長(zhǎng)春地鐵7號(hào)線列車運(yùn)行對(duì)沿線某精密儀器場(chǎng)區(qū)的振動(dòng)預(yù)測(cè)

倪景峰，李 莉

（長(zhǎng)春市軌道交通集團(tuán)有限公司，長(zhǎng)春 130000）

隨著城市軌道交通線網(wǎng)密度的增加，地鐵車輛在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中對(duì)周圍環(huán)境的影響日益凸顯，特別對(duì)于地鐵沿線已布置的既有精密儀器，其振源與精密儀器的位置關(guān)系、傳遞介質(zhì)有著直接關(guān)系[1-5]。在可研階段，精密儀器所在區(qū)域的振動(dòng)影響對(duì)線路選擇至關(guān)重要，因此在地鐵未運(yùn)營(yíng)前就需對(duì)評(píng)估區(qū)域進(jìn)行振動(dòng)預(yù)測(cè)。針對(duì)列車振動(dòng)對(duì)目標(biāo)場(chǎng)區(qū)的影響問(wèn)題，劉衛(wèi)豐等結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)實(shí)測(cè)，對(duì)北京地鐵4號(hào)線列車運(yùn)行引起的振動(dòng)對(duì)北京大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室內(nèi)精密儀器的影響問(wèn)題進(jìn)行了研究，并對(duì)地鐵4號(hào)線隧道內(nèi)浮置板軌道的減振效果進(jìn)行了探討[6]；李宇東等以西安地鐵2、6號(hào)線交叉通過(guò)鐘樓案例為背景，提出通過(guò)數(shù)值計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試相結(jié)合進(jìn)行復(fù)雜交通環(huán)境下古建筑微振動(dòng)響應(yīng)的預(yù)測(cè)方法，并給出應(yīng)用實(shí)例[7]。以上研究均對(duì)列車運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下目標(biāo)場(chǎng)區(qū)的振動(dòng)影響提出了預(yù)測(cè)方法。

前期研究通過(guò)在長(zhǎng)春地鐵1號(hào)線及2號(hào)線[8-9]分別選取了地質(zhì)條件、線路條件及軌道條件均較為類似的4處斷面進(jìn)行了振動(dòng)加速度、振動(dòng)速度及振動(dòng)位移的測(cè)試，分析了在相同地質(zhì)條件下，不同埋深，不同水平距離的振動(dòng)對(duì)地表結(jié)構(gòu)的影響，以期判斷7號(hào)線[10-13]運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下車輛運(yùn)行對(duì)某精密儀器廠區(qū)的振動(dòng)影響是否合理，并為今后高敏感區(qū)的振動(dòng)預(yù)測(cè)提供技術(shù)參考。

1 測(cè)試概況

預(yù)測(cè)區(qū)為7號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間下穿一汽地塊，在K25+300位置鄰近一汽沖壓車間，區(qū)間外輪廓與車間最小水平距離約為50 m，區(qū)間覆土為16.5 m，車間內(nèi)的壓力機(jī)等精密儀器對(duì)振動(dòng)較為敏感。結(jié)合預(yù)測(cè)目標(biāo)的特征，應(yīng)滿足VC-A曲線規(guī)定的振動(dòng)測(cè)度限值，同時(shí)依據(jù)GB 50868—2013《建筑工程容許振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》，考慮振動(dòng)加速度及振動(dòng)位移的控制標(biāo)準(zhǔn)，線路運(yùn)營(yíng)開(kāi)通后應(yīng)滿足以下振動(dòng)限值見(jiàn)表1。

表1 振動(dòng)測(cè)試內(nèi)容及限值Table 1 Contents and limits of vibration test

1.1 測(cè)試儀器

本次振動(dòng)測(cè)試采用的儀器設(shè)備主要有振動(dòng)傳感器(見(jiàn)圖1)和激光測(cè)距儀(見(jiàn)圖2)。振動(dòng)采集設(shè)備為INV9580A無(wú)線數(shù)據(jù)采集儀，是一種雙通道24位雙核分布式采集儀，采集器與傳感器一體化設(shè)計(jì)，支持儀器內(nèi)部的數(shù)據(jù)不間斷采集與存儲(chǔ)，可以通過(guò)選擇不同檔位實(shí)現(xiàn)不同量程的振動(dòng)位移、振動(dòng)速度及振動(dòng)加速度采集，頻響范圍為0.17～100 Hz。

圖1 測(cè)試用振動(dòng)傳感器 Figure 1 Vibration sensor for testing

圖2 測(cè)試用激光測(cè)距儀 Figure 2 Laser rangefinder for testing

1.2 測(cè)試斷面

本次振動(dòng)測(cè)試選取了長(zhǎng)春軌道交通1號(hào)線、2號(hào)線3個(gè)測(cè)試斷面，測(cè)試區(qū)間均為盾構(gòu)隧道區(qū)間，具體測(cè)試信息見(jiàn)表2。

