城市軌道交通引起的地面振動實測與分析

孫麒云, 張鶴年

(1.南京工業(yè)大學交通學院,南京 210009； 2.東南大學建筑學院,南京 210096)

隨著現代城市規(guī)模的日益擴大,軌道交通以其運量大、速度快、安全可靠等特點,成為解決城市交通的重要手段。但由此引起的振動對大都市生活環(huán)境和工作環(huán)境的影響也引起了人們的普遍關注。國際上已把振動列為七大環(huán)境公害之一,并已開始著手研究振動污染的規(guī)律、振動產生的原因、傳播的路徑與控制方法以及對人體的危害等問題[1～10]。

目前,關于軌道交通引起的環(huán)境振動的研究方法主要有以下3種:(1)理論分析。目前這方面的研究主要是：振源、結構及地層響應的整體分析和控制方法、振動標準。(2)數值模擬。建立研究體系的動力學模型,得到模型的動力學方程,采用數值方法求解方程得到整個模型的響應。(3)現場實測。對此方面的研究有重大的理論和現實意義,但目前此研究較少,其成果主要為相應的理論分析提供根據、印證理論模型的正確性、為評估地鐵誘發(fā)的環(huán)境振動提供依據。對軌道交通振動影響的研究,還缺乏相關的測試數據,仍有許多問題需待研究和解決。為此,筆者分別對南京軌道交通1號線以及南延線上的3種不同線路形式進行了現場實測,根據結果分析了其運行所引起地面振動的實況、振動特性及其傳播規(guī)律,并對3種形式進行了比較,以便為進一步研究環(huán)境振動的控制問題提供參考。

1 軌道交通引起的地面振動的實測

測試共有3種路線形式,分別為地面線,地下線和高架線。在其沿線選擇典型振動觀測場地且與線路垂直的觀測線,當列車通過時對觀測線上的各點進行豎向加速度的地面振動實測。實測儀器為美國儀器NI動態(tài)數據采集儀,傳感器為科動KD1100LC,并在實測前進行了系數標定,以保證測試的準確。測試時列車通過的車速約為65 km/h。

1.1 地面線實測結果分析

此測試點位于南京軌道交通1號線安德門站至小行站區(qū)間,線路形式為地面線,為有砟軌道。測點分別布在距離軌道中心5、10、17、22、27、32 m的地方。圖1、圖2分別為豎向加速度時程曲線和頻譜曲線。從圖中可以看出：

(1)各測點的豎向振動強度隨著與軌道水平距離的增大而逐漸減弱,在5～10 m范圍內減弱的幅度最大,但在20～30 m的距離里振動強度有所反彈；

(2)測點豎向振動的主要頻率為0～100 Hz,最大值一般出現在30～80 Hz,這說明列車引起的豎向振動主要以頻率低于100 Hz為主,尤以30～80 Hz最為顯著。其原因可能是因為列車引起振動頻率與某一土層的振動頻率相近而誘發(fā)共振造成的；

(3)隨著與列車線路水平距離的增大,振動信號的各頻率分量總的趨勢是減弱,且頻率愈高衰減愈快。

1.2 地下線實測結果分析

此測試點位于南京軌道交通1號線小行站至中勝站區(qū)間,線路形式為地下線,是混凝土整體道床,隧道斷面為馬蹄形。測點分別布在距離軌道中心5、10、15、20、25、30 m的地方。圖3、圖4分別為豎向加速度頻譜曲線和時程曲線。從圖中可以看出：

(1)各測點的豎向振動強度隨著與軌道水平距離的增大而逐漸減弱,在5～15 m范圍內減弱的幅度最大,但在20～30 m的距離里振動強度有所反彈；

(2)測點豎向振動主要以頻率低于80 Hz為主,尤以50～60 Hz最為顯著。且振動信號的各頻率分量總的趨勢是減弱,且頻率愈高衰減愈快。

圖1 地面線路自由場地不同距離的豎向加速度時程曲線

圖2 地面線路自由場地不同距離的豎向加速度頻譜圖

圖3 地下線路自由場地不同距離的豎向加速度頻譜圖

圖4 地下線路自由場地不同距離的豎向加速度時程曲線

1.3 高架線實測結果分析

此測試點位于南京軌道交通南延線小龍灣站至竹山路站區(qū)間,線路形式為高架線,是普通整體道床軌道。測點分別布在距離軌道中心0、5、10、15、20、25 m的地方。圖5、圖6分別為豎向加速度時程曲線和頻譜曲線。從圖中可以看出：

