緩和曲線段地鐵運(yùn)行引起地表振動的實(shí)測結(jié)果及其傳播規(guī)律分析

周 亮

緩和曲線段地鐵運(yùn)行引起地表振動的實(shí)測結(jié)果及其傳播規(guī)律分析

周 亮

（上海地鐵維護(hù)保障有限公司，200233，上海//高級工程師）

對上海軌道交通9號線某區(qū)間緩和曲線段地鐵運(yùn)行引起的地表振動進(jìn)行了現(xiàn)場測試，并對實(shí)測的地表振動加速度進(jìn)行了時(shí)域、頻域及1/3倍頻程分析。結(jié)果表明：在緩和曲線段，地鐵列車行駛引起的地表橫向加速度有效值是豎向加速度有效值的0.9～3.1倍；地表加速度頻率分布在30～120 Hz，其中最顯著的頻率為30～50 Hz；加速度振級隨著與隧道中心線水平距離的增加呈減小趨勢，且在距離隧道中心線5 m、30 m時(shí)出現(xiàn)放大區(qū)；地表土體振動加速度幅值、頻譜峰值隨著地鐵列車速度增大基本呈增大趨勢。

地鐵振動；緩和曲線段；振動頻率；1/3倍頻程

AbstractThe ground vibration caused by metro operation on a transition curve section of Shanghai Line 9 is tested,the acceleration data of ground vibration are analyzed in time domain，frequency domain and 1/3-octave method.The results show that the effective value of horizontal ground vibration acceleration caused by train is 0.9-3.1 times of vertical acceleration in transition curve section;the frequency of ground acceleration distribute is in a range of 30-120 Hz，in which the most significant frequency is 30-50 Hz；the acceleration vibration level decreases with the increase of horizontal distance from the tunnel center line，the acceleration enlarged areas will appear at a horizontal distance of 5-30 m from the tunnel center line；with the increase of train speed，both the vibration acceleration amplitude and frequency spectrum amplitude are basically in a trend of increase.

Key wordsmetro vibration； transition curve section； vibration frequency；1/3-octave

Author′s addressShanghai Metro Maintenance Support Co.，Ltd.，200233，Shanghai，China

隧著地鐵建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，地鐵運(yùn)行誘發(fā)的振動對環(huán)境的影響尤為顯著，亟待研究和解決。文獻(xiàn)［1-2］對不同類型場地土的振動隨距離的衰減規(guī)律進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)［3］通過有限元模擬，分析了1～80 Hz的地鐵列車振動在距隧道中心170 m范圍內(nèi)地表振動加速度幅值和衰減特性。文獻(xiàn)［4］對地鐵線路某區(qū)間地面水平和豎向振動進(jìn)行了實(shí)測且研究了其振動衰減規(guī)律。文獻(xiàn)［5］測試了上海軌道交通9號線沿線近車站典型區(qū)段在地鐵運(yùn)行時(shí)地面的振動響應(yīng)。文獻(xiàn)［6］等研究了地面振動速度、加速度振級隨列車速度提高和軸重增加的變化規(guī)律。文獻(xiàn)［5，7-10］認(rèn)為地鐵運(yùn)行引起的地面振動在距離隧道中心某一位置處存在放大現(xiàn)象，甚至地表存在多個(gè)放大區(qū)。文獻(xiàn)［11-13］忽略了隧道線型對地表振動加速度的影響，認(rèn)為各類軌道交通系統(tǒng)運(yùn)行引起的地面振動多以豎向振動為主。文獻(xiàn)［14］用豎向Z振級來評價(jià)環(huán)境振動。文獻(xiàn)［15］通過對曲線段地面振動實(shí)測得知，距隧道中心一定范圍內(nèi)，水平振動強(qiáng)度明顯高于豎向振動，且曲線段由地鐵振動引起的地面振動量值較直線段大。目前已有的研究表明，對直線段地鐵運(yùn)行引起地表振動的傳播研究較多，而對緩和曲線和圓曲線段（尤其是緩和曲線）由地鐵運(yùn)行引起的地表振動傳播規(guī)律研究相對較少。

本文依托上海軌道交通9號線，對緩和曲線段地表加速度傳播規(guī)律進(jìn)行了現(xiàn)場測試，并在時(shí)域、頻域內(nèi)進(jìn)行了分析?？蔀榻窈蟮罔F工程的設(shè)計(jì)和建設(shè)提供理論支持和技術(shù)參考。

