黃土地區高速鐵路路基環境振動現場測試分析

張永福,李 斌,白廣明,羅貫霄,范祥輝,劉 花,張文強

(1.蘭州交通大學土木工程學院,蘭州 730070； 2.楊凌職業技術學院交通與測繪工程分院,陜西咸陽 712100；3.中鐵一局集團有限公司,西安 710054)

近年來，隨著高速鐵路的快速發展，高速鐵路給人們的日常生活帶來了諸多便利，但同時也產生了一些負面影響，如環境振動。高速列車引起的沿線環境振動問題已經受到越來越多部門和學者的重視。美國聯邦鐵路運輸部門通過分析振動的傳播規律和鐵路的環境振動源，對高速鐵路引起的振動和噪聲提出了新的評估方法。馬莉[1]結合項目“武廣高速鐵路聯調聯試長沙南站振動噪聲試驗”，研究了高速列車通過高架車站時對候車廳環境的影響。夏禾等[2]實測了北京地鐵5號線高架橋上運行列車對周邊的環境振動，得出地面橫向振動的衰減規律。馬利衡等[3]通過現場試驗和數值分析的方法，分析了滬寧城際高速鐵路路堤段的周邊地面振動特性。李小珍等[4]在津秦高鐵32 m簡支梁橋區段對橋上列車高速運行時引起的地面振動進行了現場試驗研究。陳洪運等[5]利用試驗研究和數值分析的方法，研究了高鐵濱海北站路基段的環境振動特性和衰減規律。王祥秋等[6]測試分析了武廣高鐵金沙洲路段的環境振動以及周圍建筑物的二次振動。馬骙骙，李斌等[7-8]通過建立列車-軌道-地基系統模型，結合寶蘭高鐵實測數據，分析研究了覆蓋層厚度和覆蓋層與下臥層模量比對地面振動的影響規律。隨著我國深入實施《中長期鐵路網規劃》(2016—2030)及新時代西部大開發戰略，西北黃土地區的高速鐵路建設迎來了廣闊的發展前景，黃土地區的鐵路環境振動問題也比較突出[9]。縱觀國內外學者對鐵路環境振動問題的研究，針對黃土地區高速鐵路路堤段和路塹段環境振動的現場測試及兩者的對比分析較少。

因此，以寶蘭高鐵K933+110處路堤段和K1002+170處路塹段為工程背景，現場實測高速列車通過路堤和路塹時的周邊地面垂向振動響應，并將響應數據從時域、頻域和振級方面進行對比分析與評價，以期為黃土地區高速鐵路路基段隔振減振機理的建立和減振措施的研發提供幫助。

1 試驗概況

1.1 線路特征與列車條件

寶蘭高鐵線路全長400.644 km，設計速度為250 km/h，軌道結構形式為CRTSⅠ 型雙塊式無砟軌道。路堤段和路塹段的測試斷面分別位于里程K933+110處和K1002+170處，測試區周邊地勢平坦，地面堅實，環境干燥，無其他振動源，測試條件符合TB/T 3152—2007《鐵路環境振動測量》要求。兩處測試場地的地層巖性均以第四系風積砂質黃土為主，無地表水[10-11]。圖1(a)和圖1(b)分別為高速列車通過路堤段和路塹段的測試現場。

圖1 高速列車通過時的測試現場

此次現場試驗在路堤段和路塹段共采集了50列高速列車通過時的地面垂向振動加速度數據，其中路堤段30列，路塹段20列，列車型號有CRH5G、CRH2G、CRH380B等，列車運行速度在200～245 km/h之間。

1.2 測量儀器

現場測試采用的儀器為INV3062T型24位采集儀，其工作模式為FPGA、DSP、ARM三CPU協同工作，同時配有4個24位高精度AD采集通道，在進行現場測試時配有加速度傳感器和速度傳感器。研究鐵路振動問題一般以鉛垂向振動為主，所以現場設置垂向加速度傳感器，采樣頻率為1 024 Hz，采集儀器如圖2所示。

圖2 采集儀器

1.3 測點布設

根據現場實際情況和《鐵路環境振動測量》中測點布設原則和要求[12-15]，在路堤段，測點距鐵路外軌中心線最近為10 m，最遠為42 m，各測點位置如圖3所示。在路塹段，測點距鐵路外軌中心線最近為12.5 m，最遠為40 m，各測點位置如圖4所示。

圖3 路堤段試驗測點布置斷面(單位：m)

圖4 路塹段試驗測點布置斷面(單位：m)

2 試驗結果分析

前期對比分析了50列高速列車通過測試區間時的振動信號，發現不同車次所產生的振動加速度具有很高的相似性。限于篇幅，選取編組為8節車廂，全長211.5m的CRH5G列車的測試數據進行研究分析，該列車通過路堤段和路塹段試驗區間時的速度均約為230 km/h，列車運行方向為蘭州—西安(近軌通過)。

