軟土與巖層地質下地鐵隧道振動傳遞特性分析

蔡子博，鞠龍華，彭克群，王安斌

(上海工程技術大學 城市軌道交通學院，上海 201620)

隨著我國經濟和城市建設不斷發展，人口集中現象日趨明顯，面對日益增長的交通客流量，城市交通運輸面臨前所未有的壓力，為緩解城市交通運輸的壓力，地鐵作為一種高效、安全、環保的現代化交通運輸方式在大中型城市中快速發展。隨著地鐵建設的飛速發展，解決地鐵建設中出現的問題也變得愈發迫切，由于地鐵線路建設的特殊性，許多地鐵運行區域與居民的生活和工作區域有一定的重合，地鐵列車運行時產生的振動會通過土層及建筑物傳遞至居民的活動場所，大大影響居民的日常生活和工作。因此越來越多的學者開始研究地鐵振動的傳遞特性以指導地鐵的建設工作，國內外學者通過現場測試、理論分析、數值模擬等方面對地鐵運行所帶來的振動問題進行分析研究，得出許多有價值的結論。針對我國現在高速發展的鐵路建設現狀，翟婉明等[1]對多種軌道線路形式提出了諸如鐵路維護、建設運營安全性等多個方面的問題。為解決目前軌道交通中所存在的問題，許多學者針對不同的地鐵運行工況采集了現場數據。高萌等[2]通過測試對比了青島地鐵巖層地基和上海地鐵軟土地基的振動加速度值，對測試數據進行了時、頻域分析，得出介質阻尼大小與地基振動大小具有反相關性，軟土地基以低頻振動為主，巖層地基以高頻振動為主，低頻成分較少且其主導頻率大于上海地鐵軟土地基的主頻的結論。和振興等[3]基于對上海地鐵和北京地鐵的實測振動數據建立了有限元模型，通過有限元模型預測了地鐵振動在不同埋深和不同土層條件下在地面傳播時多個方向的振動傳遞特性。樓夢麟等[4]對上海某地鐵進行測試，得到振動在地面的衰減趨勢及地面振級較大的頻段。涂勤明[5]通過測試分析了普通整體道床、中等減振扣件、梯形軌枕軌道和鋼彈簧浮置板軌道條件下的鋼軌、道床、隧道壁的振動加速度及鋼軌動態變形，從Z振級和1/3倍頻程的角度分析不同減振措施的減振性能。Zuo 等[6]對某車輛段咽喉區和試車線臨近地面及車輛段試車線的鄰近建筑物進行了現場實測，得出車輛段咽喉區、試車線的地面振動傳播規律和試車線鄰近建筑物的振動傳播規律。根據大量的實測數據許多學者開始采用仿真或理論的方式對不同運行工況下地鐵振動的傳播規律進行預測和評估。高廣運等[7]利用2.5維建模仿真的方法得到了不同車速和不同土體條件下的地面位移變化情況。劉維寧等[8]和閆維明等[9－10]分別建立了地鐵車輛-軌道系統及隧道結構-地層系統的動力學模型，用于研究地鐵列車振動的環境保護問題，并獲得了1 Hz～10 Hz 的地表振動放大區及主要集中頻率。此外，還通過實測數據分析了20 m～30 m范圍內的地面傳播規律，發現振動放大區能量主要集中在10 Hz 以內，同時發現了高頻分量隨距離增大而衰減但在某些地質條件下會出現反彈的情況，并對35 Hz 以下的地鐵振動分量進行非線性擬合并給出相應的經驗公式。Lai 等[11]利用簡化的數值模型對列車運行振動所涉及的物理現象進行數值模擬，包括其對結構響應的影響及預測的振動譜對列車速度的依賴性。

本文基于列車通過軟土地質和巖層地質時的實測數據，研究兩種地質條件下地鐵列車運行引起的振動在隧道壁、距隧道中心線水平距離為0、15 m和30 m隧道上方地面垂向傳遞過程中的傳遞特性，采用1/3倍頻程對實測數據進行處理分析，揭示4 Hz～200 Hz內各頻段的振動在兩種地質條件下在傳遞過程中的變化情況。

1 測試概況

1.1 測試儀器

本次測試采用INV3060V采集儀，結合DASP軟件和PCB 加速度傳感器對列車經過時所在測點的數據進行實時采集與儲存。

1.2 測試方案

如圖1所示本次測試中共布設4個測點，其中在隧道壁測點安裝固定塊，通過固定塊安裝垂向和水平向兩個加速度傳感器，在地面上布置距隧道中心線正上方間隔為0、15 m 和30 m 3 個垂向加速度測點，在列車通過時同時記錄4個測點的振動數據，為排除隨機性干擾，本次測試中選取不同時間段上的數據進行記錄，對每個時間段至少記錄20 組數據，并選取其中的20組數據進行均值計算，進而進行測試數據的整理和分析。

