地鐵運行引起的環境振動變化規律及其主要成因分析

蘇立勇，鄔玉斌，滕忻利，曾欽娥，劉 巍，宋瑞祥

(1.北京城市快軌建設管理有限公司,北京 100028; 2.北京市科學技術研究院城市安全與環境科學研究所,北京 100054;3.北京市市政工程設計研究總院有限公司,北京 100082)

引言

伴隨著地鐵建設的迅速發展,線網不斷加密,越來越多的線路不可避免地近距離穿越城市中心區域,而地鐵運行所帶來的振動污染問題也逐漸凸顯,對周圍居民的生活、工作產生不可忽視的影響,關于地鐵振動引起的投訴也日益增多。為減少地鐵運行引起的鄰近建筑物室內振動問題,建設單位和設計單位在工程建設階段根據振動控制需求采取相應等級的振動控制措施,運營單位在運營階段根據振動超標量采取相應的控制措施減小振動的影響[1-2]。

影響地鐵環境振動的影響因素較多,包括車輛參數、軌道參數、傳播路徑等。目前,對于地鐵振動影響控制更多的集中于減小由輪軌相互作用引起的振動向下部基礎及周圍建筑物傳遞,包括減振軌道[3-4]、傳播路徑隔振[5]及建筑物被動隔振[6],其中,軌道減振措施作為最直接有效的方法在實際工程中更是被廣泛應用[7-9],如減振扣件[10]、鋼彈簧浮置板軌道[11]、梯形軌枕等。車輛作為地鐵運行振源的產生主體[12],其對環境振動值的影響也不可忽略。當車輪狀態發生變化時,改變了車輪與軌道的相互作用關系,文獻[13]明確了車輪多邊形會對輪軌力產生影響;文獻[14-15]表明車輪不圓順幅值的增大和階數的提高均會增大輪軌垂向作用力。然而,輪軌作用力的變化會進一步影響輸入至軌道及其下部基礎的振動能量,從而也會影響環境振動值。因此,對于地鐵引起的環境振動控制,除考慮減少振動向鋼軌下部基礎的傳遞,還應從車輛狀態對環境振動值的影響出發,考慮減少鋼軌能量輸入來控制地鐵引起的環境振動。

本文采用現場實測法,對不同列車通過時地表及隧道壁的垂向振動特性進行分析,對比分析不同車次、不同斷面的源強振動結果,分析地鐵運行引起的環境振動變化規律,探究地鐵車輛狀態對地表振動水平的影響,并對比分析車輪鏇修前后的地表振動,為地鐵振動控制提供參考。

1 線路概況及測點布置

1.1 線路概況

選取北京地鐵某線路具有代表性的3個斷面進行測試,各測試斷面的參數如表1所示。該線路列車采用8節編組A型車,線路區間為盾構隧道,軌道均采用彈性長枕。

表1 各測試斷面參數Tab.1 Parameters of all measurement sections

1.2 測點布置

為分析列車運行引起的振動變化規律及成因,分別對隧道壁和鄰近建筑地表的振動展開現場測試。分別在3個斷面的隧道壁安裝測點,測點布置位置如圖1(a)所示,垂向距軌面距離為1.9 m,所采用的加速度計型號為LC0130T,適用頻率范圍為0.5～1 000 Hz。由于振動由隧道壁傳遞至地表,振級變化主要受傳播路徑上巖土參數的影響,僅選擇其中一斷面(斷面3)鄰近建筑物的地表振動分析,所選擇的建筑物距線路中心線最近距離為27.7 m,根據GB10070—1988《城市區域環境振動標準》,測試傳感器安裝于建筑物室外0.5 m以內,采用的加速度傳感器型號為B&K8344,靈敏度為2 500 mV/g,適用頻率范圍為0.2 Hz～3 kHz,地表測點位置如圖1(b)所示。測試過程中采用最高采樣頻率51.2 kHz、24位高精度的INV 3062T型數據采集儀,采樣頻率為2 048 Hz。

圖1 現場測點位置布置(單位:m)Fig.1 Layout of on-site measurement points(unit:m)

2 結果分析

2.1 振動數據分析方法

文中列車運行產生的振動主要面向鄰近建筑物內人體舒適度,因此采用鉛錘向計權加速度級作為分析指標,即Z振級,它主要反映1～80 Hz范圍內的振動能量對人體的影響。Z振級計算公式如下