圖5 高架線路自由場地不同距離的豎向加速度時程曲線

(1)各測點的豎向振動強度隨著與軌道水平距離的增大而逐漸減弱,在0 m處振動幅度遠大于其他地方；

(2)測點豎向振動主要以頻率低于90 Hz為主,尤以70～90 Hz最為顯著。振動信號的各頻率分量總的趨勢是減弱,且頻率愈高衰減愈快；

(3)高架線路在列車還遠未到達測試斷面的時候,振動強度就開始加大,且在通過斷面之后振動還會持續(xù)一段時間。

圖6 高架線路自由場地不同距離的豎向加速度頻譜圖

2 實測結果評價

根據相關文獻[11],環(huán)境振動會干擾人們的日常生活,使人感到不適,甚至會影響到人們的睡眠和學習。試驗研究表明: 振動強度愈高,對人們入睡和睡眠深度的影響愈大：當振動為60 dB時,一般人剛剛可以感覺到振動；當振動達到65 dB時,對睡眠有輕微影響；達到69 dB時,所有輕微睡眠的人將被驚醒；達到74 dB時,除酣睡的人,其他人將驚醒；達到79 dB時,所有的人都將驚醒。可見振動對居住在鐵路線周圍的居民影響是很大的。

我國《城市區(qū)域環(huán)境振動測量方法》規(guī)定振動加速度級LVA

式中arms——實測振動加速度有效值；

a——基準加速度,取10-6m/s2。

式中at(t)——實測振動加速度時程；

T——振動加速度時間長度。

由圖7看出,3種不同線路形式的豎向加速度振級差不多,且都比較大。這3種形式在距離軌道中心線0～10 m段以及地面線和地下線20～30 m的振動反彈區(qū)的振級在77～98 dB,超過了我國《城市區(qū)域環(huán)境振動標準》規(guī)定的一般商業(yè)與居民混合區(qū)晝間75 dB、夜間72 dB的強度要求,使此區(qū)段的居民在列車運行時感覺到明顯的地面振動。 因此,必須采取有效的減振控制措施,降低列車運行引起的環(huán)境振動。

圖7 3種線路形式不同距離的加速度振級

3 結論

在對南京軌道交通1號線以及南延線3種不同線路形式的現場實測與分析的基礎上,得出以下結論。

(1)各測點的豎向振動強度隨著與軌道水平距離的增大而逐漸減弱,且在前15 m內減弱的幅度最大。

(2)地面線和地下線在20～30 m間有一個反彈增大區(qū),它的位置與波速、基巖深度以及土層的性質有關。

(3)隨著與列車線路水平距離的增大,振動信號的各頻率分量總的趨勢是減弱,且頻率愈高衰減愈快。

(4)3種不同的線路中,高架線振動強度衰減的最快,地下線與地面線衰減規(guī)律相似,但地下線比地面線振級整體偏小。

(5)高架線路在列車還遠未到達測試斷面時,振動強度就開始加大,且在通過斷面之后振動還會持續(xù)很長一段時間。

[1] Japanese Institute of Noise Control : Regional Vibrations of Environments[M]. Tokyo: Jibaotang Press, 2001：8-9.

[2] Fujikake T A. A prediction method for the propagation of ground vibration from railway trains[J]. J Sound & Vibration, 1986,111(2):289-297.

[3] 潘昌實.地鐵區(qū)間隧道列車振動測試與分析[J].土木工程學報,1990,23(2):21-28.

[4] Takemiya H, Satonaka S, Xie W P. Track-ground D ynam ics duet o High Speed Moving Source and Ground Vibration Transm ission[J]. Struct Mech Earthquake Eng, JSCE, 2001,18(2):299-309.

[5] 馬 筠.我國鐵路環(huán)境振動現狀及傳播規(guī)律[J].中國環(huán)境科學,1987,17(6):70-74.

[6] 王 毅.北京地下鐵道振動對環(huán)境影響的調查與研究[J].地鐵與輕軌,1992,16(2) :21-24.

[7] 劉維寧,夏 禾.地鐵列車振動的環(huán)境影響[J].巖石力學與工程學報,1996,15(10):586-593.

[8] 孫 鈞.地下工程設計理論與實踐[M].上海:上?？茖W技術出版社,1996：260-267.

[9] 夏 禾,曹艷梅.軌道交通引起的環(huán)境振動問題[J].鐵道科學與工程學報,2004,1(1)：44-51.

[10] 陳建國,夏 禾,肖軍華，等.運行列車對周圍地面振動影響的試驗研究 [J].巖土力學,2008,29(11)：3113-3118.

[11] 國家環(huán)境保護局.GB10070—88 城市區(qū)域環(huán)境振動標準[S].北京：中國標準出版社，1988.