地鐵列車進(jìn)出站對(duì)換乘站振動(dòng)影響實(shí)測(cè)分析

馮青松，廖春明，張 凌，劉慶杰

( 華東交通大學(xué)鐵路環(huán)境振動(dòng)與噪聲教育部工程研究中心，南昌330013)

隨著我國(guó)城市軌道交通的快速發(fā)展，城市地鐵線路不斷密集，兩條或多條地鐵線路交匯的換乘站頻繁出現(xiàn)?；诰G色交通概念，地鐵換乘站可提高土地資源利用率，方便乘客換乘，提高地鐵交通網(wǎng)的運(yùn)輸效率，并能緩解地面交通壓力和空氣污染問題，同時(shí)車站內(nèi)可進(jìn)行物業(yè)開發(fā)，利用其商業(yè)價(jià)值，提高經(jīng)濟(jì)效益。換乘站有著許多的優(yōu)點(diǎn)，但由于車站內(nèi)地鐵列車進(jìn)出站頻繁，其振動(dòng)激勵(lì)通過軌道、道床傳到站臺(tái)，再經(jīng)由樓板傳到站廳層及工作人員辦公區(qū)，工作人員長(zhǎng)期暴露于振動(dòng)環(huán)境中易影響工作甚至生理健康[1]。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)地鐵振動(dòng)問題進(jìn)行了一系列研究。劉維寧等[2]明確給出了交通環(huán)境振動(dòng)的一般強(qiáng)度、頻率與傳播特征，并且分析了12 個(gè)影響振動(dòng)的主要因素，總結(jié)國(guó)內(nèi)正在研究的8 個(gè)方向和面臨的3個(gè)問題。張謙等[3–5]根據(jù)波數(shù)展開法推導(dǎo)列車進(jìn)出站時(shí)所引起的柱面縱向振動(dòng)和軸向激勵(lì)作用下的出平面波的振動(dòng)響應(yīng)。高偉等[6]建立了地下多層島-側(cè)式交疊式換乘站模型，對(duì)比分析不同工況下商場(chǎng)樓板振動(dòng)規(guī)律。Ma 等[7]、張逸靜等[8]分析了列車通過軌道時(shí)所引起的土層振動(dòng)。馮青松等[9]基于實(shí)測(cè)振動(dòng)數(shù)據(jù)采用大質(zhì)量法進(jìn)行多點(diǎn)激勵(lì)，分析了雙振源激勵(lì)對(duì)上蓋建筑物樓板振動(dòng)的影響。陳艷明等[10]基于下沉式車輛段實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析了下沉式地鐵車輛段咽喉區(qū)的振源特性與地鐵振動(dòng)沿蓋板和不同樓層的傳播規(guī)律。崔聰聰?shù)萚11]建立高鐵地鐵綜合交通樞紐車站模型，從時(shí)域和頻域的角度分析了地鐵列車激勵(lì)下南昌西站的振動(dòng)特性。Tao 等[12]基于實(shí)測(cè)分析了地鐵列車對(duì)上蓋物業(yè)建筑內(nèi)部振動(dòng)與噪聲特性的影響及振動(dòng)傳遞規(guī)律。周凌宇等[13]基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析了列車運(yùn)行所引起的振動(dòng)與噪聲對(duì)地鐵車站站廳層的影響。目前地鐵列車進(jìn)出站引起的車站結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)研究多停留于理論研究與模型仿真階段，相關(guān)的地鐵換乘站的振動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究較少，并且已有文獻(xiàn)中的地鐵車站多為單線車站，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，目前少有關(guān)于復(fù)雜地鐵換乘車站的振動(dòng)特性研究。

本文基于廣州某地鐵換乘車站內(nèi)的各層樓板的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析在不同行車工況下的地鐵換乘站各樓板的振動(dòng)特性，為地鐵換乘站振動(dòng)精準(zhǔn)預(yù)測(cè)及振動(dòng)控制提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 換乘站概況

換乘站位于廣州地區(qū)某兩條線路交匯處，呈十字交叉型，共兩層，負(fù)一樓由地鐵A號(hào)線與站廳層及辦公區(qū)共用，站臺(tái)類型為側(cè)式站臺(tái)，上下行線路之間為設(shè)備夾層，兩側(cè)式站臺(tái)之間通過負(fù)二層通道換乘。地鐵B號(hào)線在負(fù)二層，站臺(tái)類型為島式站臺(tái)，此換乘站也是地鐵B 號(hào)線終點(diǎn)站。根據(jù)資料顯示，地鐵A號(hào)線走向?yàn)闁|南至西北，車站總長(zhǎng)為195.5 m，站臺(tái)有效寬度為3.8 m，線路西南端為明挖區(qū)段；地鐵B號(hào)線總長(zhǎng)為291.32 m，站臺(tái)有效寬度為12 m。地鐵車站辦公區(qū)也設(shè)置在負(fù)一樓，在換乘站東北角。