2.1 時域分析

為分析黃土地區高速鐵路路堤段和路塹段周邊環境振動特性，CRH5G動車組通過路堤段和路塹段時的垂向振動加速度時程曲線分別如圖5和圖6所示，并將路堤段和路塹段距鐵路外軌中心線不同距離處的地面垂向振動加速度峰值進行了對比，如圖7所示。

圖5 路堤段垂向加速度時程曲線

圖6 路塹段垂向加速度時程曲線

圖7 不同距離處峰值加速度變化規律

路堤段和路塹段測點1處的垂向加速度峰值量級為10-1，而測點1處的背景振動加速度峰值量級為10-3，兩峰值相差2個數量級，說明外界干擾對現場測試結果影響很小，保證了測試結果的有效性。在距鐵路外軌較近范圍內，列車通過測試斷面的總時間(t)與列車運行速度(v)和列車總長(L)有關，本文中L為211.5 m，v為230 km/h，則總時間為：t=L/v=3.31 s。由圖5(a)和圖6(a)可知，計算振動持續時間與實測振動持續時間較吻合，說明測試數據的正確性。

從圖5(a)和圖6(a)可看出8個明顯的加速度峰值，這是由8節車廂的周期性加載所引起。隨著距鐵路外軌中心線的距離越來越大，加速度周期性峰值越來越不明顯，振動持續時間逐漸變長，圖5(d)和圖6(d)中已經觀測不到這種周期性峰值，且列車經過時的地面振動與背景振動較接近，說明距鐵路外軌中心線40 m附近的地面垂向振動已經變得特別小。

由圖7可知，隨著距鐵路外軌中心線的距離增加，路堤段和路塹段的周邊地面振動加速度峰值均減小。路堤段在距鐵路外軌中心線10～30 m范圍內垂向振動加速度衰減迅速，30 m之后振動加速度衰減變緩；路塹段在距鐵路外軌中心線12.5～20 m范圍(即路塹坡面)垂向振動加速度衰減迅速，20 m之后(路塹頂部)振動加速度衰減變緩，且同一測點范圍內路塹段的周邊地面振動加速度始終高于路堤段的周邊地面振動加速度。這是由于當振源產生的面波和體波傳至路塹邊坡坡腳時，邊坡坡腳各點將作為新的振源，新振源立即產生新的振動沿坡面傳遞。

2.2 譜分析

譜分析可以反映振動能量的分布情況和振動頻率的成分。現將路堤段和路塹段各測點的垂向加速度時程數據進行FFT(快速傅里葉變換)運算，得到路堤段和路塹段的加速度頻譜曲線，分別如圖8和圖9所示。

圖8 路堤段地面測點振動加速度頻譜曲線

圖9 路塹段地面測點振動加速度頻譜曲線

由圖8和圖9可知，隨著距鐵路外軌中心線的距離增大，路堤段和路塹段周邊地面的振動頻率從40 Hz以上的高頻向10～20 Hz的低頻衰減，地面振動加速度幅值亦隨之降低。在路堤段，距鐵路外軌中心線10～30 m范圍內地面振動頻率在3～96 Hz之間，其中能量較集中的主頻約為10，21，42 Hz和95 Hz，而距鐵路外軌中心線30～40 m范圍內，地面振動頻率僅在3～11 Hz之間，能量較集中的主頻約為10 Hz；在路塹段，距鐵路外軌中心線12.5～40 m范圍內地面振動頻率在3～95 Hz之間，其中12.5 m處有85～95 Hz的高頻成分，但含量較少，能量較集中的主頻約為20 Hz和43 Hz，在40 m處，能量較集中的主頻約為18 Hz，主峰18.4 Hz周圍出現多個大小較為接近的次峰，說明在該位置振動能量較離散。ISO.ISO2631—2[16]指出可用運用公式(1)計算列車加載頻率，即

f=v/L

(1)

式中，f為頻率，Hz；v為速度，取63.9 m/s；L為長度，m。CRH5G列車的固定軸距L1=2.7 m，車輛定距L2=19 m，相鄰車輛前后轉向架間的距離L3=7.825 m，軌枕間距L4=6.5 m。采用公式(1)計算得到f1=23 Hz，f2=3.3 Hz，f3=8.2 Hz，f4=98.3 Hz。說明圖8和圖9中出現的10 Hz和20 Hz左右的主頻為輪軸的加載頻率，大小與軸重、列車運行速度、列車固定軸距和相鄰車輛前后轉向架間距離有關，90 Hz左右的主頻與軌枕間距相關。

YU Hongbiao，WANG K W[17]將輪軌不平順激勵作用下產生的輪軌力進行簡化處理，得出了輪軌力峰值頻率fp的計算公式

(2)

式中，EI為鋼軌抗彎剛度，取6.76×106N·m2；S為鋼軌支承剛度，取3×107N/m；kH為線性化的輪軌赫茲接觸彈簧剛度，取1.35×109N/m；mw為單輪質量，取1 000 kg。通過公式(2)計算得到試驗中輪軌力的峰值頻率約為40 Hz，說明圖8和圖9中出現的40 Hz左右的主頻對應于輪軌力的峰值頻率。

