地鐵車輛段不同區域車致上蓋建筑振動傳播規律研究

鄒 超，陳 穎，胡子豪，何 衛

(1.廣東工業大學 土木與交通工程學院，廣州 510006；2.中國地質大學（武漢）工程學院，武漢 430074)

地鐵車輛段作為地鐵車輛停放、檢查、整備和修理的場地，占地面積較大。為了提高土地資源使用效率，緩解城市用地緊張，地鐵上蓋物業應運而生。這一模式讓上蓋物業充分享受軌道交通紅利，帶動物業增值，同時上蓋開發也可為地鐵建設募集資金，實現共贏。然而，地鐵列車運行產生的振動，經由軌道基礎、周圍土層、建筑基礎傳遞到上蓋物業，引發建筑結構振動，誘發二次結構噪聲，對上蓋物業中人們的生活質量產生了影響，已成為上蓋物業后續發展中亟待解決的問題之一。

近年來，地鐵車輛段振動引發了國內外學者對其振源特性的思考[1－2]，將振動傳播規律與上蓋建筑[3-4]結構特點加以結合，并對現有減振措施[5]進行針對性的研究和探索。李曉霖[6]對北京地鐵八王墳車輛段的研究表明，列車引起的地面豎向和水平向振動均隨著距振源距離的增大而減小，主要頻率以低頻為主。謝偉平等[7]基于對杭州某地鐵車輛段試車線上蓋建筑振動測試，認為車輛運行所致振動在上蓋建筑中主要集中在0～140 Hz 頻段范圍內，且10 Hz～25 Hz 低頻振動表現為建筑結構的整體振動。許暮迪等[8]對地鐵車輛段試車線上方住宅進行現場實測，通過比較不同車速工況下車輛段上方建筑樓板Z 振級變化，發現在25 km/h～60 km/h 車速范圍內，隨著車速的提高，樓板Z振級相應增加4 dB～9 dB，且中部樓層受振動影響較大。

列車所致振動以應力波的形式從場地土傳播到上蓋建筑，在此過程中，振動會在土體與結構的交界面產生波的反射和折射，存在能量交換現象。姚錦寶等[9]建立地基土-接觸面-建筑物系統模型，研究了接觸狀況對耦合系統振動的影響。結果表明，土體與建筑物間接觸面的變化會引起不同的能量損失，經土衰減后到達建筑物內的振動主要以低頻為主。曹艷梅等[10]分別探究了經過不同特性場地土傳播及傳遞到不同剛度的上蓋建筑物中振動所受到的影響，發現軟土對振動波的衰減能力小于硬土，建筑物整體剛度也會對豎向振動的傳播產生一定影響。

地鐵車輛段涵蓋了試車線、咽喉區、出入段線、檢修線等不同區域，由于軌道特性、車速等影響導致振源激勵不同，所以所引起的振動特性也不同。汪益敏等[11]通過分析車輛段試車線列車引起的振動響應，認為臨近地面的豎向振動遠大于水平向，60 Hz以上的高頻振動分量在傳播過程中衰減明顯，傳遞到上蓋建筑物內的豎向振動頻率主要分布在5 Hz～60 Hz。鄔玉斌等[12]對北京某車輛段停車列檢庫進行現場測試，分析了列車出入庫時道床、結構柱及上蓋的建筑振動響應，發現道床附近的振動隨著距離的增大迅速衰減，傳遞到上蓋建筑樓板的振動主要以豎向為主；隨著樓層的增高，豎向振動呈現先增大后減小的變化。鄒超等[13]對廣州地鐵車輛段進行振動測試，發現頻率高于50 Hz的振動衰減相對較快，傳遞到建筑物中的振動主要以10 Hz～50 Hz的中低頻振動為主。馮青松等[14]對車輛段試車線、咽喉區和檢修區的振動特性進行分析，發現試車線引起地面振動的主要頻率為60 Hz～80 Hz，咽喉區振動的主要頻率為50 Hz，而檢修區地面振動的主要頻率為20 Hz～40 Hz。何衛等[15]針對車輛段不同區域列車荷載進行實測，發現咽喉區與試車線在車速相差40 km/h 的情況下，產生的振動量值較為接近，運用庫列車產生的振動影響小于其他兩個區域，可認為相較于車速，列車荷載的振動量值對線路的平順度更為敏感。

