場(chǎng)地振動(dòng)響應(yīng)與地鐵運(yùn)行速度的變化特征分析

劉必?zé)?，鄔玉斌，宋瑞祥，何蕾，張婧

（北京市勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)研究所，北京 100054）

引言

城市軌道交通是解決人口集中型城市擁堵和高效出行的最有效方案之一，這得益于其高效安全、節(jié)能省地且污染小的優(yōu)點(diǎn)。據(jù)中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)發(fā)布的2018年年報(bào)[1]，截止2018年年末，全國(guó)35個(gè)城市已開通軌道交通，總運(yùn)營(yíng)里程超5700km，在建線路里程超6300km，2018年度全國(guó)累計(jì)完成客運(yùn)量達(dá)210億人次；以北京和上海為例，兩座城市軌道交通總運(yùn)營(yíng)里程數(shù)分別達(dá)713和785km，日均客運(yùn)量均超過1000萬人次。高峰時(shí)段全國(guó)平均發(fā)車間隔為265s，平均日運(yùn)營(yíng)時(shí)長(zhǎng)16.6h，平均車公里能耗僅4.09kW·h，運(yùn)營(yíng)效率高、安全且能耗低?，F(xiàn)階段軌道交通線路以地鐵為主，如北京軌道交通713km的總運(yùn)營(yíng)里程中地鐵里程達(dá)617km。這說明地鐵在城市集約化發(fā)展進(jìn)程中扮演著越來越重要的角色。地鐵在帶來便利的同時(shí)，對(duì)沿線居民住宅及敏感建筑造成的環(huán)境振動(dòng)與噪聲污染問題[2、3]也不容忽視，處理失當(dāng)將會(huì)直接影響宜居城市建設(shè)歷程。但是，隨著地鐵建設(shè)的迅猛發(fā)展，其運(yùn)行引起的振動(dòng)污染問題越來越凸顯，如北京市西直門地鐵線路150m處的五層居民樓內(nèi)振動(dòng)能明顯被人感知，且長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)會(huì)致室內(nèi)家具移位[4]；北京地鐵某線路運(yùn)行致使沿線某單位宿舍樓長(zhǎng)期實(shí)測(cè)振動(dòng)超過80dB，引起了市政府的高度關(guān)注。

地鐵運(yùn)行所致的振動(dòng)與噪聲受諸如列車結(jié)構(gòu)形式及運(yùn)行模式、軌道結(jié)構(gòu)及減振措施、隧道結(jié)構(gòu)等多種因素的影響。列車運(yùn)行模式主要與輪軌—道床—隧道結(jié)構(gòu)的耦合振動(dòng)有關(guān)，同時(shí)也和列車通過速度變化引起的輪軌相互作用強(qiáng)烈程度有關(guān)。隨著列車運(yùn)行的速度越來越高，在有限的列車運(yùn)行區(qū)間內(nèi)，列車加減速越來越頻繁，例如北京某最高設(shè)計(jì)時(shí)速160km的線路，從0～100km時(shí)速加速距離僅為40m。因此研究在有限區(qū)間內(nèi)列車運(yùn)行引起的隧道結(jié)構(gòu)和場(chǎng)地土振動(dòng)隨列車運(yùn)行速度的影響意義重大，這將為線路減振設(shè)計(jì)、線路近距離物業(yè)開發(fā)時(shí)場(chǎng)地上建筑布局具有重要的指導(dǎo)價(jià)值。本研究對(duì)北京市某地鐵線路速度快速增加行車區(qū)間段的隧道結(jié)構(gòu)和場(chǎng)地土振動(dòng)進(jìn)行實(shí)測(cè)分析，初步揭示場(chǎng)地振動(dòng)響應(yīng)與地鐵列車運(yùn)行速度的變化特征，將為后期減振措施建議、工程場(chǎng)地上建筑結(jié)構(gòu)功能區(qū)劃分提供依據(jù)。

