地鐵車輛經過不同軌道結構時對地面振動的影響研究

戚柳飛, 王安斌, 謝鎣松, 劉 浪, 鞠龍華

（上海工程技術大學 城市軌道交通學院，上海201620）

隨著我國城市軌道交通的快速發展，市民都享受到了地鐵帶來的便捷，然而隨之帶來的就是地鐵引起的振動和噪聲問題，且該問題已經嚴重影響到了周圍居民的日常生活。目前，由地鐵運行而引起的振動和噪聲已經成為了國際公認的七大環境公害之一[1]。

針對地鐵運行引起的振動問題，國內外已有眾多學者和專家對其進行了相關研究。其中國內研究主要集中于在某種軌道結構斷面對應的地面不同距離處（室內外）進行測試或仿真分析[2-7]，國外研究主要是對軌道交通引起建筑物的振動進行分析[8-10]，國內外都較少對具有不同軌道結構形式的隧道內的振動和對應地面振動進行分析研究。

為了分析某條地鐵線路不同軌道結構對地面振動影響的差異，在正常運營條件下，對該地鐵線路同一區域3種不同軌道結構的隧道壁和地面振動進行對比測試。通過時域分析和頻域分析，得到在不同的軌道結構處列車運行引起的振動沿地面的傳播規律，可以為地鐵線路設計提供相應的參考。

1 測試概況

1.1 現場環境

選取某條地鐵線路進行地面振動測試。測點布置在同一區間的小半徑曲線段上（曲線半徑為R=365 m），如圖1所示。

圖1 測試場地平面圖

在上行線的3個不同的道床結構處各取一個斷面測試地面振動，且相鄰的兩個斷面之間的距離超過300 m，對其它斷面振動測試無影響。在隧道內每個斷面的隧道壁安裝1 個垂向和1 個橫向的振動加速度傳感器來測試隧道壁的垂向振動，具體布置情況如圖2所示。

圖2 振動加速度計布置位置

在每個測試斷面垂直于線路走向布置3個地面垂直振動的監測點，具體如下：

(1)斷面1（鋼彈簧浮置板道床）：距離上行線隧道的水平距離分別為0、15 m和30 m(下方為地下停車庫)；

(2)斷面2（科隆蛋）：距離上行線隧道的水平距離分別為-15 m（15 m 處正好在馬路中央，而-15 m處正好在下行線隧道正上方）、0和30 m；

(3)斷面3（普通扣件）：距離上行線隧道的水平距離分別為0、15 m和30 m（30 m處測點處于一個大型綜合體內，擁有地下一層商場和地下二層的停車庫）。

1.2 實驗儀器和測試內容

本次測試列車為A 型車，6 節編組，長度約140 m。分別在3個不同的斷面處，同時測試單列車通過時距離上行線不同距離的垂向加速度數值，每個斷面的所有測試點都采集20 組以上的有效數據進行處理分析。

進行數據采集和分析的測試儀器和設備如下：NI USB-6216 型信號采集器、PCB-480E09 型信號放大器、PCB-393B12 型加速度傳感器（量程為0.5 g）和專業分析軟件。

2 地鐵所致環境振動評價標準

2.1 加速度Z振級

由于測點所在地多為居住、商業混合區和商業中心，因而采用Z 振級作為環境振動評價標準。根據國際標準ISO 2631-1 規定：全身振動Z 計權因子修正后得到的振動加速度級，簡稱振級，記為VLZ，單位為dB。其計算公式為

式中：a0為振動基準加速度有效值，a0=10-6m/s2；arms為計權后的振動加速度有效值，m/s2。

2.2 分頻最大振級

測量的鉛垂向振動加速度應按照1/3 倍頻程中心頻率的Z計權因子進行數據處理，評價量為1/3倍頻程中心頻率上的最大振動加速度級（簡稱分頻最大振級，記為VLmax）。

根據GB 10070《城市區域環境振動標準》規定，城市軌道交通沿線建筑物根據其功能應用和室內振動限值按照表1分類。

表1 交通沿線建筑物室內限值和分類

3 實驗結果和分析

3.1 隧道壁-地面加速度頻譜分析

對3個測試斷面的隧道壁和隧道正上方地面的測點加速度進行頻譜分析，得到地鐵經過各個斷面時，振動由隧道壁傳播到地面的振動頻率特征。

通過文獻[5-6]可知，隧道壁振動以500 Hz以下的低頻振動為主，因而在分析隧道壁-地面振動的傳播規律時分析頻率取為1 Hz～500 Hz。

3 個斷面的隧道壁和隧道正上方的加速度頻譜圖如圖3至圖6所示。

從圖3至圖6可知：

（1）3 個斷面的垂向振動和橫向振動從隧道壁傳至地面時，在200 Hz～500 Hz范圍內衰減較快。

（2）鋼彈簧浮置板斷面的隧道壁垂、橫向振動主頻都為20 Hz～100 Hz，傳播至地面時主頻都為25 Hz～50 Hz。科隆蛋斷面的隧道壁垂、橫向振動主頻都為260 Hz～300 Hz，振動傳播至地面時主頻都為30 Hz～75 Hz。普通扣件斷面的隧道壁垂向振動主頻為30 Hz～175 Hz和200 Hz～270 Hz，振動傳播至地面時主頻為40 Hz～100 Hz；隧道壁橫向振動主頻為200 Hz～270 Hz，振動傳播至地面時主頻為40 Hz～100 Hz。可見隧道壁的振動頻率主要在300 Hz 以下，地面振動頻率主要在100 Hz 以內，以低頻為主。