目前，地鐵車輛段內各區域振動研究成果仍有待豐富，同時研究內容較少針對不同區域列車運行引起同一上蓋建筑內振動的傳播規律差異分析。本文基于深圳某地鐵車輛段現場實測，針對車輛段試車線與咽喉區并行的特點，測試了咽喉區及不同車速下試車線運行時地面的振動特性以及經由剪力墻傳播到上蓋高層建筑的振動變化，分析了不同振源激勵引起的振動對周圍土層及上蓋建筑的影響，并根據國內現行規范對環境振動進行評價，結果可為日后車輛段各區域和上蓋物業的振動控制提供參考。

1 試驗方案

1.1 測試對象

測試車輛段位于深圳地區，車輛段表層地基土為人工填土，剪切波速為163.16 m/s，基礎采用鉆孔灌注樁加固。測試建筑為一棟28 層高的鋼筋混凝土剪力墻結構住宅，以地面為基準面，頂層標高為97.6 m，如圖1至圖2所示。建筑位于試車線與咽喉區之間，可受到兩種振源激勵的影響。試車線和咽喉區均為有砟道床，運行的地鐵列車為6 節編組的空載A 型列車。咽喉區有3 條線路，列車行駛速度約為15 km/h～20 km/h，離建筑物最近的線路1軌道中心線至剪力墻距離為19.3 m；試車線的行駛速度為20 km/h和60 km/h，軌道中心線距剪力墻28.1 m。

圖1 上蓋建筑與軌道的空間關系示意圖

圖2 上蓋28層建筑實景圖

1.2 測點布置及數據處理

本次試驗共布置7個測點，分別位于地面層、車輛段9 m蓋板、上蓋平臺層/1層、4層、8層、16層及屋頂層靠近剪力墻的樓板上，記錄列車運行引起的地面及上蓋建筑鉛垂向振動加速度。采用已校準過的JM3873 無線振動采集系統對信號數據進行采集和記錄，采樣頻率設為512 Hz。采樣持續時間4小時，共收集試車線10 趟列車數據，咽喉區10 趟列車數據。

根據《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》（JGJ/T170－2009），計算得到不同車次對應的1/3 倍頻程中心頻率振動加速度有效值arms,i，利用式（1）計算獲得1/3倍頻程中心頻率fi處振動加速度級La,i（dB）：

式中：a0為基準加速度，a0=1×10-6m/s2

2 試驗結果與分析

2.1 地面振動規律

分別選取了一組典型的試車線不同車速工況下地面測點實測所得的豎向振動加速度時程圖及1/3倍頻程圖如圖3和圖4所示。如圖3所示，當車速較快時，列車振動產生的波峰較為集中，持續時間相對較短，對其產生明顯波峰的相應時間段內的加速度值進行均方根計算，得到20 km/h車速工況下試車線地面振動加速度有效值為0.001 2 m/s2，速度提至60 km/h后，有效值隨之增大到0.002 5 m/s2。

圖3 試車線地面測點振動加速度時程圖

如圖4 所示，試車線地面豎向振動整體頻帶分布較廣，優勢頻段集中在50 Hz～160 Hz。在車速為20 km/h時，4 Hz～8 Hz低頻段振級大小及分布與背景振動較為接近，隨著頻率增大，分頻振級逐漸增加，整體變化趨勢和速度為60 km/h時相對一致。試驗中測得試車線列車運行速度為60 km/h時，加速度級峰值達到64.9 dB，對應頻率為160 Hz；以20 km/h車速運行所致振動加速度級最大值為58.0 dB，出現在80 Hz處。

