快速地下線振動源強特性實測分析

歐陽滔 劉慶杰 羅信偉 馮青松

收稿日期：2023-10-09

基金項目：國家自然科學基金項目（51868024）

文章編號：1005-0523（2024）03-0055-10

摘要：【目的】既有振動源強預測公式只適用于普速地鐵，無法適用于最高時速160 km快速地下線振動源強特性。【方法】對某沿海城市市域快線進行多個斷面的振動特性進行了現場實測，通過數據分析研究了車速、隧道埋深、曲線等因素對振動源強的影響。【結果】直（曲）線區段車速90～160 km/h，振動源強71～80 dB，隨著車速的增大振動源強也增大，速度每增加20 km/h振動源強增加3.72 dB；振動源強隨著隧道埋深的增加而減小，隧道埋深每增加10 m，振動源強會減小4.9 dB；相同情況下，曲線區段（曲線半徑1 850 m）的振動源強大于直線區段的振動源強，值為約7 dB。列車投入運營1 a后，由于輪軌狀態的惡化，振動源強出現增大，且不同列車之間的差異較大，選取某一斷面七個月份的監測數據分析得到，運營期穩定后振動源強較為穩定。【結論】快速地下線的振動源強受眾多因素影響：與列車速度呈線性正相關、隧道埋深呈線性負相關、曲線處的振動源強大于直線處的、輪軌惡化也會使振動源強增大。

關鍵詞：快速地下線；現場測試；振動源強；影響因素

中圖分類號：U225.4 文獻標志碼：A

本文引用格式：歐陽滔，劉慶杰，羅信偉，等. 快速地下線振動源強特性實測分析[J]. 華東交通大學學報，2024，41（3）：55-64.

Measured Characterisation of Vibration Source Strengths

for Express Underground Lines

Ouyang Tao1， Liu Qingjie1， Luo Xinwei2， Feng Qingsong1

（1. State Key Laboratory of Railway Infrastructure Performance Monitoring and Assurance， East China Jiaotong University，Nanchang 330013， China; 2. Guangzhou Metro Design & Research Institute Co.， Ltd.， Guangzhou 510010， China）

Abstract： 【Objectives】The existing prediction formula of vibration source intensity is only applicable to normal-speed subways， and cannot be applied to the vibration source intensity characteristics of fast underground lines with a maximum speed of 160 km/h. 【Method】The vibration characteristics of multiple sections of a coastal city urban expressway were measured on site. The influence of vehicle speed， tunnel buried depth， curve and other factors on the vibration source strength was studied through data analysis. 【Result】The vibration source intensity was between 71 dB and 80 dB at the speed of 90 km/h to 160 km/h in the straight （curve） line section. The vibration source intensity also increased with the increase of vehicle speed，and the vibration source intensity increased by 3.72 dB for every 20 km/h increase in speed. The vibration source intensity decreases with the increase of the buried depth of the tunnel. For every 10 m increase in the buried depth of the tunnel， the vibration source intensity decreases by 4.9 dB. In the same case， the vibration source intensity of the curve section （curve radius 1 850 m） is stronger than that of the straight section， and the value is about 7 dB. One year after the train was put into operation， due to the deterioration of the wheel-rail state， the vibration source intensity increased， and the difference between different trains was large. The monitoring data of seven months of a certain section were selected and analyzed. The vibration source intensity was relatively stable after the operation period was stable. 【Conclusion】 The vibration source intensity of the fast underground line is affected by many factors： it is linearly positively correlated with the train speed， the tunnel depth is linearly negatively correlated， the vibration source at the curve is stronger than that at the straight line， and the wheel-rail deterioration will also increase the vibration source intensity.

Key words：? express underground line; field measurements; vibration source strength; influencing factor

Citation format： OUYANG T， LIU Q J， LUO X W. Measured characterisation of vibration source strengths for express underground lines[J]. Journal of East China Jiaotong University， 2024， 41（3）： 55-64.

