地鐵車輛段試車線環境振動影響實測分析

摘要：為探究地鐵車輛行車對環境振動的影響規律，通過對某地鐵車輛段試車線環境振動進行現場實測，評估不同車速以及不同軌道形式對周圍環境振動造成的影響，并采用1/3倍頻的方法研究了源強以及蓋板的振動特性。研究結果表明：在30～60 km/h區間內，車速每增加10 km/h，普通斷面的軌枕和鄰柱處Z振級分別增加2.2 dB和1.7 dB；梯形軌枕能大幅減少傳遞給軌道外結構的振動，相比于普通斷面，梯形軌枕斷面的軌枕和7.5 m處地面測點Z振級分別減小3.4 dB和10.1 dB；試車線上列車運行速度較快，引起的振動能量較大，如不加以控制將遠超振動標準允許值，設置在試車線附近24 m范圍內的上蓋建筑物的振動值需重點關注。

關鍵詞：試車線；振動；實測；車速；梯形軌枕

中圖分類號：U231 文獻標志碼：A

本文引用格式：劉慶杰，陳松，雷曉燕，等. 地鐵車輛段試車線環境振動影響實測分析[J]. 華東交通大學， 2025， 42（1）： 1-7.

Measured Analysis of Environmental Vibration Influence

on Testing Line of Metro Depot

Liu Qingjie1， Chen Song1，2， Lei Xiaoyan1， Xu Haoneng1， Feng Qingsong1

（1. School of Transportation Engineering， East China Jiaotong University， Nanchang 330013， China;

2. School of Architecture and Engineering， Jiangxi Vamp; T College of Communications， Nanchang 330013， China）

Abstract： In recent years， the rail transit industry has developed rapidly， but the environmental vibration problems caused by metro operation have attracted more and more attention. In this paper， the environmental vibration of the test line of a metro depot is measured on site， and the influence of different vehicle speeds and different track forms on the surrounding environmental vibration is evaluated. The vibration characteristics of the source strength and the cover plate are studied by using the method of 1/3 frequency doubling. The results show that in the range of 30～60 km/h， for every 10 km/h increase in vehicle speed， the Z vibration level at the sleeper and adjacent column of the ordinary section increases by 2.2 dB and 1.7 dB respectively. The trapezoidal sleeper can greatly reduce the vibration transmitted to the outer structure of the track. Compared with the ordinary section， the Z vibration levels of the sleeper and the ground measuring point at 7.5 m of the trapezoidal sleeper section are reduced by 3.4 dB and 10.1 dB， respectively. The train running speed on the test line is fast， and the vibration energy caused by it is large. If it is not controlled， it will far exceed the allowable value of the vibration standard. The vibration value of the upper building set within 24 m near the testing line needs to be focused on.

Key words： testing line; vibration; field measurement; train speed; trapezoidal sleeper

Citation format： LIU Q J， CHENG S， LEI X Y， et al. Measured analysis of environmental vibration influence on testing line of metro depot[J]. Journal of East China Jiaotong University， 2025， 42（1）： 1-7.

截至2023年底，我國內地有59個城市開通城市軌道交通線路，運營總里程約11 232.65 km，其中地鐵運營里程為8 547.67 km，占比76.1%[1]。地鐵車輛段是供地鐵車輛停放、檢查，整備、運用和修理的區域[2-3]，通常地鐵車輛段設置在線路的首尾站附近，可以看作是地鐵的“停車場”，其占地面積大，通常在25公頃以上。近年來國內各大城市均大力發展TOD模式——即以公共交通為導向的發展模式[4]，通俗來講就是在地鐵上面“蓋房子”，這種做法極大地提高了車輛段土地利用率，但縮短了軌道交通振源與建筑之間的距離。車輛段內的車輛通常在凌晨和深夜運行，運行產生的振動問題有可能會影響上蓋居民的正常生活[5-6]，因此掌握振動傳播規律，有效控制振動意義重大。