VLz=10lg(∑100.1×(VLi+Δi))

(1)

式中,VLi為第i個1/3倍頻程中心頻帶的加速度級,計算公式為VLi=20lg(arms/a0);arms為第i個頻段范圍的加速度有效值;a0為加速度基準值,取1×10-6m/s2;Δi為相應中心頻率處的Z計權因子。

根據加速度時程數據,采用一定的時間積分間隔可獲得列車通過時隨時間變化的Z振級,本文采用的時間積分間隔為1 s,通過統計列車通過時間段內所測得的Z振級最大值,即可獲得最大Z振級。

2.2 鄰近建筑地表振動特性分析

首先,對斷面3對應的鄰近建筑地表兩個測點連續20趟列車通過的最大Z振級進行分析,結果如圖2所示。

圖2 地表測點最大Z振級Fig.2 VLZmax of ground measurement point

由圖2可以看出,20趟列車通過時地表2個測點的振動值均表現出一定的離散性,測點1的最大值為72.8 dB,最小值為58.2 dB,最大值與最小值的差異為14.6 dB,離散程度大,平均值為69.4 dB。雖然平均值滿足標準GB10070—1988規定的“居民、文教區”晝間限值(70 dB),但仍有10趟車的振級超過了70 dB,在所采集的20趟車中占比達到了50%,類似地,測點2的占比為30%。

進一步對1 d內不同車次通過時地表測點的最大Z振級進行統計分析,結果如圖3所示。

圖3 不同車次地表測點最大Z振級Fig.3 VLZmax of ground point with different trains’ pass-by

由圖3可以看出,地表測點的振級隨列車編號變化差異顯著,部分列車通過時引起的振級明顯較大,如M7、M8、M9、M14車次1 d內運行產生的振級最大值分別為80.5,81.7,74.6,76.5 dB,對應車次的最小值分別為76.8,76.8,71.9,73.5 dB,其余各次車輛的最大值在60～70 dB范圍內變化,各次車通過時最大值與最小值的差值在1.6～11.8 dB。

綜上所述,單一的以20趟車的平均值為評價指標判斷地鐵運行引起的地表振動是否滿足標準規范要求會存在一定誤差,需綜合分析不同車次引起的振動水平,以判斷是否有車輛出現顯著異常狀態,從而導致地表的振動水平超標,方可采取有效的振動控制措施,而不是單一的分析軌道狀態及其減振措施對地表環境振動的影響。

2.3 隧道內源強振動特性及影響因素分析

由于輪軌相互作用引起的振動經過長距離傳播至地表,受土體等傳播介質的衰減影響,同時地表振動信號受周圍環境的影響,導致所采集的地表振動加速度信號難以有效反映車輛和軌道狀態信息。當傳播路徑一致時,地表振動水平隨源強的大小而變化。為分析車輛狀態和軌道狀態對環境振動的影響,首先對1 d內不同列車通過引起的隧道壁振動水平進行分析,圖4為1 d內不同列車通過斷面1時隧道壁的最大Z振級。

圖4 不同列車通過時斷面1隧道壁的最大Z振級Fig.4 VLZmax of tunnel wall points at section1 with different trains’ pass-by

由圖4可以看出,不同列車通過時隧道壁振級水平差異顯著,在72.3～94.5 dB范圍內波動,最大值與最小值的差異為22.1 dB,標準差為7.1 dB,離散程度較大。由于短時間內軌道表面狀態尚未發生顯著變化,因此,可認為振級差異的變化主要受車輛狀態影響,如車輛載重、車輪狀態、車輛運行速度波動等。

通過對同一天不同車次振級水平變化規律分析發現,所采集的120趟列車中,有部分列車通過時隧道壁振級顯著增大,以隧道壁右側測點為例,其中80趟列車通過引起的隧道壁振級分布在72.3～85 dB內,變化范圍為12.7 dB,平均值為77.6 dB,標準差為3.8 dB;而剩余40趟列車通過時隧道壁振級分布在85.1～94.5 dB,變化范圍為9.4 dB,平均值為90.6 dB,標準差為2.7 dB,相比另外80趟列車,引起的振動水平平均增大了13.0 dB,已經超過了中等減振措施的控制效果[1]。同時,這40趟列車的分布表現出明顯的周期性,由于地鐵線路每天投入運營車輛的編號及順序是固定的,可推斷出引起該斷面隧道壁振級顯著增大的原因主要為其中的5輛列車存在異常狀態。

