地鐵振動對精密儀器的影響預(yù)測和對策研究*

謝鎣松李 莉汪龍兵

（1.同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，201804，上海；2.蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司，215004，蘇州∥第一作者，碩士研究生）

地鐵振動對精密儀器的影響預(yù)測和對策研究*

謝鎣松1李 莉1汪龍兵2

（1.同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，201804，上海；2.蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司，215004，蘇州∥第一作者，碩士研究生）

某儀器場臨近規(guī)劃地鐵線路，需要考慮地鐵運(yùn)營后對廠內(nèi)精度要求很高的三坐標(biāo)測量儀器的影響及相應(yīng)的隔振措施，在已運(yùn)營線路不同軌道隔振地段臨線不同距離內(nèi)，按國家和國際精密儀器振動評價參數(shù)，對地鐵運(yùn)行時地面的振動響應(yīng)進(jìn)行了測試，分析其對三坐標(biāo)測量儀的振動影響。結(jié)果表明，在不同軌道隔振區(qū)段臨線一定范圍內(nèi)，地鐵運(yùn)行時的地面振動均不滿足通用振動標(biāo)準(zhǔn)級的要求；浮置板軌道的位移峰值已超過國標(biāo)限值；同時驗(yàn)證了振動放大區(qū)的存在。建議針對該精密儀器采取防微振措施。

地鐵；精密儀器；微振動；振動評價

First-author＇s address Institute of Railway and Urban Mass Transit，Tongji University，201804，Shanghai，China隨著城市軌道交通網(wǎng)的建設(shè)，精密儀器使用場所所在的區(qū)域難免會有地鐵穿過。地鐵運(yùn)行會引起軌道和隧道結(jié)構(gòu)振動，其振動輻射進(jìn)入隧道周圍的土體，再由土體進(jìn)入建筑。而精密及超精密儀器對使用環(huán)境的振動要求比較嚴(yán)格振動對精密儀器的正常使用影響十分突出，會出現(xiàn)數(shù)據(jù)測量不準(zhǔn)確、信噪比差、重復(fù)性低、無法正常工作等問題［1］。在上海，軌道交通2號線東延伸區(qū)段在設(shè)計(jì)規(guī)劃和建設(shè)期間也曾遇到相似的問題［2］。微振動已經(jīng)成為影響精密設(shè)備使用的關(guān)鍵性因素之一。

目前，我國并沒有專門的電子工業(yè)防微振技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對超精密實(shí)驗(yàn)加工環(huán)境振動的研究尚在起步階段［3-8］。因此，進(jìn)行地鐵振動對精密儀器的影響預(yù)測和對策研究，具有非常重要的工程實(shí)用價值。

本文以某新建地鐵線規(guī)劃途徑某精密儀器廠內(nèi)對微振動最敏感的三坐標(biāo)測量機(jī)作為研究對象，用國家和國際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析評價，為預(yù)測地鐵振動對該類使用精度要求高的精密儀器的影響提供參考。

1　精密儀器振動標(biāo)準(zhǔn)及比較

1.1建筑工程容許振動標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)GB 50868—2013《建筑工程容許振動標(biāo)準(zhǔn)》第4.1.3條規(guī)定，三坐標(biāo)測量機(jī)的測量精度ε≤1.0×10-6L。其中，L為坐標(biāo)測量機(jī)的最大量程。其不同頻率下的容許振動值如表1所示。

表1　三坐標(biāo)測量機(jī)頻域范圍的容許振動值

1.2通用振動（VC）標(biāo)準(zhǔn)

VC標(biāo)準(zhǔn)是國際上廣為接受的儀器容許振動等級。該指標(biāo)以V三分之一倍頻程內(nèi)的振動速度有效值作為評價指標(biāo)，劃分為VC-A到VC-G七個級別。VC曲線規(guī)定的振動等級如圖1所示。

圖1　用于振動敏感設(shè)備的VC曲線

三坐標(biāo)測量機(jī)振動限值在10 Hz以上，介于VC-C到VC-D之間，但在低頻段趨近于VCE。由于VC-E級幾乎是精密儀器微振動的極限要求，故而取VC-D為本次評價的限值。

1.3《電子工業(yè)防微振工程技術(shù)規(guī)范》征求意見稿標(biāo)準(zhǔn)