【研究意義】軌道交通以其運量大、速度快、污染小和安全可靠等特點，成為解決城市通勤問題的重要手段。目前，城市軌道交通線路多以地下線為主，由此產生了環境振動問題，影響著周邊居民生活、干擾精密儀器使用。國際上已經把振動列為七大環境公害之一[1]。近年來，為了滿足市域通勤的需求，城際鐵路得到快速發展。北京、成都、廣州的市域鐵路都達到了160 km/h的時速。市域鐵路以較高的速度在市區穿行，其誘發的環境振動問題引起了人民的關注。振動源強是振動環境預測和影響評價的基礎，因此對于快速軌道交通線路振動源強的研究非常重要。

【研究進展】國內外的許多專家學者在這方面做了諸多探索。辜小安等[2]對我國北京、上海、廣州的部分地鐵線路做了大量實測，研究了我國地鐵振動振源特性及對環境的影響程度，并給出了不同減振措施的效果分析。何衛等[3]通過對寧波地鐵隧道內的試車試驗，分析了扣件類型和列車運行速度等因素對振動源強特性的影響，并得到寧波地鐵的振動源強為70.41 dB。張凌等[4]通過對南昌地鐵1號線隧道內約200趟列車的振動響應，從統計角度分析了不同車次列車運行對時域和頻域的影響，得到南昌地鐵的實測振動源強值為76.66 dB。李明航等[5]通過對某地鐵線路的同一區間內兩個斷面進行現場實測，得到振動源強呈現與列車編組相關的周期性且早晚高峰時段振動源強沒有顯著增大。Ma等[6]通過對某地地鐵進行了為期一年的5次監測測試，隧道振動響應隨列車運營里程的增加而增加，鋼軌打磨后振動響應的最大值和平均值分別降低了8 dB和5 dB。《環境影響評價技術導則：城市軌道交通》（HJ 453—2018）規定的源強測點位置為道床上部近軌外側0.5～1.0 m處。董志勇等[7]提出振動源強類比監測測點位置由道床上部近軌外側0.5～1.0 m處調整為隧道壁高于軌頂面1.25±0.25 m處。Huang等[8-11]的研究表明，曲線軌道沿線的水平和垂直振動均大于直線軌道上列車運行引起的相應振動。Zhang等[12]分析了隨路況變化的車輛振動信號變化規律，如曲線、斜率等。分析結果表明，車輛振動不僅受車輛自身結構和軌道鋪設的地質條件的影響，而且與線路條件密切相關。楊忠平等[13]在已運營地鐵線路不同地質條件的區間隧道和地面布置監測點位，得到振動源強和振動影響實測值，進行對比分析得出振動源強主頻集中在63 Hz附近，振動影響水平距離衰減區別不大。賀利工等[14]現場實測了某地鐵車輛段運用了庫道床、柱子和蓋板的振動加速度，分析了其振源特性及其傳遞衰減規律。

【創新特色】目前我國的環境振動模型是基于傳統普速地鐵的實測數據開發的，無法滿足快速地下線振動預測評估的需求。此外，快速地下線的車輛類型、軌道結構形式、隧道斷面尺寸等均與普速地鐵有較大差異，因此對其振動源強特性展開研究是非常必要的。【關鍵問題】現場測試是振動源強的主要獲取手段。而針對快速地下線的振動測試數據則較少。課題組以某最高160 km/h的市域快線為研究對象，開展了大量的現場測試工作，測試工況涵蓋了不同的速度、曲線半徑、埋深和地質條件，本文對這些實測數據進行了深入的分析，揭示了快速地下線的振動源強特征和影響因素。對未來高速地下線的減振降噪聲級具有一定的參考價值。

1 測點布置與典型數據分析

本次選擇國內某城市開通的市域鐵路進行現場測試，選取了9個非減振斷面進行軌道交通振動源強現場測試。通過對實測數據分析，研究地鐵運行時軌道振動的時、頻域特征分析影響振動源強的幾個關鍵因素，為以后中國的快速地下線軌道的減振措施的發展提供依據和參考。

1.1 測試斷面的選取及測點的布置

本次試驗測試共計9個普通整體道床斷面。2#斷面與6#斷面為同一斷面，2#斷面測試時間為線路正式開通前、6#斷面測試時間為線路正式開通后十個。具體工況等參數對比見表1。其中R為隧道的曲線半徑；D為隧道埋深；V為列車的運營速度。