1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

北京市有關(guān)科研所于2019年對(duì)北京市某地鐵車站附近不同車速斷面處線路道床、軌道、隧道結(jié)構(gòu)、場(chǎng)地土進(jìn)行了豎向振動(dòng)測(cè)試，以了解地鐵運(yùn)行車速對(duì)外環(huán)境振動(dòng)影響規(guī)律。該測(cè)試區(qū)段為普通整體道床，未采用軌道減振措施，軌道系統(tǒng)采用1435mm標(biāo)準(zhǔn)軌距和60kg/m鋼軌，車輛形式為B型車6節(jié)編組、軸重14t，隧道埋深30～33m。地鐵隧道內(nèi)振動(dòng)測(cè)試工作采用24h不間斷連續(xù)測(cè)量，在350m范圍內(nèi)布設(shè)了3個(gè)車速70～90km/h的測(cè)試斷面，共獲取了超過250組軌道—道床—隧道壁振動(dòng)數(shù)據(jù)。場(chǎng)地土振動(dòng)測(cè)試工作在列車活動(dòng)頻繁的晚高峰時(shí)段開展，在350m范圍內(nèi)布設(shè)了4個(gè)車速70～90km/h的測(cè)試斷面，共獲取了超過20組場(chǎng)地土振動(dòng)數(shù)據(jù)，測(cè)點(diǎn)布設(shè)見圖1，其中T1測(cè)點(diǎn)位置為明挖區(qū)間隧道位置、T2、T3為盾構(gòu)區(qū)間隧道位置。研究分析了3個(gè)隧道測(cè)試斷面中洞壁測(cè)點(diǎn)的250次列車通過振動(dòng)時(shí)程數(shù)據(jù)，這三個(gè)測(cè)點(diǎn)相距分別為220m和130m，列車通過車速分別為70km/h、80km/h、90km/h，測(cè)點(diǎn)位于距軌面高約1.9m處，加速度計(jì)通過底座強(qiáng)力磁鐵吸附在用AB膠粘貼于洞壁的L型鐵支架上，見圖2（a）。同時(shí)還分析了4個(gè)場(chǎng)地土測(cè)試點(diǎn)的20次列車通過時(shí)程，這四個(gè)測(cè)點(diǎn)相距分別為100m、150m和100m,列車通過車速分別為70km/h、75km/h、85km/h、90km/h,測(cè)點(diǎn)位于隧道中心線兩側(cè)20m范圍的場(chǎng)地土上，加速度計(jì)固定在堅(jiān)硬地面上，當(dāng)為非硬化地面時(shí)先打鋼釬以實(shí)現(xiàn)傳感器和地面穩(wěn)固接觸，以達(dá)到和硬化地面相似的測(cè)點(diǎn)布設(shè)條件，見圖2（b）。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置示意圖

圖2 測(cè)點(diǎn)示意圖

測(cè)試中采用了8344型壓電加速度計(jì)[5]和INV3062T型采集儀，傳感器經(jīng)TMS9110D便攜式振動(dòng)校準(zhǔn)器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)。8344型加速度計(jì)具有測(cè)量范圍大、靈敏度高且噪聲小等特點(diǎn)，其技術(shù)特點(diǎn)見表1。3062T型采集儀具有4個(gè)24位高精度AD采集通道，動(dòng)態(tài)范圍保證值達(dá)110dB，采樣率可達(dá)51.2kHz且頻率分辨率誤差小于0.01%，量程可選10V/1V/0.1V，誤差小于0.05mVrms（@±10V），總諧波失真為-70dB。9110D型振動(dòng)校準(zhǔn)器可實(shí)現(xiàn)5～10 000Hz、幅值最大20g的調(diào)頻式校準(zhǔn)，5～10Hz和10～10 000Hz加速度校準(zhǔn)精度分別達(dá)5%和3%。加速度計(jì)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)結(jié)果與其出廠標(biāo)定值一致，偏差小于±0.01dB，試驗(yàn)中其參數(shù)采用出廠值。