為分析線路及軌道變化對隧道壁振動的影響,分別從振級較大的40趟車(以下簡稱“異常車輛”)及振級較小的80趟(以下簡稱“普通車輛”)中選取2輛車,對這4輛車通過3個斷面時隧道壁振級進行統計分析,結果分別如圖5、圖6所示。3個斷面測試日期分布在一周內,測試期間所選擇車輛的車輪未進行鏇修,鋼軌未進行打磨。

圖5 “異常車輛”不同斷面隧道壁最大Z振級Fig.5 VLZmax of tunnel wall points in different sections induced by ‘abnormal vehicles’

圖6 “普通車輛”不同斷面隧道壁最大Z振級Fig.6 VLZmax of tunnel wall points in different sections induced by ‘normal vehicles’

由圖5、圖6中可以看出,同一車次連續2 d通過同一斷面的振動值基本保持穩定,如圖5(a)所示,異常車輛A1連續2 d通過斷面1的振級差異僅為1.2 dB,通過斷面2的差異僅為0.4 dB,其他車輛的振級分布情況類似。由此表明,所采集的正常車輛和異常車輛的振動數據是可靠的,短時間內車輪和軌道狀態尚未發生明顯變化,其振動水平的微小差異主要來源于車輛載重、車速微小波動等因素。對比圖5、圖6同一列車通過不同斷面的振級值可以發現,不同斷面的振級差異顯著,通過斷面1的振級明顯大于斷面2和斷面3,斷面2與斷面3的振級變化無明顯規律,差異較小。

進一步對比圖5和圖6中“異常車輛”和“普通車輛”通過不同斷面振級水平的差值可以發現,異常車輛引起的不同斷面振級差更為顯著。對比斷面1和斷面2的振動水平,異常車輛A1通過斷面1的振級水平比斷面2大10.7 dB,異常車輛A2通過兩斷面的振級差為10.4 dB,而普通車輛A3為7.1 dB,明顯減小,普通車輛A4僅為5 dB,僅為異常車輛的1/2。雖然斷面1和斷面2的速度存在差異,但根據振級的速度修正公式20lg(V/V0)[16],斷面1和斷面2對應速度引起的振級變化在2 dB以內,遠小于上述“異常車輛”引起的2個斷面的振級差,表明速度變化并不是影響2個斷面振級變化的主要因素。對比斷面2與斷面3的振動水平,異常車輛A1、A2通過斷面3的振動水平明顯大于斷面2,平均大4.2 dB,而普通車輛A3和A4通過斷面2和斷面3的振動水平則無明顯規律,平均差異在2 dB以內。

不同斷面的軌道狀態、線路形式存在差異,由表1可知,3個斷面的軌道形式均為彈性長枕,線路形式均為直線,雖然列車通過不同斷面時,列車載客量發生變化,但文獻研究表明,列車載客量的變化對振動源強的影響并不顯著[17],且本文上述同一天不同時間列車通過時的振級標準差遠小于不同斷面的振級差。因此,對于同一列車而言,不同斷面隧道的振級差異主要來源于軌道狀態,包括鋼軌表面狀態及鋼軌下部基礎狀態。同時,“異常車輛”“普通車輛”通過不同斷面的振級差呈現非線性變化,表明列車運行引起的環境振動水平,還與車輛-軌道的相互作用關系有關,“異常車輛”與軌道之間的相互作用關系與“普通車輛”與軌道的相互作用關系存在差異,導致不同車輛通過不同斷面時的振級差變化顯著。