2.3 1/3倍頻程

在振動測試分析中，常采用1/3倍頻程進行頻帶劃分，1/3倍頻程可以用較少的數據點來描述振動加速度隨頻率的變化情況，具有頻帶寬、譜線少的特點。本文中路堤段和路塹段周邊地面振動的1/3倍頻程譜曲線分別如圖10、圖11所示。

圖10 路堤段1/3倍頻程曲線

圖11 路塹段1/3倍頻程曲線

由圖10和圖11可知，隨著距鐵路外軌中心線的距離增加，40 Hz以上的高頻成分衰減速率較快，10～20 Hz的低頻成分衰減緩慢。這是因為高頻振動增加了質點的振動次數，使得質點間摩擦所消耗的能量增加，地面振動頻率從高頻向低頻靠近，低頻振動在土體中傳播更遠，說明黃土對高頻振動具有高阻尼效應。

由1/3倍頻程曲線可知，各頻段的振動加速度幅值均隨著距鐵路外軌中心線距離的增大而減小，路堤段的主頻帶為8～12.5 Hz，16～25 Hz，31.5～50 Hz和80～90 Hz，出現在距鐵路外軌中心線10～30 m范圍內；路塹段的主頻帶為12.5～25 Hz，31.5～50 Hz和60～90 Hz，出現在距鐵路外軌中心線10～20 m范圍內，頻帶為60～90 Hz的含量少，這與譜分析結果相吻合。

2.4 Z振級分析

選用TB/T 3152—2007[18]規定的Z向計權因子修正后的振動加速度級作為衡量鐵路環境振動問題的標準，對黃土地區高速列車誘發的路堤段和路塹段周邊環境振動進行定量的分析與評價[19-20]，圖12和圖13給出了路堤段和路塹段不同測點處Z向振動加速度級的變化規律。提取圖12和圖13中不同距離處的最大Z振級，繪制出路堤段和路塹段距鐵路外中心線不同距離處最大Z振級變化規律，并將變化規律進行了曲線擬合，如圖14所示。我國GB10070—88《城市區域環境振動標準》中將80 dB作為“鐵路外軌30 m外兩側”區域的垂向Z振級限值。

圖12 路堤段不同距離處Z振級變化曲線

圖13 路塹段不同距離處Z振級變化曲線

圖14 不同距離處Z振級變化規律

由圖12和圖13可得，路堤段距鐵路外軌中心線10 m范圍內振級超出80 dB，Z振級最大值為82.04 dB，出現在頻率為40 Hz處；路塹段距鐵路外軌中心線12.5m范圍內振級超出80 dB，最大值出現在頻率為20 Hz和40 Hz處，對應振級分別為83.92 dB和81.93 dB，Z振級符合《城市區域環境振動標準》中的限值要求。從圖14可以看出，隨著距鐵路外軌中心線距離的增大，路堤段和路塹段周邊地面的Z振級衰減特性呈對數規律。路堤段和路塹段距鐵路外軌中心線10～30 m范圍內，Z振級衰減較快，30 m以外范圍，Z振級衰減趨于平緩，說明在實際現場，時速230 km/h列車經過路堤段和路塹段時，對距鐵路外軌中心線30 m以外范圍的Z振級影響不明顯。同時，在距鐵路外軌中心線相同范圍內，路塹段Z振級高于路堤段。

3 結論

結合黃土地區寶蘭高鐵路堤段和路塹段的周邊地面振動實測數據，并將實測數據進行時域和頻域的對比分析，得出以下結論。

(1)黃土地區路堤段和路塹段分別距鐵路外軌中心線10 m和12.5 m范圍內，地面振動信號出現由機車車輛周期性加載引起的周期性峰值，隨著距離的增大，這種周期性峰值越來越不明顯。在距鐵路外軌中心線相同范圍內，路塹段周邊地面振動強度始終高于路堤段。

(2)隨著距鐵路外軌中心線的距離增加，黃土地區路堤段和路塹段周邊地面40 Hz以上的振動頻率衰減快，10～20 Hz的振動頻率衰減慢，各頻段的振動加速度幅值均隨著距鐵路外軌中心線距離的增大而減小。

(3)黃土地區路堤段和路塹段出現的約40 Hz主頻與輪軌力峰值頻率對應；出現的約10 Hz和20 Hz的主頻與軸重、列車運行速度、列車固定軸距和相鄰車輛前后轉向架間距離有關；出現的約90 Hz的主頻與軌枕間距有關。

(4)隨著距鐵路外軌中心線距離的增大，黃土地區路堤段和路塹段周邊地面的Z振級衰減特性呈對數規律。距鐵路外軌中心線相同范圍內，路塹段周邊地面Z振級始終高于路堤段。