結構二次輻射噪聲產生不利影響，當線路下穿附近建筑物需要進行軌道隔振設計時，應謹慎選擇固有頻率在此頻段附近的隔振系統。

5）地鐵列車運行引起青島巖石場地振動傳遞特性與其他場地類別相比具有一定的相似性與差異性。測試結果可為青島地鐵后期線路規劃對地面環境振動影響提供參考。