目前國內外專家已開展了大量的研究工作[7-11]，馮青松等[12-13]在雙層車輛段內進行了現場實測，發現在80 Hz以上頻段，土體對高頻能量的衰減作用使得二層行車引起的上蓋建筑低層振動能量大于一層行車；鄒超等[14]分析對比了試車線和咽喉區行車對同一棟建筑振動影響的差別，發現不同區域行車引起該建筑的振動主頻不同；汪益敏等[15]實測了深圳某地鐵車輛段一上蓋鋼結構建筑物，發現該建筑結構固有頻率與激勵動力特性有關；陳艷明等[16-17]對下沉式車輛段列檢庫區域進行了現場實測，發現列車運行引起上蓋平臺的振動隨著與線路中心距離的增大呈線性衰減規律，其中端部股道行車時線性衰減率比中部股道行車要大；謝偉平等[18]對杭州某車輛段試車線上蓋建筑進行實測，發現車速改變并不能引起樓板振動主頻的變化，列車引起樓板的振動主頻始終集中在其自振頻率處。

綜上所述，既有的研究多集中在車輛段的運用庫、檢修庫等庫房上蓋區域，而對試車線區域的實測研究較少，且數據隨車次變化的隨機性較大，故本文采用單列專車來回運行以保證數據的可靠性。本文對該車輛段試車線源強及蓋板區域進行現場實測，分析不同因素下試車線列車對周圍環境的振動影響程度，并以普通混凝土軌枕為對照，測試梯形軌枕的減振效果，所得結論可為類似工程減振控制及上蓋建筑布局提供一定參考。

1 試驗概況

本文的實測場地位于珠三角地區某地鐵車輛段，該車輛段為架空式單層車輛段，總占地面積約為46.7公頃，其主體構筑物包括停車列檢庫、周月檢庫、靜調庫、聯合檢修庫、洗車機庫、工程車庫和試車線等，其中試車線的主要作用為測試新車與檢修后列車運行時的綜合性能，該區域列車最大速度可達80 km/h，為其他區域列車速度的4～8倍。既有研究表明[19-20]，列車速度大小與其造成的環境振動強度成正比。因此，本文在試車線上設置兩個斷面研究試車線列車運行造成的環境振動影響程度，如圖1所示，分別為SC-1和SC-2斷面，其中SC-1為梯形軌枕斷面，軌道斷面如圖2所示；SC-2為普通軌道斷面，該斷面為采用普通鋼筋混凝土軌枕的有砟軌道。

試車線兩斷面處鋼軌扣件均為彈條I型分開式扣件。在現場試驗時，列車在試車線上運行先后經過上述兩斷面。兩斷面測點分布示意如圖3所示，由于現場條件有限，普通軌道斷面僅在源強處設置A1～A3三個測點，分別為軌枕（A1）、鄰柱（A2）和7.5 m處地面（A3）；梯形軌枕斷面在源強處設置軌枕（A1）和7.5 m處地面（A3）兩個測點，在斷面上方蓋板處設置5個測點，測點均位于蓋板正中央，具體見圖3中B1～B5，各測點間相距約12 m，其中B1測點位于行車股道正上方。

為消除車輛因素帶來的實驗誤差，本次測試采用單輛服役狀態良好的8節編組D型專車在試車線上來回行車。所用數據采集儀為NI CRIO-9031和SQuadriga III測試系統，其中NI CRIO-9031用于試車線源強的垂向振動測試，通過設置加速度峰值自動觸發采樣進行監測；SQuadriga III則用于車輛段上方蓋板的垂向振動測試，為人工按照發車時間手動觸發以保證蓋上和蓋下振動數據同步采集，蓋上和蓋下采樣頻率均設置為400 Hz。軌枕和7.5 m地面振動數據通過393B04傳感器采集，上方蓋板振動數據通過941B傳感器采集。試驗共采集數據27組，車速分布在30～60 km/h之間，具體工況如下：工況1：車速30 km/h行車，共1組；工況2：車速40 km/h行車，共12組；工況3：車速50 km/h行車，共1組；工況4：車速60 km/h行車，共13組。