工程建設(shè)國家標(biāo)準(zhǔn)《電子工業(yè)防微振工程技術(shù)規(guī)范》征求意見稿中規(guī)定了精密儀器、設(shè)備的通用容許振動值，其要求與VC標(biāo)準(zhǔn)一致。而且意見稿中更加詳細(xì)地指出了高能激光實(shí)驗(yàn)裝置、光纖拉絲塔等的容許振動值。其中，對光柵刻線裝置精密加工及計(jì)量行業(yè)設(shè)備、儀器和納米裝置的振動要求與GB 50868—2013《建筑工程容許振動標(biāo)準(zhǔn)》中一致。同時，《電子工業(yè)防微振工程技術(shù)規(guī)范》征求意見稿的附錄A還詳細(xì)地給出了微振動測試和數(shù)據(jù)處理分析的要求。

1.4標(biāo)準(zhǔn)比較

根據(jù)大量的試驗(yàn)結(jié)果，精密儀器設(shè)備對振動的最大敏感點(diǎn)在頻域表達(dá)中表現(xiàn)為常值速度。另外，環(huán)境振動以隨機(jī)振動占主導(dǎo)，采用均方根值更能表示振動的統(tǒng)計(jì)特性。因此VC標(biāo)準(zhǔn)使用速度的均方根值作為參數(shù)最為簡便。

2　振動測試分析

對三坐標(biāo)測量機(jī)所在的檢測室環(huán)境振動進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測。

根據(jù)《建筑工程容許振動標(biāo)準(zhǔn)》，實(shí)測得到頻域范圍內(nèi)的振動加速度峰中最大值為0.913 mm/s2，遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)限值2.5 mm/s2；位移峰值最大值是0.50μm，小于標(biāo)準(zhǔn)限值的1.0μm。即實(shí)測結(jié)果滿足要求。

根據(jù)VC標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)測得到的各測點(diǎn)速度信號三分之一倍頻程均方根值的最大值為5.87μm/s，小于VC-D的限值6.25μm/s的要求。

由此可知，現(xiàn)有環(huán)境振動不會對該精密儀器的使用產(chǎn)生不良影響。

原規(guī)劃的地鐵線路離該檢測室較近，而且地鐵運(yùn)行對三坐標(biāo)測量機(jī)這一精密儀器的影響缺乏數(shù)據(jù)。因此，測試分析時在已經(jīng)運(yùn)營的線路，選擇不同軌道隔振措施，并在0～40 m范圍內(nèi)布置測點(diǎn)，用VC標(biāo)準(zhǔn)和《建筑工程容許振動標(biāo)準(zhǔn)》綜合評價該類精密儀器的環(huán)境微振動是否滿足其使用要求。

2.1測試地點(diǎn)

測試區(qū)間包括浮置板道床區(qū)間、剪切型減振扣件區(qū)間、一般DTV12型扣件區(qū)間。根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際測量條件，每個區(qū)間在測量范圍內(nèi)布置4～5個測點(diǎn)。其中，浮置板道床區(qū)間的測點(diǎn)與上行線中心線距離分別為0 m、8 m、13 m、23 m、40 m；剪切型減振型扣件區(qū)間的測點(diǎn)與上行線中心線的距離分別為2.0 m、11 m、28 m、38 m、49 m；一般DTVI2型扣件區(qū)間的測點(diǎn)與上行線中心線的距離分別為7.6 m、11.2 m、21.1 m、40 m。

對各測點(diǎn)的振動加速度、振動速度各進(jìn)行約90 min的測量。在測量時段內(nèi)，上行列車數(shù)均為10列。由于列車運(yùn)行對測試點(diǎn)振動情況有明顯影響的時間約為5 s，故以5 s為計(jì)算時長。以測量值的算術(shù)平均值作為評價指標(biāo)。

分析評價時，假設(shè)該精密儀器所在的位置外界條件（如隧道埋深、土質(zhì)、車輛線路情況、房屋基礎(chǔ)等）和三個區(qū)間相同，用VC標(biāo)準(zhǔn)和《建筑工程容許振動標(biāo)準(zhǔn)》綜合評價該類精密儀器的環(huán)境微振動是否滿足使用要求。