圖4 試車線地面測點振動加速度頻域圖

圖5 和圖6 分別給出了咽喉區不同股道列車運行所致的地面振動加速度時程圖及1/3 倍頻程圖。如圖5 所示，列車運行引起的加速度隨著與振源距離增大而衰減。對試驗數據采取上述相同的均方根處理，計算所得距離剪力墻最近的線路1 列車引起地面振動加速度有效值為0.001 5 m/s2，線路2 和距離最遠的線路3 的有效值分別為0.001 3 m/s2和0.000 7 m/s2，三者的時程圖波形具有相似性，但大小存在相應差異。如圖6 所示，咽喉區地面豎向振動優勢頻帶范圍為25 Hz～160 Hz，與試車線類似，列車所致高頻段振動較為顯著，不同股道行車振級隨頻率變化規律較為接近。咽喉區列車在線路1、線路2 和線路3 運行時，振動加速度級峰值均出現在40 Hz 處，峰值分別為58.0 dB、57.3 dB 和52.1 dB；在4 Hz～20 Hz 范圍內，線路1、3 加速度級數值相近，且略大于線路2，表明在低頻段內豎向振動受軌道平順度的影響可能大于振源距離的影響。

圖5 咽喉區地面測點振動加速度時程圖

圖6 咽喉區地面測點振動加速度頻域圖

2.2 場地土-建筑物耦合損失

列車運行產生的振動經由軌道基礎傳至周圍土體，再通過剪力墻傳遞到上蓋平臺和上蓋建筑物。在傳遞過程中，場地土和建筑物耦合作用會產生一定的能量損失，這種耦合損耗會對振動能量的傳播規律產生一定影響，導致不同頻率上振動能量的放大或衰減。通過將上蓋平臺和地面測點所測振動加速度級相減，得到上蓋平臺與地面測點的加速度級差值。差值為正時，說明振動出現放大，反之則為振動衰減。圖7是試車線和咽喉區列車運行所致振動產生的場地土-建筑物耦合損失。

圖7 場地土-建筑物耦合損失

分析咽喉區及20 km/h、60 km/h 速度工況下試車線作為振源激勵所引起的振動從場地土傳播到上蓋平臺的變化規律，可以看出25 Hz 以下頻率的振動基本保持不變。25 Hz～50 Hz頻段振動有一定放大，3 種激勵下產生的耦合損失均大于0。63 Hz 以上頻段在傳遞過程中有能量損耗，且咽喉區激勵所致振動衰減速度較快且幅度大于試車線。

咽喉區的振動放大峰值出現在31.5 Hz處，峰值為2.66 dB；160 Hz 的振動最大衰減量為26.26 dB。試車線20 km/h和60 km/h車速工況下引起的耦合損失曲線基本相同，與咽喉區情況類似，31.5 Hz 的振動在傳遞過程中分別放大了4.97 dB 和6.67 dB，在160 Hz 處存在最大衰減，為16.2 dB，與咽喉區相比衰減幅度減小了10 dB左右。

綜合來看，在中低頻段，不同車速工況下耦合損失曲線的走向基本一致，場地土與建筑物呈現整體振動特點，表現出土體的低通濾波特性；由于基礎質量與慣性的影響，振動從場地土傳播至上蓋建筑的過程主要體現為高頻分量的衰減，而產生放大或衰減的頻率分界點與車速關聯不大。

2.3 振動在上蓋建筑中傳播規律

為了比較上蓋建筑各樓層的振動加速度級分布情況，圖10 給出了車輛段9 m 蓋板、平臺層/1 層、4層、8層、16層及頂層的振動加速度級。如圖8所示，試車線與咽喉區列車運行引起的振動頻譜有較大的差異，兩者的振動峰值分別出現在63 Hz～80 Hz 和31.5 Hz～40 Hz，與振源的頻譜特性密切相關。試車線上20 km/h 運行的列車與咽喉區上列車運行速度相差不大，但咽喉區列車所致最大分頻振動加速度級整體大于車速為20 km/h試車線列車，差值在6 dB以內。試車線列車在不同速度工況下產生的振動頻譜在建筑內基本一致，車速為60 km/h列車運行所致振動峰值比車速為20 km/h 列車運行所致振動峰值高出約3 dB～5 dB，不同樓層有一定的差異。