隧道內測點布置圖如圖1所示，每個斷面設3個測點，分別位于鋼軌垂向（測點1），道床垂向（測點2）和隧道壁垂向（測點3），測點3位于比軌面高1.25 m處的隧道壁。

1.2 測試儀器

測試采用的數據采集儀包括：NI CRIO-9031數據采集儀，其用于隧道內軌道結構的振動噪聲源強測試，并采用觸發采樣進行監測。采用的振動傳感器包括PCB-352加速度傳感器、PCB-393振動加速度傳感器。

鋼軌垂向振動加速度測試，采用PCB-352C04加速度傳感器；靈敏度系數約為10 mV/g，頻響范圍0.5～10 000 Hz，測試范圍±500 g。

道床及隧道壁振動加速度測試采用PCB-393B04加速度傳感器，靈敏度為1 000 mV/g，頻響范圍為0.06～450 Hz，測試范圍±5 g。

1.3 典型數據分析

選取2#斷面列車經過時速度為157 km/h趟次測試數據進行數據分析。

圖2展示了速度為157 km/h的列車經過該斷面時鋼軌、道床和隧道壁的垂向加速度時程曲線。

由圖可知鋼軌垂向振動加速度峰值為197.55 m/s2，有效值為91.17 m/s2；道床垂向振動加速度峰值為3.16 m/s2，有效值為0.60 m/s2；隧道壁垂向振動加速度峰值為0.280 m/s2，有效值為0.011 m/s2。由數據易知，振動在鋼軌-道床-隧道壁這樣的傳遞路徑中在不斷衰減。

對加速度時程數據進行頻譜分析，并轉化為以振動加速度級作為縱坐標的1/3倍頻程譜，如圖3所示。由圖可以看出在1～200 Hz鋼軌垂向的振動加速度級VLY均在120 dB以上；道床垂向和隧道壁垂向振動加速度級在1～8 Hz整體呈下降趨勢，在8～63 Hz呈上升狀態，在63～200 Hz達到最大之后基本維持穩定。從圖上也能明顯看出振動加速度級從鋼軌垂向到道床垂向到隧道壁垂向是依次減小的。

2 振動源強的影響因素分析

根據《環境影響評價技術導則：城市軌道交通》（HJ 453—2018），地下線源強定義為軌頂面上方1.25±0.25 m處隧道壁的Z振級。

Z振級是按《Mechanical vibration and shock》（ISO 2631-1：1997）規定的全身振動Z計權因子修正后得到的振動加速度級，記為VLZ，dB。

[VLZ=10lgi=12010（La，i-Wi）/10] （1）

式中：[La，i]是第[i]個中心頻率上所測得的振動加速度級，dB；[Wi]是該頻率上Z方向的計權因子，dB。

2.1 車速對振動源強的影響

為研究速度對于振動源強的影響，排除其他因素的干擾，故選取通過列車速度差異較大的1#斷面，列車速度為94～155 km/h。其一天中通過列車的速度與振動源強的關系如圖4所示。

從圖中可以看出隨著速度的增加振動源強也隨之增加，但在速度超過125 km/h后呈現下降趨勢，并在133 km/h之后繼續增大。選取圖中4個關鍵點數據進行分析。

如表2所示，4個關鍵點速度從94.34 km/h提升到155.21 km/h，鋼軌垂向Z振級也逐步提升。總體看來就振動源強而言，速度越快，振動源強越大，但在125～133 km/h區段，隧道壁Z振級基本沒有增加。

如圖5所示為4個不同速度關鍵點的隧道壁振動加速度級三分之一倍頻圖。可以看出，隧道壁的振動能量主要集中在50 Hz附近，受列車簧下質量與軌道共振頻率影響。對于50 Hz附近的振動隨著車速的增加而逐漸增加，而1.25 Hz的振動125～133 km/h的幅值要小于其他車速。其可能的原因是，快速線的施工標準高，在某些波長的不平順控制較好引起的。