表2 振動(dòng)測(cè)試斷面和地質(zhì)情況Table 2 Vibration test section and geological conditions

1.3 測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及以往測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際道路、建筑的實(shí)際布局，最終選取了以下位置布置振動(dòng)傳感器測(cè)點(diǎn)：

1)近軌隧道地表中心線0 m位置；

2)距離近軌隧道地表中心線25 m位置；

3)距離近軌隧道地表中心線50 m位置。

其中，近軌側(cè)為雙線線路中靠近傳感器一側(cè)的隧道中心正上方，遠(yuǎn)軌側(cè)為雙線線路另一股線路，同一斷面處的近軌、遠(yuǎn)軌側(cè)軌道結(jié)構(gòu)相同。典型斷面布置情況如圖3所示，不同測(cè)試斷面及預(yù)測(cè)斷面的相對(duì)埋深位置關(guān)系如圖4所示。

圖3 水平距離測(cè)點(diǎn)布置 Figure 3 Layout of horizontal distance measuring points

圖4 普通軌道測(cè)試斷面區(qū)間隧道埋深 Figure 4 Buried depth of common track test section tunnel

2 測(cè)試結(jié)果及分析

給出了各斷面在地鐵通過(guò)時(shí)不同測(cè)點(diǎn)位置的10次有效測(cè)試結(jié)果，通過(guò)將時(shí)程結(jié)果轉(zhuǎn)化至頻域，得到各個(gè)測(cè)點(diǎn)在頻域上的振動(dòng)位移、振動(dòng)速度及振動(dòng)加速度結(jié)果。通過(guò)將振動(dòng)位移(P-P)、振動(dòng)速度及振動(dòng)加速度的頻域結(jié)果與給定的限值進(jìn)行對(duì)比，分析各個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)情況。其中振動(dòng)加速度幅值為10～50 Hz內(nèi)的最大值統(tǒng)計(jì)結(jié)果；振動(dòng)速度峰值為4～80 Hz內(nèi)的最大值統(tǒng)計(jì)結(jié)果；振動(dòng)位移幅值為1～10 Hz內(nèi)的最大值統(tǒng)計(jì)結(jié)果。選取每次列車通過(guò)時(shí)程內(nèi)各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的最大值，并將10次測(cè)試獲得的樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2.1 各斷面加速度指標(biāo)

表3給出了每次速度有效測(cè)試10～50 Hz最大值的均值統(tǒng)計(jì)結(jié)果，所有統(tǒng)計(jì)結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)限值。圖5 給出了不同斷面、不同測(cè)點(diǎn)位置的加速度最大值樣本的均值及標(biāo)準(zhǔn)差。

表3 各斷面10～50 Hz加速度最大值的平均值Table 3 Mean of maximum acceleration of each section between 10 Hz and 50 Hz m/s2

由圖5可以看出，不同水平距離條件下，2號(hào)線兩個(gè)測(cè)試斷面的加速度在25 m測(cè)點(diǎn)處最大，說(shuō)明在某一水平距離范圍內(nèi)，10～50 Hz頻帶內(nèi)的加速度最大值隨著距離的增加并不呈現(xiàn)一致的衰減特征，甚至?xí)霈F(xiàn)放大區(qū)域；對(duì)比斷面2及斷面3，在同一線路間隔較小的兩個(gè)測(cè)試斷面，地層條件基本一致，此時(shí)埋深越大，地表振動(dòng)加速度越小。

圖5 10～50 Hz加速度最大值樣本統(tǒng)計(jì)結(jié)果 Figure 510～50 Hz acceleration maximum samples statistical results

然而，對(duì)比1號(hào)線的兩個(gè)測(cè)試斷面，在遠(yuǎn)場(chǎng)處，埋深更大的浮置板軌道測(cè)試斷面4的加速度統(tǒng)計(jì)結(jié)果甚至高于斷面1的振動(dòng)加速度響應(yīng)。因此，在通過(guò)經(jīng)驗(yàn)對(duì)比預(yù)測(cè)敏感目標(biāo)振動(dòng)響應(yīng)時(shí)，埋深的變化也需要重點(diǎn)考慮。

2.2 各斷面速度指標(biāo)

表4給出了每次速度有效測(cè)試4～80 Hz最大值的均值統(tǒng)計(jì)結(jié)果，所有統(tǒng)計(jì)結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)限值。圖6給出了不同斷面、不同測(cè)點(diǎn)位置的速度最大值樣本的均值及標(biāo)準(zhǔn)差。