表1 B&K 8344型壓電晶體加速度傳感器技術(shù)指標(biāo)

振動(dòng)基本評(píng)價(jià)指標(biāo)采用了最大Z計(jì)權(quán)振動(dòng)加速度級(jí)VLZmax，其含義是規(guī)定測(cè)量時(shí)間T內(nèi)，Z計(jì)權(quán)振動(dòng)加速度級(jí)VLZ的最大值，單位為dB。其中VLZ是按GB/T 13441.1規(guī)定的計(jì)權(quán)因子[6]修正后得到的振動(dòng)加速度級(jí)VAL，單位為dB；VAL是指加速度與基準(zhǔn)加速度之比的以10為底的對(duì)數(shù)乘以20，基準(zhǔn)加速度取10-6m/s2。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

表2列出了隧道壁及地面振動(dòng)的最大Z振級(jí)隨不同列車通過車速時(shí)的變化特點(diǎn)，圖3給出了3個(gè)隧道壁測(cè)點(diǎn)振動(dòng)隨列車車速變化的最大Z振級(jí)變化圖，圖4給出了4個(gè)地面測(cè)點(diǎn)振動(dòng)隨列車車速變化的最大Z振級(jí)變化圖。從圖3、圖4和表2中可看出，無論是最大值、最小值還是平均值，區(qū)間隧道里洞壁結(jié)構(gòu)豎向振動(dòng)的最大Z振級(jí)隨列車通過車速增加而增加，車速達(dá)90km時(shí)平均值達(dá)到79dB；地面測(cè)點(diǎn)豎向的最大Z振級(jí)也隨列車通過車速增加而增加，當(dāng)隧道中列車通過車速達(dá)90km時(shí)其上方場(chǎng)地土振動(dòng)達(dá)71.9dB。整體而言，無論是隧道壁振動(dòng)還是隧道外地面振動(dòng)都表現(xiàn)出豎向振動(dòng)與列車通過車速的正相關(guān)性。從隧道壁和場(chǎng)地土最大Z振級(jí)隨列車車速增加的增幅來看，其增幅都遠(yuǎn)大于《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則-城市軌道交通》（HJ 453—2018）[7]中關(guān)于振級(jí)隨速度修正的“導(dǎo)則模型”計(jì)算值，分析原因，這可能與所選的幾個(gè)測(cè)試斷面處于明挖矩形區(qū)間隧道和圓形盾構(gòu)區(qū)間隧道交界區(qū)，其振動(dòng)源強(qiáng)特征本身的差異性有關(guān)。從初步測(cè)試結(jié)果看，利用導(dǎo)則模型進(jìn)行低速預(yù)測(cè)高速振動(dòng)量時(shí)會(huì)偏于不安全。同時(shí)，也應(yīng)指出，該研究的結(jié)果還需進(jìn)行更多工況的試驗(yàn)和更多測(cè)試數(shù)據(jù)的支撐，后期將開展這方面的深入研究。

表2 測(cè)點(diǎn)振動(dòng)實(shí)測(cè)最大Z振級(jí)

圖3 不同隧道洞壁測(cè)點(diǎn)振動(dòng)隨車速變化圖

圖4 不同地面測(cè)點(diǎn)振動(dòng)隨車速變化圖

另外，由于列車通過車速為70km/h的測(cè)線位于明挖矩形區(qū)間隧道中，其T1洞壁豎向振動(dòng)較小，S1洞外地面振動(dòng)較大，這可能與明挖矩形區(qū)間隧道自身結(jié)構(gòu)體量較大，能較好的抑制振動(dòng)有關(guān)；列車通過車速為90km/h的T3測(cè)點(diǎn)位于盾構(gòu)區(qū)間隧道中，其T3洞壁豎向振動(dòng)較大，S4洞外地面振動(dòng)較小，洞壁到地面振動(dòng)表現(xiàn)為衰減特征。