2.2 地質和埋深的影響

為研究地質對振動源強的影響，選取3個不同地質且均處于直線、埋深在25 m左右的斷面進行對比分析（見圖6）。

如圖6所示，能明顯看出在速度相同的情況下，中粗砂斷面的振動源強最小，混合花崗巖斷面的振動源強介于強風化泥質粉砂巖和中粗砂斷面的振動源強之間。

為研究地質與振動源強之間的關系，分別選取以上3個斷面速度接近110 km/h的數據點進行分析。

如表3所示3種不同地質相同速度關鍵點的各測點Z振級。可以看出，強風化泥質粉砂巖斷面的道床垂向Z振級為75.10 dB，而隧道壁垂向Z振級為75.99 dB，出現了微放大的情況。中粗砂和混合花崗巖地質斷面的道床垂向Z振級到隧道壁垂向Z振級均減小了10 dB左右。

圖7為3種不同地質的隧道壁振級1/3倍頻程對比圖。可以看出在0～2.5 Hz以內中粗砂地質和混合花崗巖地質隧道壁振動加速度級低于地質為強風化泥質粉砂巖的隧道壁振動加速度級，在2.5～25 Hz之間3種地質的隧道壁振動加速度級的差值均能達到約15 dB。這是因為在這個頻段內中粗砂地質吸收能量能力大于混合花崗巖地質大于強風化泥質粉砂巖。在31.5～80 Hz內混合花崗巖地質的隧道壁振級明顯高于其他兩種地質的隧道壁振級。

為研究埋深對于振動源強的影響，選取埋深為25.5 m和埋深為42.6 m且均處于直線段、地質為混合花崗巖的兩個斷面進行對比分析（見圖8）。

由圖8及表4可知，4#斷面的平均速度比3#斷面的平均速度約小30 km/h。按照常理速度越大，振動越大，3#斷面的振動源強應該大于4#斷面的振動源強。但事實卻是4#斷面的振動源強比3#斷面的高約5 dB，這是因為3#斷面的埋深比6#斷面的埋深大，也說明了在相同情況下埋深越大，振動源強越小。為研究隧道埋深與振動源強之間的聯系，分別選取兩個斷面相同的速度的數據點進行分析。

如表5所示，隧道埋深25.5 m和42.6 m均選取了速度約110 km/h的兩個關鍵點，鋼軌垂向Z振級相差2.5 dB左右，埋深42.6 m的鋼軌垂向Z振級到道床/軌道板垂向Z振級衰減比埋深25.5 m的多約10 dB。總體看來，速度相同的情況下埋深42.6 m的振動源強小于埋深25.5 m的振動源強。

圖9為埋深25.5 m和42.6 m 2個斷面對隧道壁的1/3倍頻程對比圖。可以看出在3.15 Hz以內2個斷面隧道壁振動加速度級沒有明顯區別。在3.15～6.3 Hz埋深42.6 m的隧道壁振動加速度級明顯大于埋深25 m的隧道壁振動加速度級，這說埋深對振動源強在低頻內影響不大，在6.3～80 Hz間埋深大的隧道壁振動加速度級均比埋深小的隧道壁振動加速度級小5～10 dB。埋深25.5 m的隧道壁振動主頻在63 Hz，埋深42.6 m的隧道壁振動主頻在200 Hz。

綜上所述，2種不同埋深的工況在相同速度下，埋深42.6 m的振動源強比埋深25.5 m振動源強小8.3 dB左右。

2.3 直線與曲線

為研究直線與曲線對于振動源強的影響，選取直線區段和曲線區段（曲線半徑為1 850 m）且地質均為中粗砂、埋深在25 m左右的2個斷面做對比分析。圖10為這兩個斷面的振動源強對比圖從圖中可以看出，相同速度情況下，曲線段的振動源強大于直線段的振動源強。

從表6中可以看出，直、曲線兩斷面選取的兩個速度均為117 km/h的關鍵點，鋼軌垂向Z振級均在114 dB左右，直線段的鋼軌垂向到道床/軌道板垂向再到隧道壁垂向的Z振級衰減均比曲線段的大，在其他條件相同速度117 km/h左右時，曲線段隧道壁Z振級比直線段隧道壁高約7 dB。由此可以得到，在條件相同時曲線段的振動源強高于直線段的振動源強。