2.4 車輪鏇修前后振動特性分析

為改善該地鐵運行引起的地面鄰近建筑物振動超標問題,地鐵運營公司對前述所分析的“異常車輛”進行車輪鏇修,其中M14車次鏇修前后列車各車輪的徑跳值如圖7所示。徑跳值即車輪最大半徑與最小半徑的差值[18],可直接反映車輪不圓順情況,鐵路維修標準規定[19],當車輪的徑跳值達到0.5 mm便需要進行維修。從圖7中可以看出,鏇修前多數車輪呈現了不圓特征,64個車輪中有34個車輪的徑跳值超過了0.5 mm,占比達到了53.1%,約22%的車輪徑跳值超過1.0 mm,其中在Mp2-1車輪徑跳值最大,達到1.6 mm。鏇修后的各車輪的徑跳值均在0.2 mm以下,平均徑跳值為0.06 mm。

圖7 M14車次不同車輪鏇修前后的徑跳值Fig.7 Radial run-out amplitude of M14’s different wheels before and after wheel re-profiled

典型“異常車輛”車輪鏇修前后地表的振動加速度時程曲線如圖8所示,3輛典型“異常車輛”進行車輪鏇修前后的地表的最大Z振級對比結果如圖9所示。

圖8 鏇修前后建筑物附近地表測點垂向加速度時程曲線Fig.8 Time history curve of vertical acceleration of ground point close to building before and after wheel re-profiled

圖9 鏇修前后建筑物附近地表測點最大Z振級Fig.9 VLZmax of ground point close to building before and after wheel re-profiled

由圖8可以看出,鏇修前后,地表鄰近建筑物測點的振動加速度幅值存在明顯差異,鏇修后的地表垂向加速度明顯減小,加速度峰值由0.183 m/s2降低至0.025 m/s2,有效值由0.039 m/s2降低至0.0053 m/s2。由圖9可以看出,鏇修后的列車M8通過產生的振級最大值降低了20.9 dB,車次M9和M14分別降低了10.2和12.8 dB。表明車輪狀態不圓順是引起隧道壁和地表振動異常增大的重要因素之一,對“異常車輛”的車輪進行鏇修可有效改善地鐵運行引起的地表振動問題。

對車次M8鏇修前后地表測點加速度進行頻譜分析,結果如圖10所示。

圖10 車輪鏇修前后地表測點的加速度1/3倍頻程曲線Fig.10 1/3 octave spectrum of acceleration of ground point before and after wheel re-profiled

由圖10可以看出,鏇修前后該測點的Z振級頻率分布特征基本一致,但車輪鏇修后,中心頻率為40～80 Hz頻段范圍內的分頻Z振級明顯降低,最大降低了約21.8 dB,其余頻段Z振級降低了14.7～17.9 dB。在1～20 Hz范圍及160～200 Hz,車輪鏇修后振動加速度值變化相對較小,1～20 Hz范圍內各頻帶平均降低約3.5 dB,160～200 Hz范圍內各頻帶平均降低約7 dB。

3 結論

通過某地鐵不同列車通過時隧道壁及鄰近建筑地表的垂向振動加速度展開現場實測及統計分析,對比分析1 d內不同車次通過時隧道壁的振動值變化規律,分析地鐵鄰近建筑地表振動離散程度大的原因,探究了地鐵車輛狀態對地表振動水平的影響,得出以下主要結論。

(1)不同列車通過時地表測點的最大Z振級差異最大達到14.6 dB,雖然20趟列車引起的振級平均值滿足標準需求,但仍有30%～50%的振級超過了70 dB,應進一步綜合分析車輛變化引起的振動水平。

(2)隧道壁振級受運行車輛狀態影響顯著,同一天不同列車通過產生的振級差異最大達到22.1 dB,且振動值隨列車車次的變化規律具有明顯周期性,所采集的120趟列車中有40趟列車引起的振動顯著較大,隧道壁測點振級平均為90.6 dB,比其余車列車增大了12.9 dB,為當天運行車輛中的5輛車存在異常。

(3)同一列車通過不同斷面時,隧道壁測點的振級差異顯著,且“異常車輛”引起的兩個斷面振級差超過10 dB,而“普通車輛”引起的兩個斷面振級差為5～7 dB,說明振動水平不僅與軌道狀態有關,還與車輛-軌道相互作用關系有關。

(4)對引起隧道壁振動較大的“異常車輛”進行車輪鏇修后,有效改善了地表振動問題,典型“異常車輛”通過產生的地表振級最大值降低了20.9 dB,主要降低了50～80 Hz頻段范圍內的振動。