表4 各斷面4～80 Hz速度最大值的平均值Table 4 Mean of maximum velocity of each section between 4 Hz and 80 Hz m/s

由圖6可以看出，不同水平距離條件下，2號(hào)線兩個(gè)測(cè)試斷面的加速度在25 m測(cè)點(diǎn)處仍出現(xiàn)放大現(xiàn)象；對(duì)比斷面2及斷面3，除了25 m測(cè)點(diǎn)處，埋深較大的斷面2地表速度較小。斷面1的振動(dòng)速度統(tǒng)計(jì)結(jié)果隨著距離增加衰減明顯。斷面4的振動(dòng)速度衰減并不顯著，這是由于浮置板軌道存在較低頻的自振頻率，對(duì)地表振動(dòng)響應(yīng)導(dǎo)致低頻振動(dòng)放大，在4～80 Hz內(nèi)的最大值往往出現(xiàn)其自振頻率處，同時(shí)隨著距離增加低頻振動(dòng)衰減較慢，因此斷面4的速度隨著距離增加衰減并不明顯。

圖6 4～80 Hz速度最大值樣本統(tǒng)計(jì)結(jié)果 Figure 6 Statistical results of maximum samples of 4–80 Hz velocity

2.3 各斷面位移指標(biāo)

表5給出了每次位移有效測(cè)試1～10 Hz最大值的均值統(tǒng)計(jì)結(jié)果，所有統(tǒng)計(jì)結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)限值。圖7給出了不同斷面、不同測(cè)點(diǎn)位置的位移最大值樣本的均值及標(biāo)準(zhǔn)差。

表5 各斷面振動(dòng)1～10 Hz位移最大的平均值Table 5 Mean of maximum vibration displacement amplitude of each section between 1 Hz and 10 Hz μm

由圖7可以看出，4個(gè)測(cè)試斷面1～10 Hz內(nèi)位移的統(tǒng)計(jì)結(jié)果均表現(xiàn)為一致的衰減特征，且隨著距離增加衰減幅度下降。

圖7 1～10 Hz位移最大值樣本統(tǒng)計(jì)結(jié)果 Figure 7 Statistical results of maximum samples of 1–10 Hz displacement

3 目標(biāo)振動(dòng)影響預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)

根據(jù)7號(hào)線區(qū)間對(duì)應(yīng)的精密儀器區(qū)位置(水平距離50 m，埋深16.5 m)，結(jié)合前面的類似地質(zhì)條件下，不同埋深不同距離的加速度、速度與位移統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，分別采用斷面1~斷面2線性內(nèi)插經(jīng)驗(yàn)類比預(yù)測(cè)(方法1)、斷面2~斷面3線性內(nèi)插經(jīng)驗(yàn)類比預(yù)測(cè)(方法2)，及斷面1~斷面3線性外推經(jīng)驗(yàn)類比預(yù)測(cè)(方法3)，給出敏感目標(biāo)所在位置及對(duì)應(yīng)測(cè)試點(diǎn)的加速度、速度與位移預(yù)測(cè)結(jié)果，如圖8所示。

圖8 預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比 Figure 8 Comparison of prediction results

顯然通過(guò)線性內(nèi)插獲得的預(yù)測(cè)結(jié)果具有較強(qiáng)的一致性，且所有預(yù)測(cè)指標(biāo)均未超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)限值。采用線性外推方法的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與內(nèi)插獲得的速度及位移預(yù)測(cè)結(jié)果相差接近一倍。

4 結(jié)論

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析長(zhǎng)春軌道交通1、2號(hào)線相似斷面的振動(dòng)傳播規(guī)律，預(yù)測(cè)分析長(zhǎng)春軌道交通7號(hào)線對(duì)沿線精密儀器場(chǎng)區(qū)的影響。

1)地質(zhì)條件一致情況下，不同埋深條件下，行車振動(dòng)加速度影響隨著埋深增加而逐漸降低；在某一水平距離范圍內(nèi)，行車振動(dòng)加速度及速度有放大區(qū)域；不同斷面，位移響應(yīng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果隨著距離的增加一致降低。

2)類比測(cè)試結(jié)果，采用不同方法對(duì)敏感目標(biāo)的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，加速度、速度與位移預(yù)測(cè)值未超標(biāo)準(zhǔn)限值，且采用內(nèi)插方法獲得的預(yù)測(cè)結(jié)果具有較強(qiáng)的一致性。因此，在類比預(yù)測(cè)敏感目標(biāo)環(huán)境振動(dòng)響應(yīng)時(shí)，應(yīng)充分考慮類比斷面的可參照性，并推薦采用內(nèi)插方法進(jìn)行振動(dòng)預(yù)測(cè)。