圖11為直、曲線段隧道壁垂向、橫向1/3倍頻程對比圖。從圖11（a）中可以看出垂向1/3倍頻在2.5 Hz以內直、曲線段隧道壁振動加速度級沒有明顯區別。在3.15 Hz后曲線段的隧道壁振動加速度級明顯大于直線段的隧道壁振動加速度級，在25～160 Hz間曲線段的隧道壁振動加速度級均比直線段的隧道壁振動加速度級大5 dB。從圖11（b）中可以看出隧道壁橫向1/3倍頻在4 Hz以內及63～200 Hz曲線和直線的振動加速度級差值能達到20 dB。由此可以看出在某些頻段內，曲線段對于橫向振動的影響大于垂向振動的影響。

綜上所述，直、曲線速度為95～140 km/h時，曲線的振動源強比直線的振動源強高約7 dB。

2.4 運營時間的影響

為研究開通運營對于振動源強的影響選取同一斷面線路正式開通運營前后振動源強對比分析，如圖12。從圖中可以看出線路開通后的振動源強呈明顯分層現象，這可能是由于不同編組的列車導致的，就線路開通后狀態最好的一列車編組而言，能看出線路開通后的斷面振動源強在速度V同等的情況下略大于線路開通前的斷面振動源強，這是由于開通運營一段時間后輪軌狀態發生變化，不同車輛的振動也產生了較大差異。

圖13為同一斷面在線路開通前后的隧道壁1/3倍頻程對比圖。從圖中可以看出在2.5 Hz之后在工況為線路開通后的隧道壁振動加速度級明顯大于工況為線路開通前的隧道壁振動加速度級，在3.15～25 Hz之間線路開通前后的隧道壁振動加速度級差值能達到25 dB左右。這也說明了線路正式開通前后由于荷載及鋼軌狀態原因，振動源強還是有所區別的。

在線路投入運營6個月后開始對某段面開展實時監測，段面每天通過的列車引起的振動如圖14，從圖中能看出振動源強均值隨運營時間T變化不大，基本維持在70～73 dB之間，這也說明了運營期穩定后振動源強與營運時間關聯較小。

3 結論

本文就快速地下線的振動源強選取9個普通整體道床斷面以現場實測的方法對數據進行處理分析得到車速，地質、埋深，直、曲線，運營時間等因素對振動源強的影響。得到以下結論：

1） 振動源強值隨著速度的增加而增加，但兩者不是簡單的線性關系；

2） 隨著埋深的增加振動源強減小，埋深每增加10 m，振動源強會減小4.9 dB；

3） 在車速，地質、埋深等相同的條件下曲線段的振動源強比直線段的振動源強平均高7 dB；

4） 線路正式開通運營一段時間后達到穩定期，振動源強基本維持在定值。

目前，振動源強的預測公式主要針對普速地下線，本文快速地下線的振動源強影響因素的分析對于今后快速地下線振動源強的預測公式完善有一定的指導作用。

參考文獻：

[1]?? 閆維明， 聶晗， 任珉， 等. 地鐵交通引起的環境振動的實測與分析[J]. 地震工程與工程振動， 2006， 26（4）： 187-191.

YAN W， NIE H， REN M， et al. In situ experment and analysis of environm ental vibration induced by urban subway transit[J]. Earthquake Engineering and Engineering Dynamics， 2006， 26（4）： 187-191.

[2]?? 辜小安， 任京芳， 劉揚， 等. 我國地鐵環境振動現狀及控制措施[J]. 鐵道勞動安全衛生與環保， 2003， 30（5）： 206-209.

GU X A， REN J F， LIU Y， et al. The status quo of environment vibration level and control measures of subway in China[J]. Railway Energy Saving & Environmental Protection & Occupational Safety and Health， 2003， 30（5）： 206-209.

[3]?? 何衛， 謝偉平， 劉立勝. 地鐵隧道列車振動特性試驗研究[J]. 華中科技大學學報（自然科學版）， 2016， 44（4）： 85-89.

HE W， XIE W P， LIU L S. Experimental investigation of vibrations induced by subway train loading in tunnel[J]. Journal of Huazhong University of Science and Technology （Natural Science Edition）， 2016， 44（4）： 85-89.