圖5給出了4個(gè)場(chǎng)地土測(cè)點(diǎn)振動(dòng)隨列車車速變化的多組數(shù)據(jù)算術(shù)平均1/3倍頻程變化圖，該1/3倍頻程考慮了人體計(jì)權(quán)因子[6]。

圖5 不同地面測(cè)點(diǎn)振動(dòng)頻譜隨車速變化圖

從圖5可看出，近隧道地面場(chǎng)地土振動(dòng)頻率成分主要集中在25～125Hz之間，通過車速為70km/h的S1測(cè)點(diǎn)和75km/h的S2測(cè)點(diǎn)平均1/3倍頻程卓越頻率為80Hz，通過車速為85km/h的S3測(cè)點(diǎn)和90km/h的S4測(cè)點(diǎn)平均1/3倍頻程卓越頻率為63Hz?？傮w而言，地鐵運(yùn)行誘發(fā)地面振動(dòng)卓越頻率隨著車速增加有降低的趨勢(shì)。但應(yīng)該注意到，從地面測(cè)點(diǎn)振動(dòng)10～25Hz中頻段振級(jí)來看，車速為70～75km/h時(shí)振級(jí)值要顯著大于車速85～90km/h時(shí)振級(jí)值。因此，可以認(rèn)為在10～25Hz的中頻段地鐵運(yùn)行誘發(fā)地面振動(dòng)隨車速增加而降低，在25～125Hz的中高頻段地鐵誘發(fā)地面振動(dòng)隨車速增加而增加。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)北京市某地鐵不同車速斷面處線路的隧道洞壁及其上部場(chǎng)地土進(jìn)行了豎向振動(dòng)測(cè)試，分析了地鐵運(yùn)行車速對(duì)環(huán)境振動(dòng)的影響規(guī)律。在350m范圍內(nèi)布設(shè)了3個(gè)隧道洞壁測(cè)點(diǎn)和4個(gè)場(chǎng)地土測(cè)點(diǎn)，車速?gòu)?0km/h逐漸增加到90km/h，獲取了超過250組隧道洞壁連續(xù)測(cè)試振動(dòng)數(shù)據(jù)和超過20組場(chǎng)地土連續(xù)測(cè)試振動(dòng)數(shù)據(jù)。分析表明：

（1）隧道壁振動(dòng)和場(chǎng)地土豎向振動(dòng)與列車通過車速表現(xiàn)為明顯的正相關(guān)性，隧道洞壁結(jié)構(gòu)豎向最大Z振級(jí)隨列車通過車速增加而增加，車速達(dá)到90km時(shí)平均值達(dá)到79dB；地面測(cè)點(diǎn)豎向最大Z振級(jí)也隨列車通過車速增加而增加，車速達(dá)90km時(shí)其上方地面振動(dòng)達(dá)到71.9dB。

（2）列車通過車速為90km/h的盾構(gòu)區(qū)間隧道洞壁豎向振動(dòng)大于地面振動(dòng)，洞壁到地面振動(dòng)表現(xiàn)出明顯的衰減特征。

（3）地鐵運(yùn)行誘發(fā)地面振動(dòng)頻率成分主要集中在25～125Hz，隨著車速增加測(cè)點(diǎn)振動(dòng)平均1/3倍頻程卓越頻率從80Hz逐漸降低至63Hz。在10～25Hz的中頻段地鐵運(yùn)行誘發(fā)地面振動(dòng)隨車速增加而降低，在25～125Hz的中高頻段地鐵誘發(fā)地面振動(dòng)隨車速增加而增加。

該研究?jī)H給出了初步分析結(jié)果，其相關(guān)結(jié)論還需經(jīng)過后期多工況補(bǔ)充測(cè)試數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，列車通過車速與外環(huán)境振動(dòng)強(qiáng)度的定量關(guān)系還需進(jìn)行深入研究。