圖1 加速度傳感器位置示意圖

1.3 測試場地的選取

第一個測試場地選在地質條件為軟土地質的某地鐵運行區段，其地鐵線路埋深約為19.7 m。其具體土層性質和物理特性如表1所示。

表1 軟土地質土層參數

第二個測試場地選在地質條件為巖層地質的某地鐵運行區段，其地鐵線路埋深約為20.1 m，其具體土層性質和物理特性如表2所示。

表2 巖層地質土層參數

2 軟土地質和巖層地質下地鐵振動傳遞特性

2.1 隧道壁至地面的振動傳遞特性分析

圖2為隧道壁至隧道正上方垂向振動傳遞損失，其中，振動傳遞損失為沿振動傳遞路徑上一拾振點振級與下一拾振點振級的差值，結果中正值表示振動在傳遞過程中衰減，負值表示振動在傳遞過程中增強。

圖2 軟土地質和巖層地質條件下的振動傳遞損失

從圖2可以看出由隧道壁至軌道中心線的傳遞過程中，軟土地質條件下的最大傳遞損失頻率為200 Hz，振動損失值高達38.7 dB，巖層地質條件下的最大傳遞損失頻率為4 Hz，振動損失值為20.4 dB。巖層地質對6.3 Hz以下的低頻振動的衰減要大于軟土地質，而除6.3 Hz以下頻段的振動，軟土地質對6.3 Hz 至200 Hz 頻段的振動衰減均大于巖層地質，兩種地質條件下12.5 Hz 至40 Hz 頻段的衰減量較小，總體在10 dB 以下。在振動從隧道壁傳至距軌道中心線的過程中，巖層地質條件下16 Hz～20 Hz 頻段的振動有一定增強。總體上振動在軟土地質中衰減更明顯。

2.2 地面振動傳遞特性分析

圖3為軟土地質條件下距隧道中心水平0 m、15 m、30 m處地面垂向振動水平，從圖3可看出軟土地質條件下的振動頻段主要集中在63 Hz 以下，在12.5 Hz和40 Hz頻帶存在振動峰值，0 m測點處的垂向振動Z 振級為54.8 dB，15 m 測點處的垂向振動Z振級為57.1 dB，30 m 測點處的垂向振動Z 振級為54.7 dB。圖4為軟土地質條件隧道上方距隧道中心0～15 m 和15 m～30 m 地面垂向振動傳遞損失，從圖4可看出振動在從0至15 m的傳遞過程中在4 Hz～8 Hz和25 Hz～200 Hz頻段內振級增大，總振級增大，在由15 m 至30 m 的傳遞過程中除8 Hz 以下的低頻振動外其余頻段振級減小，總振級減小。

圖3 軟土地質條件下距軌道中心線0、15 m、30 m處振動加速度級

圖4 軟土地質條件下距軌道中心線0至15 m、15 m至30 m處振動傳遞損失

圖5為巖層地質條件下距隧道中心水平0 m、15 m、30 m處地面垂向振動水平，從圖5可看出巖層地質條件下的主要振動頻段在8 Hz～100 Hz 之間，在16 Hz 至63 Hz 頻帶內存在振動峰值，0 m 測點處的垂向振動Z振級為41.2 dB，15 m測點處的垂向振動Z振級為40.8 dB，30 m 測點處下的垂向振動Z 振級為39.4 dB。圖6為巖層地質條件下隧道上方距隧道中心0～15 m 和15 m～30 m 地面垂向振動傳遞損失，從圖6可看出振動在從0 m 至15 m 的傳遞過程中在25 Hz 以下的頻段內隨距離增加而衰減，25 Hz至200 Hz 頻段內振級有一定的增加，總振級減小，在由15 m 至30 m 的傳遞過程中除低頻4 Hz、5 Hz處振級增強外其余頻段減小，總振級減小。

圖5 巖層地質距軌道中心線0 m、15 m、30 m振動加速度級曲線

圖6 巖層地質距軌道中心線0 m至15 m、15 m至30 m振動傳遞損失曲線

對比軟土地質和巖層地質中的振動傳遞特性可知，在隧道埋深相似的情況下，軟土地質條件下的振動峰值所處的頻帶要低于巖層地質，這種現象出現的原因可能是體波在兩種地質條件下的傳遞介質不同，一是軟土地質條件下土層阻尼大，其對高頻振動的衰減效果較巖層地質較好，二是軟土地質條件下體波波速較小，橫波波速和縱波波速在土體中的傳播與土層彈性模量、泊松比和土體密度有直接關系。其中橫波波速Cs、縱波波速CP與彈性模量E、泊松比ν和土體密度ρ的關系如式⑴、式(2)所示。

由于軟土地質和巖層地質中波速不同，振動波從振源傳遞到地面振動觀察點處對于某個相同頻率的振動的波數就不同，波數n與波長λ和波速C及波傳播的距離d在某個頻率f的關系如下式(3)和式(4)所示。