[4]?? 張凌， 雷曉燕， 劉全民， 等. 地鐵環境振動源強測試與評價標準分析[J]. 振動. 測試與診斷， 2020， 40（1）： 89-94.

ZHANG L， LEI X Y， LIU Q M， et al. Measurement and evaluation of environmental vibration source strength of the subway[J]. Journal of Vibration， Measurement & Diagnosis， 2020， 40（1）： 89-94.

[5]?? 李明航， 馬蒙， 劉維寧， 等. 地鐵列車振動源強離散機理測試分析[J]. 振動. 測試與診斷， 2020， 40（4）： 738-744.

LI M H， MA M， LIU W N， et al.Analysis mechanism of vibration source dispersion induced by metro trains througn insitu test[J]. Journal of Vibration， Measurement & Diagnosis， 2020， 40（4）： 738-744.

[6]?? MA M， LI M， QU X， et al. Effect of passing metro trains on uncertainty of vibration source intensity： Monitoring tests[J]. Measurement， 2022， 193： 110992.

[7]?? 董志勇， 盧力， 劉鵬輝， 等. 城市軌道交通環評導則修訂前后地下線振動預測分析[J]. 環境影響評價， 2019， 41（4）： 50-54.

DONG Z Y， LU L， LIU P H， et al. Comparison and analysis of underground line vibration prediction before and after revision of technical guidelines for environmental impact assessment[J]. Environmental Impact Assessment， 2019， 41（4）： 50-54.

[8]?? HUANG S， CHEN Y， ZOU C， et al. Train-induced environmental vibrations by considering different building foundations along curved track[J]. Transportation Geotechnics， 2022， 35： 100785.

[9]?? 杜林林， 劉維寧， 劉衛豐， 等. 曲線軌道鋼軌橫向振動頻域響應特性研究[J]. 鐵道學報， 2021， 43（6）： 95-103.

DU L L， LIU W N， LIU W F， et al. Study on lateral dynamic response of curved track in frequency domain[J]. Journal of The China Railway Society， 2021， 43（6）： 95-103.

[10] 張琪. 曲線地段地鐵振動源強特性及其對鄰近建筑物影響分析[D]. 北京： 北京交通大學， 2022.

ZHANG Q. Characteristics of vibration sources of metro in curved track and its influence on adjacent buildings[D]. Beijing： Beijing Jiaotong University， 2022.

[11] 劉維寧， 杜林林， 劉衛豐. 地鐵列車曲線運行振動源強特性分析[J]. 鐵道學報， 2019， 41（7）： 26-33.

LIU W N， DU L L， LIU W F. Study on characteristics of vibration sources of metro trains running in a curved track[J]. Journal of The China Railway Society， 2019， 41 （7）： 26-33.

[12] ZHANG H C， ZHANG X D， CAO G Z. Research on metro vehicle vibration with regard to route conditions[J]. Advanced Materials Research， 2010， 139： 2295-2298.

[13] 楊忠平， 蔣忙舟， 張瑞浩， 等. 不同地質條件下地鐵振動源強及影響實測與分析[J]. 鐵道標準設計， 2023， 67（9）： 190-194.

YANG Z P， JIANG M Z， ZHANG R H， et al. Measurement and analysis of vibration source strength and influence of the subway under different geological conditions[J]. Railway Standard Design， 2023， 67（9）： 190-194.

[14] 賀利工， 劉文武， 羅信偉，等. 雙層車輛段運用庫環境振動特性實測分析[J]. 華東交通大學學報， 2023， 40（3）： 33-39.

HE L G， LIU W W， LUO X W， et al. Measurement and analysis of environmental vibration characteristics of operation zone for double deck depot[J]. Journal of East China Jiaotong University， 2023， 40（3）： 33-39.

第一作者：歐陽滔（1995—），男，碩士研究生，研究方向為鐵路環境振動與噪聲。E-mail：2947735114@qq.com。

通信作者：劉慶杰（1982—），男，副教授，博士，碩士生導師，研究方向為軌道結構動力學。E-mail：liuqingjie06@163.com。