圖8 上蓋建筑振動加速度級

圖9為不同區域地鐵列車激勵引起的分頻振動加速度級隨樓層的變化。可以發現，振動并不單純隨樓層增高而增大，4 Hz～16 Hz頻帶的振動隨著層高的增加有放大趨勢，約每4 層增大1 dB。造成這一現象的原因是低頻振動波長較長，傳播到建筑物頂層的振動周期較少，而入射的振動波與樓頂的自由端反射的振動波疊加，造成樓層越高，低頻振動更大。在20 Hz 至振動峰值所在頻率，各樓層的加速度級變化幅度不大，具有較好的一致性。在峰值頻率以上高頻區段，由于振動周期較多，受到材料阻尼的作用能量衰減較多，加速度級衰減幅度明顯加快。

圖9 不同激勵引起的分頻振動加速度級隨樓層的變化

總體看來，列車車速、不同振動荷載特性、振源中心與測點距離、上蓋建筑固有頻率都影響著振動在上蓋建筑中的傳播。傳播規律不僅僅表現為簡單的加速度級線性增大或減小，而是在不同頻段有不同的特性；但結構整體的主要表現以中高頻振動為主，咽喉區作為激勵時，所產生振動的頻率分布集中于31.5 Hz～50 Hz，試車線則集中在較高的50 Hz～100 Hz。

3 振動影響評估

根據《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》（JGJ/T 170－2009）規定，將測量所得的鉛垂向振動加速度按規定的1/3倍頻程中心頻率進行計權處理，修正后得到各中心頻率的振動加速度級，采用其最大振動加速度級為評價量。

修正后蓋下不同區域列車激勵引起的各樓層振動最大分頻振級如表1所示。本次試驗車輛段位于住宅區，其晝間建筑物室內振動限值為65 dB，夜間限值為62 dB。

由表1 可知，咽喉區車輛運行引起的加權分頻振級相對較大，在4層出現最大振級，達49.11 dB；試車線列車激勵下Z振級隨著層高的增加而減小，但在頂層處有所放大，所有測點所得振級均未超過規范限值要求，并且最大值與夜間規范仍有12.89 dB的差值，能夠滿足住宅區內人們的舒適度要求。

表1 各樓層不同區域列車激勵下最大計權分頻振級/dB

4 結語

對深圳某車輛段及上蓋建筑進行了現場測試，研究了咽喉區和試車線列車振源在周圍土層及上蓋建筑物中的傳播規律，對比了不同激勵下的振動特性差異，并對其進行環境影響評估。主要結論如下：

（1）蓋下不同區域地鐵列車激勵引起同一建筑物的振動峰值所在頻率不同，試車線與咽喉區列車運行引起的振動峰值分別出現在63 Hz～80 Hz 和31.5 Hz～40 Hz，與振源的頻譜特性密切相關。

（2）場地土與上蓋建筑物的耦合振動特性與振動頻率相關，在4 Hz～25 Hz較低頻段表現出整體振動特性，在25 Hz～50 Hz 的中部頻率出現一定程度的放大，在63 Hz以上的中高頻段中存在耦合損失。

（3）地鐵列車所致振動在上蓋建筑物中的傳播主要表現為31.5 Hz～80 Hz 的中頻振動，傳播規律在不同頻率段有不同的特性。在較低頻段內，振動的傳播表現出隨著樓層的增高而增大的規律。而在各激勵振源引起的振動主要頻率范圍內，則變為隨著層高增加振動加速度級先減小再增大。

（4）所測試車輛段、咽喉區和試車線列車運行產生的振動均滿足《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》中相應限值要求。