西安軌道交通運營線路振動源強度實測研究

馬 茜

(西咸新區軌道交通投資建設有限公司，710086，西安∥高級工程師)

隨著軌道交通線網規模的增大和行車密度的不斷增加，既有線路上的環境振動影響問題日益凸顯。一方面，城市軌道交通環境振動會對存放文物及精密儀器等的敏感建構筑物造成影響，為此，北京及西安等地曾多次因文物受振問題而優化軌道交通線路方案。另一方面，城市軌道交通環境振動會影響居民的生活環境，降低生活質量。西安軌道交通沿線有較多敏感建筑物，尤其是文物建筑，且越來越多的線路穿越居民小區，故有必要對其環境振動情況進行深入研究。

城市軌道交通環境振動是較為復雜的系統問題，其影響因素眾多。主要影響因素有軌道結構、車輛特征、行車速度、行車密度與速度、車輛和軌道保養維修狀態、地質條件、線路條件、地鐵土建結構型式、房屋建筑特性以及受振體的遠近等。從研究內容上看，列車的振源特性、振動波的傳播規律是研究的核心，而對振動進行實測是研究的基礎，也是研究關鍵。深入認識運營線路的振動源強，不僅對后期工程建設有重要的指導意義，而且對改善和優化振動環境有直接的參考價值。

本文對西安軌道交通已運營2年以上的4條線路進行了全面、系統的振動源強監測，根據監測數據初步分析其衰減規律，并探討曲線半徑及道床形式對減振效果的影響。

1 振動監測方案

地鐵線路振動源強度受沿線地質條件、地下隧道段和地上高架段及道床形式等多種因素的共同影響。西安軌道交通1號線—4號線所處的地質環境變化較大，主要包括渭河低階地、高階地、黃土梁洼、黃土塬等4類；地鐵結構形式涉及地下隧道段和地上高架段；道床結構主要為整體道床，在地裂縫區段采用框架板道床，環境敏感點按要求采用減振道床。車輛均為B型車。

為盡可能全面了解線路振動現狀，本研究共布置了31個監測斷面(其中1號線4個、2號線10個、3號線7個、4號線10個)，每個隧道斷面均在鋼軌(左右股)、道床及隧道側壁布置5個測點。根據HJ 453—2018《環境影響評價技術導則 城市軌道交通》，在高架段布置振動源強監測點，監測隧道內振動加速度。監測工作實施基本情況如表1所示。

表1 隧道內振動監測工作基本情況表

本次振動監測使用了型號為INV3060A的動態信號采集分析儀，拾振器參數如表2所示。

表2 拾振器基本參數表

拾振器的布設不僅需滿足監測斷面里程的要求，還需避開任何可見的有缺陷區域或特殊區域(有大裂縫的區域、滲水區、道岔和道口區域)。考慮到監測儀器及監測現場條件的具體情況，每處監測斷面布設5個振動測點，具體布置點位如圖1所示。① 位于列車行駛方向左、右側鋼軌，垂直于軌面的鋼軌底部(a、b點)；② 位于列車行駛方向右側道床，垂直于道床(c點)；③ 位于列車行駛方向右側隧道壁，測點距軌面豎向距離約1.2 m(d、e點)，分別監測水平向和垂直向振動加速度。

對于高架段，當兩側有擋板結構的橋梁或有腹板結構的U形梁時，拾振器應置于距鄰近行車線路中心線水平距離7.5 m、距軌頂面以上5 m處；當兩側無擋板結構時，拾振器應置于距鄰近行車線路中心線水平距離7.5 m、距軌頂面以上3.5 m處。具體如圖1 b)所示。

a)地下隧道

鋼軌底部測點的傳感器安裝實景圖如圖2 a)所示。先將鋼軌底部用砂紙打磨、去雜質，再安裝傳感器；傳感器采用絕緣磁座進行電絕緣，并用絕緣膠帶固定，以防止接頭松動脫落。