1 測試概況

1.1 測試場地選取

選取上海軌道交通9號線3期某區(qū)間為測試場地。該場地的地鐵線路位于緩和曲線上（相鄰圓曲線段半徑R=450 m），如圖1所示。該場地內(nèi)隧道為標(biāo)準(zhǔn)圓形盾構(gòu)隧道，埋深為13.2 m，外徑為6.2 m。隧道位于④1淤泥質(zhì)黏土層和⑤1-1黏土層中。測點(diǎn)范圍內(nèi)道床結(jié)構(gòu)為普通整體道床，扣件為科隆蛋減振扣件。

圖1 測試場地平面圖

1.2 測點(diǎn)布設(shè)及測試儀器

測試斷面垂直于隧道走向布設(shè)了5個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，距離隧道中心線的水平距離分別為0 m、5 m、10 m、20 m及30 m（如圖1、圖2所示）。

測試加速度傳感器采用891-2型拾振器，傳感器量程為±4 g（g為重力加速度）。采用DH 5920動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，采樣頻率為500 Hz。

圖2 測試斷面示意圖

1.3 有關(guān)信息

地鐵列車為A型車，設(shè)計(jì)時(shí)速為80 km/h。列車采用6節(jié)編組，每節(jié)車廂長23.54 m；空載列車重量為222.17 t；列車運(yùn)營間隔約5 min。測試段鋼軌軌面狀態(tài)良好。

2 振動測試結(jié)果分析

2.1 加速度時(shí)域分析

圖3為地表5個(gè)測點(diǎn)豎向及橫向加速度時(shí)程曲線。表1為根據(jù)18組加速度時(shí)程曲線得到的地表加速度峰值及有效值統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由圖3及表1可知，除5 m的測點(diǎn)外，地表其他測點(diǎn)的橫向加速度峰值為豎向加速度峰值的1.2～3.0倍，橫向加速度有效值為豎向加速度有效值的1.6～3.1倍。由于地層分布的不均勻性以及傳播過程中障礙物、傳播方向等因素的影響，導(dǎo)致5 m的測點(diǎn)規(guī)律與其他測點(diǎn)略有不同，但整體規(guī)律是緩和曲線段橫向加速度峰值及有效值均大于豎向加速度。

文獻(xiàn)［5］對上海軌道交通9號線近車站某直線段測試得到，0 m處測點(diǎn)豎向加速度峰值為橫向加速度峰值的3倍左右，與緩和曲線段規(guī)律完全不同。原因是在曲線地段，列車作離心運(yùn)動，此時(shí)外股鋼軌承受較大壓力，因此往往需要設(shè)置外軌超高來平衡離心力作用。由于列車實(shí)際運(yùn)行速度不完全與設(shè)計(jì)速度一致，因此存在未被平衡的超高（欠超高或過超高）。文獻(xiàn)［16］給出了未被平衡的橫向水平力與未被平衡超高之間的關(guān)系式：

式中：

ΔF——未被平衡的橫向水平力；

P——車體的重力；

Δh——未被平衡的超高；

S——兩軌頭中心線距離。

未被平衡的橫向力是產(chǎn)生橫向加速度的原因，如果該橫向力比較大，則會出現(xiàn)本文實(shí)測橫向振動加速度峰值及有效值均大于豎向加速度的現(xiàn)象。

2.2 加速度頻域分析

圖4為地表5個(gè)測點(diǎn)的加速度頻譜圖。由圖4可知，地表5個(gè)測點(diǎn)豎向和橫向加速度信號頻率集中在30～120 Hz區(qū)間，其中最顯著的頻率為30～50 Hz。由此可知，自振頻率處于該頻段的鄰近建筑物會受到地鐵振動的影響。

2.3 加速度1/3倍頻程振級分析

圖3 地表測點(diǎn)加速度時(shí)程曲線

表1 地表加速度峰值及有效值統(tǒng)計(jì)結(jié)果

地表振動屬于環(huán)境振動，對于環(huán)境振動水平一般常以加速度1/3倍頻程振級進(jìn)行評價(jià)。圖5為距隧道中心線不同距離的測點(diǎn)的1/3倍頻程中心頻率振級分布圖。由圖5可見，對于所有測點(diǎn)，0～20 Hz的低頻以及125 Hz以上的高頻部分加速度振級相對較小，一般在70 dB以下。振級較高的頻率集中在20～125 Hz，中心頻率為31.5 Hz時(shí)，加速度振級最高。隨著距隧道中心線距離的增大，各頻率的振級整體呈衰減趨勢。125～160 Hz頻率部分衰減相對較慢，尤其橫向加速度對此規(guī)律表現(xiàn)更為明顯，原因是125～160 Hz為鋼軌、道床及隧道壁振動加速度的主頻段，信號能量較強(qiáng)。理論上，距隧道中心線越遠(yuǎn)，振級應(yīng)越小，但圖5中，0 m和5 m處測點(diǎn)在31.5 Hz以下振級基本相同；20 m和30 m處測點(diǎn)在整個(gè)頻段內(nèi)振級也基本相同。這表明5 m處和30 m處加速度振級有放大現(xiàn)象。