圖3 不同斷面隧道壁垂向加速度頻譜曲線

圖4 不同斷面地面0 m處垂向加速度頻譜曲線

圖5 不同斷面隧道壁橫向加速度頻譜曲線

圖6 不同斷面地面0 m處橫向加速度頻譜曲線

（3）除了鋼彈簧浮置板處隧道壁橫向振動大于垂向振動外，科隆蛋和普通扣件斷面處與之相反，這和王劉翀等[7]測試結果一致，其原因可能是鋼彈簧浮置板處輪軌相互作用增大，導致橫向振動大于垂向振動。

3.2 地面振動時域分析

3 種不同軌道結構對應的地面距離線路中心線0、15 m 或-15 m）和30 m 處的垂向振動加速度時域曲線如圖7至圖9所示。具體數據結果見表2所示。

由圖7至圖9及表2可知，0～30 m范圍內，鋼彈簧浮置板斷面對應的地面垂向振動最小，科隆蛋對應的結構斷面次之，而普通扣件斷面對應的地面垂向振動最大，其原因是普通扣件不具有減振降噪作用。

表2 3種軌道結構對應地面振動值/(m?s-2)

3.3 地面振動頻域分析

從3.1小節可知，由于輪軌關系產生的振動在軌道-隧道-地面的傳播過程中高頻振動已經基本衰減結束，因而地面垂向振動頻域分析的中心頻率最大值取200 Hz。3種軌道結構斷面距離上行線隧道中心不同距離的垂向加速度Z 振級隨1/3 倍頻程的變化趨勢如圖10至圖12所示。

圖7 3種軌道結構在0 m測點處垂向振動加速度時域曲線

圖8 3種軌道結構在15 m（科隆蛋為-15 m）測點處垂向振動加速度時域曲線

圖9 3種軌道結構在30 m測點處垂向振動加速度時域曲線

圖10 垂向Z振級1/3倍頻程圖-鋼彈簧浮置板

由圖10可知，在鋼彈簧浮置板軌道結構處的0 m測點測得垂向加速度Z振級最大，其次是15 m處，30 m處最小。

圖11 垂向Z振級1/3倍頻程圖-科隆蛋

由圖11可知，在科隆蛋軌道結構處的-15 m 測點測得垂向加速度Z振級最大，其次是0 m處，最小的是30 m 處，其原因是-15 m 處測點正好處在下行線的隧道正上方。

由圖12可知，在普通扣件軌道結構處的0 m 測點測得垂向加速度Z 振級最大，其次是30 m 處，最小的是15 m處，說明地鐵運行引起的普通扣件斷面對應地面垂向振動在30 m左右有一個振動放大區，而此振動放大區一般是由沿著地表傳播的表面波和埋藏地下的反射波、折射波疊加而形成的。

3.4 分頻最大Z振級分析

圖12 垂向Z振級1/3倍頻程圖-普通扣件

根據JGJ/T 170-2009《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》，統計得到的地面振動加速度Z振級在1 Hz～200 Hz范圍內的總級值和分頻最大振級VLmax結果如表3所示。

由表3可知：

（1）從與不同軌道結構等距離處測點的層面分析，會發現鋼彈簧浮置板的分頻最大Z振級最小，其次是科隆蛋，最大的是普通扣件，這和時域分析結果一致；

（2）與上行線隧道中心線距離越小，分頻最大Z振級值越大，而科隆蛋斷面(-15 m)處距離上行線中心線15 m但又正好位于下行線中心線上，由于土層原因使得振動加速度Z 振級VLmax值在-15 m 處最大，達到了72 dB，超出了標準的區域限值5 dB；由于普通扣件沒有減振降噪的功能，故而在普通扣件0 m 處的VLmax值達到75 dB，超出了標準的區域限值3 dB。

（3）普通扣件軌道和鋼彈簧浮置板軌道的振動主頻（50 Hz～63 Hz）比科隆蛋扣件軌道振動主頻（約40 Hz）大，列車經過軌道線正上方0～30 m范圍內垂向振動的峰值頻率主要在40 Hz～63 Hz，其是由于輪軌系統P2共振引起的。此外，鋼彈簧浮置板另一個主頻12.5 Hz 可能是浮置板道床本身的共振頻率引起的，也可能是車輛車體本身的彎曲振動頻率（8 Hz～12 Hz）造成的。

4 結語

通過測試地鐵小半徑曲線段內3種不同的軌道結構處列車運行引起的振動，從時域和頻域角度分析隧道壁和地面振動的傳播規律，結論如下：

表3 不同測點分頻最大Z振級統計表

（1）地鐵小半徑曲線段的振動從隧道壁傳至地面時，200 Hz～500 Hz頻率范圍的振動衰減較快；隧道壁振動的主頻范圍為0～300 Hz，隧道正上方地面振動的主頻范圍為0～100 Hz。

（2）在該測試地段的地面垂向振動中，在0～30 m 范圍內，鋼彈簧浮置板斷面對應的地面垂向振動最小、科隆蛋斷面處次之，普通扣件斷面對應的地面垂向振動最大。

（3）對于鋼彈簧浮置板和科隆蛋斷面對應的地面垂向振動，離隧道中心線越近，振動加速度級越大；而普通扣件段段面對應的地面在30 m左右存在一個振動放大區。

（4）列車所經過軌道線正上方0～30 m 范圍內的垂向振動的峰值頻率主要在40 Hz～63 Hz。