2 車速對試車線周圍結構振動影響分析

本節以普通軌道斷面源強振動數據為分析對象，研究不同車速下源強各測點振動響應變化情況，各車速下典型時程數據如圖4所示，由圖4可知，隨著車速的增加，各測點振動加速度均有所增加。

實測離散振動加速度信號{a}需轉換成時域內振動加速度有效值[arms]，相關公式如下

[arms=1T0Ta2tdt] （1）

式中：N為離散數據點個數；[m=0，1，2，…，N-1]。

振動加速度級VAL定義為

[VAL=20lgarmsa0] （2）

式中：[a0]為基準加速度，取1×10-6 m/s2；按ISO 2631-1：1997/Amd 1：2010標準中給出的Z 計權因子對式（2）進行修正即可得到1/3倍頻程中心頻率上的Z計權振動加速度級，記為Z振級（VLZ），作為本文評價車致振動對軌道結構及蓋板影響大小的評價量。

由于40 km/h和60 km/h行車工況有多組數據，本文后續對比結果為多組數據平均所得，進一步將源強各測點振動響應隨車速變化情況整理如圖5所示。

由圖5可知，隨著車速的增加，軌枕和鄰柱的振動加速度有效值與Z振級均呈增大趨勢，而由于7.5 m處地面測點距振源較遠，其振動水平較為穩定。當車速由30 km/h增加至60 km/h，軌枕處振動加速度有效值由2.456 m/s2增加至4.624 m/s2，增幅達88%，Z振級由104.7 dB增加至111.3 dB，增大6.6 dB；鄰柱處振動加速度有效值由0.010 m/s2增加至0.017 m/s2，增幅達70%，Z振級由65.3 dB增加至70.5 dB，增大5.2 dB；7.5 m處地面振動響應隨速度增加的變化趨勢較小，其振動加速度有效值分布在0.048～0.056 m/s2，Z振級分布在79.7～79.9 dB。綜上，列車車速平均增加10 km/h，軌枕和鄰柱處的振動加速度有效值分別增加0.723 m/s2和0.002 3 m/s2，Z振級分別增加2.2 dB和1.7 dB。

由以上結果可知，隨著與振源距離的增加，車速變化引起各測點振動響應變化趨勢越來越小，分析其原因可能為：高頻能量在振動路徑中的衰減速率比低頻快，振動傳至較遠地方后，其中的高頻成分大大減少，因此越靠近振源的結構，其振動能量中的高頻成分就越多，另外車速的增加使得高頻能量強度隨之增加，從而導致高頻成分多的結構振動強度變化也大。

3 軌道形式對試車線周圍結構振動影響分析

選取車速為60 km/h工況下兩斷面源強各測點振動響應為研究對象，分析不同軌道形式對試車線周圍結構振動影響大小，兩斷面源強處振動響應匯總如表1所示，在同一車速下，相比于普通斷面，梯形軌枕斷面各測點振動強度明顯減小，其軌枕和7.5 m處地面測點振動加速度有效值分別減少了0.184 m/s2和0.040 m/s2，減幅分別為4.0%和71.4%，另外軌枕和7.5 m處地面測點Z振級分別減小3.4 dB和10.1 dB。由此可以看出，梯形軌枕在車輛段試車線應用時表現出來的減振效果較好，對周圍環境的減振效果可達10 dB左右，其減振作用主要歸功于其特殊結構：梯形軌枕結構類似“梯子”，其左右兩邊各有一塊預制預應力混凝土縱梁及其限位凸臺，兩塊縱梁靠中間鋼橫梁連接，梯形軌枕下面配有減振墊[21]，與鋼軌、扣件形成了雙彈性疊合梁，減振墊的彈性作用極大地降低了振動能量的向外擴散。