由于人體對不同方向、不同頻率振動的敏感程度不同，加速度振級需根據(jù)不同的振動方向按照頻率計(jì)權(quán)。頻率計(jì)權(quán)加速度計(jì)算公式為：

式中：

Lw——計(jì)權(quán)振級；

ai——第i個(gè)1/3倍頻程帶的均方根加速度；

a0——參考加速度；

aw——頻率計(jì)權(quán)加速度；

Wi——第i個(gè)1/3頻帶的計(jì)權(quán)因數(shù)。

圖4 地表各測點(diǎn)加速度頻譜圖

圖5 地表各測點(diǎn)1/3倍頻程中心頻率振級分布圖

采用式（2）、式（3）對18組加速度實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，豎向和橫向加速度計(jì)權(quán)振級如圖6所示。由圖6 a）可見，豎向加速度計(jì)權(quán)振級最大值并沒有出現(xiàn)在隧道正上方，而是位于距離隧道中心線5 m的位置，最大值為84.5 dB。5 m以外豎向加速度計(jì)權(quán)振級隨著距離增加呈現(xiàn)減小的趨勢，在距離隧道中心線30 m處的加速度出現(xiàn)放大現(xiàn)象。由圖6 b）可見，橫向加速度振級隨著距離增加呈減小趨勢，同樣在距離隧道中心線30 m處出現(xiàn)放大現(xiàn)象。地表豎向和橫向加速度計(jì)權(quán)振級衰減規(guī)律均可以用三次多項(xiàng)式擬合：

式中：

x——距隧道中心的水平距離，m；

圖6 加速度計(jì)權(quán)振級

y——加速度計(jì)權(quán)振級，dB；

A——隧道正上方地表的加速度計(jì)權(quán)振級；

B、C、D——回歸擬合參數(shù)，其取值如表2所示。

表2 回歸擬合參數(shù)表

我國《城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)》［14］中規(guī)定：居民、文教區(qū)晝間和夜間豎向Z振級標(biāo)準(zhǔn)值為70 dB和67 dB。由圖6 a）可知，當(dāng)距離大于10.2 m時(shí)，Z振級小于70 dB；當(dāng)距離大于11.5 m時(shí)，Z振級小于67 dB。因此，本文實(shí)測場地地鐵運(yùn)行引起地表振動超過標(biāo)準(zhǔn)值的范圍為：白天為隧道中心線向兩側(cè)各10.2 m的范圍；夜間為隧道中心線向兩側(cè)各11.5 m的范圍。

2.4 列車速度對土體動力響應(yīng)的影響分析

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，上海軌道交通9號線地鐵列車經(jīng)過測試區(qū)間時(shí)，列車的行駛速度皆在50～75 km/h以內(nèi)，通過測點(diǎn)的時(shí)間為7～10 s。將列車行駛速度劃分為4個(gè)速度檔，如表3所示。

表3 列車行車速度分檔

列車不同行車速度檔下隧道正上方地表土體的豎向、橫向振動加速度最大值及平均值柱狀圖如圖7所示。由圖7 a）可知，隧道正上方地表土體豎向振動加速度幅值的最大值與平均值均隨列車行駛速度的增大而增大，說明列車車速對地表土體豎向振動加速度存在影響。由圖7 b）可知，隧道正上方地表土體橫向振動加速度幅值隨列車車速的變化規(guī)律并不明顯，橫向振動加速度幅值在速度檔2時(shí)最大。

圖7 不同速度檔下隧道正上方地表土體振動加速度

對不同速度檔列車經(jīng)過時(shí)的隧道正上方地表土體振動加速度進(jìn)行頻譜分析，并對各速度檔不同列車經(jīng)過時(shí)的頻譜取平均值，得到隧道正上方地表土體豎向及橫向振動加速度在各個(gè)頻率上的分布情況，如圖8所示。由圖8可知，隧道正上方土體豎向、橫向加速度頻譜峰值都出現(xiàn)在速度檔4，頻譜峰值隨列車車速的增大基本呈增大趨勢。