從式(3)式(4)可知軟土地質中的波速要小于巖層地質，由式(1)和式(2)可知，波速與材料模量的開方成正比，材料模量大的波速大，低模量的軟土地質對應的波速要小于高模量的巖層地質。在相同的頻率和振動波傳播距離條件下波速越小，波數越大。由此說明，相同距離、同一阻尼介質條件下，振動在波數大的軟土地質中傳播比在波數小的巖層地質中衰減更多。兩種地質條件下在從0 m至15 m的振動傳遞過程中在部分頻段有振動增大的情況，可能是由于此時表面波對傳遞過程的影響增大，軟土地質條件下在10 Hz 以下和25 Hz～200 Hz 頻段振動增大，巖層地質條件下增大頻段在25 Hz～200 Hz；振動在兩種地質條件下在地面從15 m至30 m傳遞時，40 Hz以上頻段的高頻振動明顯衰減，在20 Hz以下頻段振動衰減較少，部分頻段出現了增強。兩種地質條件下振動在地表的傳遞過程中在部分頻段都有一定的增強，這可能是由于兩種地質條件下各層土層性質的不同使振動波在土層中的傳遞出現差異導致的，因為振動波在土體中傳播時不僅是在單一土體介質中的傳播，也有從一種土體傳播至另一土體的過程，通過兩土體接觸面時，振動波會發生折射與反射，振動波在介質中傳播時經過不斷地折射和反射，其傳遞角度也會不斷發生變化，此種傳遞方式會對振動波在土體中的傳播過程產生明顯的影響[12]，但其中各土層參數對各頻段振動傳遞的影響還需要進一步的研究。

2.3 地面低頻振動傳遞特性分析

圖7為軟土地質和巖層地質條件下距隧道中心線水平距離為0 m、15 m、30 m 處在不同1/3 倍頻程中心頻率的地面振動加速度級。如圖7所示，由地鐵列車運行引起的振動在軟土地質中傳播時4 Hz、5 Hz、6.3 Hz 和8 Hz 的振動在15 m 處出現了不同程度的增強，其中5 Hz、6.3 Hz 和8 Hz 的振動在30 m處衰減，4 Hz的振動在30 m處仍繼續增強，10 Hz和12.5 Hz的振動在15 m處衰減，在30 m處出現增強；在巖土地質中4 Hz和5 Hz的振動在15 m處衰減，在30 m處出現增強，其余頻帶的振動隨距離增大而減小。上述數據顯示振動在地面的傳遞時軟土地質和巖層地質對于12.5 Hz 以下低頻振動的衰減能力都較差，部分頻段的振動在地面傳遞時在軟土地質條件下出現在15 m 和30 m 處連續增強的現象。低頻振動在地面傳遞時在巖層地質條件下較軟土地質出現增強的頻段較少，但整體上對低頻振動部分的衰減依然較小。綜上所述，12.5 Hz以下頻段的振動在地面傳遞時的衰減總體較弱，尤其是在軟土地質條件下低頻振動的振級較高，且在30 m的傳遞距離內有部分低頻振動出現隨距離增大振動持續增強的現象，需重點關注。

圖7 軟土地質和巖層地質條件下地面0 m、15 m、30 m 處低頻振動加速度級

3 結語

本文對軟土與巖層地質條件下地鐵振動傳遞特性進行研究，通過對測試數據進行1/3 倍頻程處理，對兩種地質條件下不同頻段振動的傳遞特性進行分析得出以下結論。

（1）在兩種地質條件下振動在傳遞過程中在4 Hz～200 Hz頻段內都存在兩個振動波峰，其中軟土地質條件下振動波峰所處頻率小于巖層地質。

（2）振動由隧道壁傳至地表時，軟土地質對高頻振動的衰減效果較好，巖層地質對低頻振動的衰減效果較好。巖層地質條件下在16 Hz～20 Hz頻段內的振動有輕微增強。

（3）在地面從0 m處至30 m處的振動傳遞過程中，軟土地質條件下在15 m 處的總振級出現增強，巖層地質條件下總振級隨距離增加持續衰減，軟土地質條件下部分12.5 Hz 以下頻段的振動隨距離增加持續增大，巖層地質條件下部分低頻振動在30 m處出現增強。簡而言之，兩種地質形式對20 Hz 以下的低頻振動的衰減效果都較差，在傳遞距離達到15 m以上時，其對40 Hz以上振動的衰減效果較好，總體上軟土地質條件下衰減效果更好。

（4）進行周邊建筑物減振及選址時，軟土地質條件下除要關注兩個振動峰值處的頻段，對于20 Hz以下頻段的振動也需關注，在巖層地質條件下則可重點關注兩個振動峰值所處的頻段，距軌道中心線30 m 以上的建筑物受到地鐵振動的影響將大幅減小。對于較高頻率振動的減振，可以通過對道床進行減振改造來實現，如將普通道床替換為減振道床或將普通扣件替換為減振扣件，對于低頻振動的減振，可以通過地基加固等方式實現。