2.2頻域分析

按照《建筑工程容許振動標(biāo)準(zhǔn)》分析三個區(qū)間的豎向振動加速度峰值，得到其頻域范圍內(nèi)對比圖（見圖2）。

由圖2可知，①浮置板道床區(qū)間與剪切型扣件區(qū)間的垂向振動加速度峰值均小于標(biāo)準(zhǔn)限值（見表1），滿足要求，且浮置板道床區(qū)間的減振效果較好。②DTVI2型扣件區(qū)間豎向振動加速度峰值最大值為9.5 mm/s2，大于標(biāo)準(zhǔn)限值（見表1），不滿足要求。

圖2　三個區(qū)間豎向振動加速度峰值對比圖

浮置板軌道減振效果明顯。當(dāng)對應(yīng)頻率＜8 Hz時，浮置板軌道區(qū)間的振動位移峰值圖如圖3所示。由圖3可知，當(dāng)對應(yīng)頻率＜8 Hz時，在測量范圍內(nèi)的浮置板道床區(qū)間的振動位移峰值最大為1.243μm，大于標(biāo)準(zhǔn)限值1.0μm，不滿足精密儀器要求。

圖3　浮置板道床區(qū)間豎向位移峰值圖

由圖2、圖3可以看出，在測量范圍內(nèi)，振動響應(yīng)并非隨距離單調(diào)減少。在距上行線中心線30～ 40 m處，振動有一定放大。這驗(yàn)證了振動放大區(qū)的存在［9-10］，且表明在距離地鐵線0～40 m的范圍內(nèi)，振動并非隨距離的增加而衰減。

2.3按VC標(biāo)準(zhǔn)分析評價

為了進(jìn)一步比較分析地鐵運(yùn)行振動對精密儀器的影響，可將每個區(qū)間全部測點(diǎn)速度信號的三分之一倍頻程的均方根值曲線畫在一張圖中，從而得到三分之一倍頻程頻域下每一中心頻域的速度包絡(luò)線。

以浮置板道床區(qū)間為例，其測點(diǎn)1到測點(diǎn)5的豎向速度均方根值曲線和最大值包絡(luò)線如圖4所示。

圖4　浮置板道床區(qū)間振動速度三分之一倍頻程均方根值曲線及最大值包絡(luò)線

由圖4可知：

（1）浮置板道床區(qū)間的振動速度不滿足VCD的要求。各測點(diǎn)速度三分之一倍頻程均方根值的最大值為8.48μm/s，大于VC-D的限值6.25 μm/s。

（2）5個測點(diǎn)中，測點(diǎn)4（距離23 m處）在三個方向的振動速度最大值均在3.5μm/s以上，反而比更加靠近地鐵線路的測點(diǎn)1和測點(diǎn)2要大。這也進(jìn)一步驗(yàn)證了振動放大區(qū)的存在［10］。

（3）5個測點(diǎn)在10～80 Hz的范圍內(nèi)時的振動速度差異不大，但在1～10 Hz的低頻范圍中差別明顯、測點(diǎn)3（距離13 m處）的縱向振動速度8.48 μm/s遠(yuǎn)大于VC-D的限值6.25μm/s，不滿足精密儀器的使用要求，但同時測點(diǎn)3的振動速度在豎向又是最小的。

用同樣的方法求得三個區(qū)間的速度信號的均方根值包絡(luò)線如圖5所示。將三個區(qū)間的振動測試數(shù)據(jù)按照VC標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行評價，其中，VC-D的要求是6.25μm/s。

由圖5可知：

（1）在測量范圍內(nèi)，三個區(qū)間的地鐵運(yùn)行時地面振動均不滿足VC-D的要求。

（2）地鐵運(yùn)行時，三個區(qū)間的地面振動速度都主要集中在1～5 Hz的低頻范圍。

（3）在1～5 Hz的低頻范圍內(nèi)：浮置板道床區(qū)間的豎向、橫向振動速度較小，但縱向振動速度較大；剪切型扣件區(qū)間的豎向、縱向振動速度較小，但橫向振動速度較大；DTVI2型扣件區(qū)間的豎向、橫向振動速度較大，但縱向振動速度較小。在5～80 Hz的范圍內(nèi)，三個區(qū)間在三個方向上的振動差異不大。