圖6給出了軌枕和7.5 m處地面測點在1～200 Hz內的振動1/3倍頻，從圖6（a）可以看出，兩斷面的軌枕測點在31.5 Hz以后頻段的分頻振級均隨著頻率的增加而增加，普通斷面的軌枕測點在125 Hz處達到第一峰值，而梯形軌枕斷面的軌枕測點在63 Hz處達到第一峰值。對比1～40 Hz內頻段，發現梯形軌枕的存在使得該頻段的振動能量大幅降低，該頻段內各分頻振級降低約9～27 dB，而在80 Hz以上頻段，二者數值相當。

從圖6（b）可以看出，兩斷面的7.5 m處地面測點的振動峰值均出現在63 Hz處，并且二者分頻振級隨頻率增加的變化趨勢相似，振動主頻段均分布在30～125 Hz以內。在全頻段內，梯形軌枕斷面的7.5 m處地面測點振動強度均小于普通斷面，梯形軌枕的減振作用使得各頻率下振級降低約7～29 dB。

4 蓋板振動傳遞分析

選取車速為60 km/h工況下梯形軌枕斷面上方蓋板振動響應為研究對象，分析車致振動沿蓋板橫向的傳遞規律，蓋板各測點振動響應匯總如表2所示。由表2可知，隨著與線路中心距離的增加，蓋板各測點振動加速度有效值與Z振級逐漸減小，距離每增加1 m，振動加速度衰減約0.001 1 m/s2，Z振級衰減約0.39 dB。

圖7為蓋板各測點垂向振動加速度1/3倍頻圖，由圖7可知，各測點振動主頻在40～120 Hz，峰值頻率均出現在63 Hz處，這與源強處振動峰值頻率相同，表明峰值頻率的大小與列車行至該斷面時的輪軌動力特性有關。在大部分頻段內，分頻振動加速度級也隨著與線路中心的距離增加而減小，其中衰減最大頻段出現在50 Hz以上。另外在1～20 Hz內的低頻段，距離線路中心0～12 m、24～36 m區域的振動能量衰減明顯，而在12～24 m、36～48 m區域內振動能量幾乎保持不變，這一點需結合現場環境作進一步分析。

5 結論

本文采用現場實測的方法研究了珠三角地區某單層車輛段試車線區域車致振動源強及蓋上環境振動的影響，對比分析了不同車速及不同軌道形式下振動水平的差異，具體結論如下。

1） 車速在30～60 km/h區間內，每增加10 km/h，普通斷面的軌枕和鄰柱處振動加速度有效值分別增加0.723 m/s2和0.002 3 m/s2，Z振級分別增加2.2 dB和1.7 dB，而7.5 m處地面振動能量隨速度增加的變化趨勢較小。

2） 梯形軌枕能大幅減少傳遞給軌道外結構的振動，相比于普通斷面，梯形軌枕斷面的軌枕和7.5 m處地面測點振動加速度有效值減幅分別為4.0%和71.4%，且 Z振級分別減小3.4 dB和10.1 dB。

3） 隨著與線路中心距離的增加，梯形軌枕斷面上方蓋板各測點振動加速度有效值與Z振級單調遞減，振動加速度衰減速率約為0.001 1 （m/s2）/m，Z振級衰減速率約為0.39 dB/m。

4） 梯形軌枕斷面上方蓋板各測點Z振級范圍為64.6～83.5 dB，按照城市區域環境振動標準（GB 10070-88）規定，蓋板上距試車線水平距離24 m以內的振動超過標準限值72 dB。

試車線是車輛段內車速較快的線路，試車時列車車速可以達到60～80 km/h。較高的速度會帶來更大的振動，雖然梯形軌枕可以在一定程度上降低列車引起的上蓋建筑振動，但距離環保標準要求還有一定距離。因此在設計時應考慮將試車線區域的蓋板與物業開發區域通過伸縮縫斷開，或采用更高等級的減振軌道。

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通信作者：劉慶杰（1982—），男，副教授，碩士生導師，研究方向為輪軌動力學。E-mail：liuqingjie06@163.com。