圖8 不同速度檔下隧道正上方地表土體振動加速度頻譜圖

3 結(jié)論

本文依托上海軌道交通9號線，對緩和曲線段地鐵運(yùn)行引起的地表加速度傳播規(guī)律進(jìn)行了實(shí)測研究，且對時(shí)域、頻域以及1/3倍頻程進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

（1）不同線型（緩和曲線段和直線段）地鐵列車運(yùn)行引起的地表加速度傳播規(guī)律不同。直線段豎向加速度峰值一般較橫向大，而在緩和曲線段，本文實(shí)測的橫向加速度峰值是豎向加速度峰值的0.9～3.0倍，橫向加速度有效值是豎向加速度有效值的0.9～3.1倍。緩和曲線段由未被平衡的超高引起的未被平衡的橫向力是產(chǎn)生橫向加速度的原因。該橫向力比較大時(shí)，會出現(xiàn)地表橫向振動加速度大于豎向加速度的現(xiàn)象。

（2）地表豎向和橫向加速度頻率分布在30～120 Hz，其中最顯著頻率為30～50 Hz。自振頻率處于該頻段的鄰近建筑物會受到地鐵振動影響。

（3）地表加速度振級隨著與隧道中心線水平距離的增加呈現(xiàn)減小趨勢；在距離隧道中心線5 m、30 m處出現(xiàn)加速度放大區(qū)；地表加速度振級衰減規(guī)律可以用三次多項(xiàng)式描述。

（4）隨著列車行駛速度增大，地表土體振動加速度幅值、頻譜峰值基本呈增大趨勢。

［1］JORGEN J.Ground vibration from rail traffic［J］.Journal of Low Frequency Noise and Vibration，1987，6（3）：356-361.

［2］JORGEN J.Transmission of ground-borne vibration in building［J］.Journal of Low Frequency Noise and Vibration，1989，7（3）：412-417.

［3］耿傳智,廖志軍.地鐵振動衰減特性研究［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，37（3）：344-348.

［4］樓夢麟，賈旭鵬，俞潔勤.地鐵運(yùn)行引起的地面振動實(shí)測及傳播規(guī)律分析［J］.防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)，2009，29（3）：282-288.

［5］屈迪.近車站地鐵運(yùn)行引起環(huán)境振動的實(shí)驗(yàn)與分析［D］.大連:大連理工大學(xué),2013.

［6］閆維明，張祎，任珉，等.地鐵運(yùn)營誘發(fā)振動實(shí)測及傳播規(guī)律［J］.北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，32（2）：149-154.

［7］趙欣.城市軌道交通列車誘發(fā)周圍環(huán)境振動影響分析［J］.城市軌道交通研究，2015（8）：76-80.

［8］鄭鑫，陶夏新，王福彤，等.軌道交通地面振動衰減關(guān)系中局部放大現(xiàn)象形成機(jī)理研究［J］.振動與沖擊，2014，33（3）：35-40.

［9］馬蒙，劉維寧，王文斌.軌道交通地表振動局部放大現(xiàn)象成因分析［J］.工程力學(xué)，2013，30（4）：275-280.

［10］張啟樂，劉林芽，李紀(jì)陽.地鐵運(yùn)行引起地面局部振動放大現(xiàn)象的數(shù)值分析［J］.噪聲與振動控制，2015，35（2）：116-120.

［11］閆維明，聶晗，任珉，等.地鐵交通引起地面振動的實(shí)測和分析［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，3（2）：1-5.

［12］常樂，閆維明，任珉，等.高架路交通誘發(fā)的地面振動測試與分析［J］.振動、測試與診斷，2009，29（2）：175-178.

［13］崔高航,陶夏新,陳憲麥.城軌交通沿線地面環(huán)境振動衰減實(shí)測分析［J］.沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，24（1）：39-43.

［14］國家環(huán)境保護(hù)局.城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)：GB 10070—1988［S］.北京：中國質(zhì)檢出版社，1988：1.

［15］袁揚(yáng)，劉維寧，劉衛(wèi)豐.基于現(xiàn)場測試的曲線段地鐵地面振動傳播規(guī)律［J］.中國鐵道科學(xué)，2012，33（4）：133-138.

［16］喻濤.曲線未被平衡超高引起的橫向力分析［D］.成都：西南交通大學(xué)，2010.

In-situ Measurement of Ground Vibration Caused by Metro Operation on Transition Curve Section and Analysis of the Propagation Law

ZHOU Liang

U211.3：U231

10.16037/j.1007-869x.2017.09.012

2015-11-22）