3　隔振措施

為確保精密儀器能順利安裝使用，可采取被動隔振措施。常用的措施為設(shè)置隔振平臺。

隔振平臺的隔振效果以振動的傳遞率TV來表示：

式中：

TV——振動傳遞率，dB；

vin——輸入的速度值，即三分之一倍頻程下每一中心頻率的包絡(luò)線速度有效值，μm/s；

圖5　三個區(qū)間速度的均方根值包絡(luò)線圖

vb——輸出的速度值，即VC標(biāo)準(zhǔn)下對應(yīng)的速度有效值限值，μm/s，其VC-D對應(yīng)的限值為6. 25μm/s。

以一般DTV12型扣件區(qū)間橫向測試點(diǎn)的結(jié)果為例，分析其隔振效果。圖6是一般DTV12型扣件區(qū)間三分之一倍頻程速度的均方根值包絡(luò)線圖。根據(jù)式（1）求得一般型扣件區(qū)間測點(diǎn)的傳遞率，如圖7所示。由圖7可知，應(yīng)該在1.0～1.5 Hz頻率下提供針對性的被動隔振。且要求隔振平臺在1.0～1.5 Hz頻率下提供不少于2 dB的橫向隔振能力。

圖6　一般DTV12型扣件區(qū)間三分之一倍頻程速度的均方根值包絡(luò)線圖

圖7　一般型扣件區(qū)間測點(diǎn)的被動隔振傳遞率圖

4　結(jié)語

本文比較了涉及精密儀器的現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)、國際標(biāo)準(zhǔn)以及電子工業(yè)防微振技術(shù)規(guī)范征求意見稿，對該地區(qū)已經(jīng)運(yùn)營的地鐵線路不同隔振措施區(qū)段一定范圍內(nèi)的地面振動進(jìn)行測試和分析，并用精密儀器的評價參數(shù)進(jìn)行類比。結(jié)果表明：

（1）在40 m的范圍內(nèi)，如考慮地鐵運(yùn)行的影響，則三坐標(biāo)測量機(jī)及其同類精密儀器的環(huán)境微振動將超出標(biāo)準(zhǔn)限值，無法滿足振動控制要求；如忽略外界條件，則參考上海軌道交通2號線的試驗(yàn)可知，在距離地鐵中心線162 m處的振動速度滿足VCD振動控制要求，且減振軌道對遠(yuǎn)場振動幾乎無減振效果［2］。

（2）三個不同軌道結(jié)構(gòu)的振動在0～40 m范圍內(nèi)都不隨距離而衰減。浮置板道床區(qū)間和剪切型扣件區(qū)間在25m左右處存在振動區(qū)，DTVI2型扣件區(qū)間在40 m左右處存在振動放大區(qū)。只有離開振源距離足夠大，振動能量才會有效減小。

（3）可針對單臺高要求的精密儀器進(jìn)行防微振處理（如采用高剛性底座、高性能隔振裝置等）。采用被動隔振措施時，在一般DTV12型扣件區(qū)間，隔振平臺在1.0～1.5 Hz頻率下的速度傳遞率不能低于2 dB。

［1］ 廖志軍.地鐵振動對微電子工業(yè)區(qū)的影響分析和對策研究［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)，2009.

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Prediction and Countermeasure for the Influence of Metro Vibration on Precise Instrument

Xie Yingsong，Li Li，Wang Longbing

An electronics industry is located near a planned metro line in Suzhou City.In order to evaluate the vibration influence induced by metro train on the high-precision 3-coordingate measuring machine produced in this factory and provide vibration reduction suggestions to the metro operation company，the vibration on the ground during the operation of metro train was tested in different track vibration isolation sections of Suzhou metro Line 2，and analyzed by national and international evaluation parameters of precise equipment.Results show that the ground vibration during metro operation in different track vibration isolation sections could not meet the requirements of VC-D，and the displacement amplitudes on the ground have exceeded the limit of international standard when the floating slab track is used，at the same time，the existence of vibration amplifying zone has been verified.Some suggestions are put forward to adopt necessary isolation methods for precise instrument.

metro；precise instrument；micro-vibration；vibration evaluation

U 211.3∶U 231

10.16037/j.1007-869x.2016.03.010

*國家自然科技基金項(xiàng)目（51408434）

（2015-07-08）