隧道壁測點的傳感器安裝實景圖如圖2 b)所示。需借助安裝輔助設備將傳感器牢固固定在道床、隧道壁上，以防導線因接頭松動脫落后被高速行駛的列車卷入車輪。高架段測點的傳感器安裝實景圖如圖2 c)所示。拾振器安裝完成后，對監測系統進行調試。監測采用定時啟動方式，且數據直接存儲在筆記本電腦中。在隧道內，將采集儀與可附著的固定物綁扎牢固；在高架段，將采集儀用橡皮泥固定于堅固地面上。

a)鋼軌與道床測點

2 監測結果分析

分別于2019年12月25日—2020年1月22日、2020年3月13日—2020年4月15日完成了對西安軌道交通4條線路、31個監測斷面的振動監測工作。以1號線三橋站—后衛寨站區間上行方向里程K7+163處監測斷面為典型斷面進行詳細分析。圖3為監測時間段內典型斷面的典型時程與1/3倍頻程分析圖。由圖3可見，通過該斷面的時間約為6.5 s，結合列車長約120 m，計算得到當前列車運行速度約為66 km/h。而列車實際運行時由于經歷了起動-加速-勻速-減速-停站的過程，故可推斷地鐵隧道區間內列車實際運行速度為40～78 km/h。

圖3 監測時間段內典型斷面的典型時程與1/3倍頻程分析圖

典型斷面振動情況統計如表3所示。

表3 典型斷面振動情況統計表

由表3可見，斷面位置處的振動加速度級沿鋼軌-道床-隧道壁傳播路徑依次遞減，符合振動能量傳播規律。故此，選取振動加速度級最大值作為統計指標，對5組列車通過時間段內加速度級最大值求平均值，作為該斷面處加速度級的評價指標。為確定振動能量衰減規律及程度，本文主要針對垂直向振動加速度級自鋼軌至道床及隧道壁的衰減程度進行定量評價分析。具體衰減程度δ計算方法如下：

(1)

(2)

式中：

δ道床——鋼軌至道床的衰減程度；

δ隧道壁——鋼軌至隧道壁的衰減程度；

VLZ0 max(鋼軌)——鋼軌處振動加速度級；

VLZ0 max(道床)——道床處振動加速度級；

VLZ0 max(隧道壁)——隧道壁垂直向振動加速度級。

2.1 各線路監測結果

1號線—4號線隧道內各斷面的振動監測結果如表4所示。

表4 1號線—4號線隧道內各斷面監測結果

通過比較各線路不同斷面的鋼軌、道床及隧道壁振動加速度級及δ可以看出：由于能量的擴散和結構阻尼的作用，振動衰減較明顯；隧道壁水平向振動加速度級明顯小于隧道壁垂直向振動加速度級，說明垂直向振動能量在地鐵振動對周圍結構的影響中占主導作用。

2.2 不同道床類型及曲線半徑的減振效果比較

由于各線路鋼軌類型、列車編組、運行速度基本相同，以道床類型和曲線半徑分別評價減振效果，結果如表5所示。由表5可知：與小曲線半徑線路相比，同等條件下大曲線半徑線路的減振效果更優；與短軌枕式整體道床相比，減振墊浮置板道床的減振效果更優，鋼彈簧浮置板道床的減振效果優于碎石道床。

表5 不同道床類型及曲線半徑的減振效果評價表

3 結語

1)首次開展了西安軌道交通31個監測斷面的運營軌道振動實測，全面系統地掌握了西安軌道交通運營振動源強，為后續工程設計、研究奠定了堅實的基礎。

2)對比分析了鋼軌至隧道壁振動的衰減特征，研究表明，同等條件下大曲線半徑的減振效果優于小曲線半徑，減振墊浮置板道床的減振效果優于短軌枕式整體道床，鋼彈簧浮置板道床的減振效果優于碎石道床。