1.2 測(cè)點(diǎn)布置及儀器選用

本次測(cè)試中采集儀采用德國(guó)Head 公司SQuadrigaⅢ數(shù)據(jù)采集儀，采用ArtemiS 數(shù)據(jù)采集分析軟件分析數(shù)據(jù)，采用941B 加速度傳感器和DH610V加速度傳感器，如圖1所示。

圖1 振動(dòng)測(cè)試設(shè)備

在換乘站測(cè)試中主要布置了3個(gè)測(cè)試斷面。共選取9 個(gè)測(cè)點(diǎn)S1～S9。S1～S4測(cè)點(diǎn)位于負(fù)一樓垂直于地鐵A 號(hào)線列車運(yùn)行方向，分別距離地鐵A 號(hào)線線路中心線5.3 m、9.3 m、13.3 m 及17.3 m，S1、S3測(cè)點(diǎn)位于柱腳；S2、S4測(cè)點(diǎn)位于梁跨中位置；S5～S8測(cè)點(diǎn)位于負(fù)二樓垂直于地鐵B 號(hào)線列車運(yùn)行方向，因測(cè)試期間，地鐵B 號(hào)線列車進(jìn)站出站都在下行線上運(yùn)行，因此，測(cè)點(diǎn)S5設(shè)置于下行線玻璃墻旁；測(cè)點(diǎn)S6位于柱腳，在負(fù)一樓測(cè)點(diǎn)S1正下方；測(cè)點(diǎn)S7位于負(fù)二樓站臺(tái)中部；測(cè)點(diǎn)S8位于框架柱旁，S5～S8分別距B號(hào)線下行中心線1.7 m、3.7 m、7.7 m及11.7 m。測(cè)點(diǎn)S9位于負(fù)一樓辦公區(qū)休息室內(nèi)，休息室是平時(shí)供工作人員休息、就餐的場(chǎng)所。振動(dòng)測(cè)點(diǎn)的位置及數(shù)量能準(zhǔn)確反映地鐵列車進(jìn)出站時(shí)樓層的振動(dòng)特性，S1～S8每個(gè)測(cè)點(diǎn)處放置兩個(gè)方向的拾振器(Z為垂直方向，X為順軌方向)，測(cè)點(diǎn)S9處僅放置Z方向的拾振器，測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 測(cè)點(diǎn)布置圖

A 號(hào)線路車型為L(zhǎng) 型列車，編組為4 組，總長(zhǎng)70 m；B 號(hào)線路車型為B 型列車，編組為6 組，總長(zhǎng)120 m。在負(fù)一樓和負(fù)二樓測(cè)點(diǎn)處各自獨(dú)立進(jìn)行測(cè)試，在處理數(shù)據(jù)時(shí)，將地鐵列車進(jìn)出站同一時(shí)刻的振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納整理，每個(gè)測(cè)點(diǎn)處測(cè)了22組的數(shù)據(jù)，根據(jù)波形完整、無干擾無畸形的原則，分別選取10 組列車進(jìn)、出站有效車次進(jìn)行時(shí)域、頻譜、1/3倍頻程加速度級(jí)分析及Z振級(jí)分析。

2 站臺(tái)振動(dòng)響應(yīng)分析

2.1 負(fù)一樓振動(dòng)分析

本節(jié)測(cè)試了多組地鐵A號(hào)線列車進(jìn)、出車站時(shí)所引起的地面垂向、水平振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)，選取其中一組典型數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。圖3至圖6給出了負(fù)一樓柱邊測(cè)點(diǎn)S1與梁跨中測(cè)點(diǎn)S3在列車進(jìn)、出站時(shí)垂向、水平加速度時(shí)域與頻譜曲線，可知：

圖3 列車進(jìn)站時(shí)垂向加速度時(shí)程與頻譜

圖4 列車進(jìn)站時(shí)水平加速度時(shí)程與頻譜

圖5 列車出站時(shí)垂直加速度時(shí)程與頻譜

圖6 列車出站時(shí)水平加速度時(shí)程與頻譜

(1)在列車進(jìn)站制動(dòng)工況下，測(cè)點(diǎn)S1和S3的垂向加速度峰值分別為0.079 m/s2和0.054 m/s2，水平加速度峰值分別為0.048 m/s2和0.023 m/s2，垂向加速度幅值明顯大于水平加速度，進(jìn)站工況下列車一開始所引起的垂向、水平振動(dòng)加速度最大，隨著車速逐漸降低，振動(dòng)加速度幅值逐漸減小，在列車最后停止前那一段時(shí)間，振動(dòng)加速度經(jīng)歷短暫驟增再減小的過程。測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度幅值隨著與線路中心線垂直距離增大而明顯降低。

(2)在列車出站啟動(dòng)工況下，測(cè)點(diǎn)S1和S3的垂向加速度峰值分別為0.19 m/s2和0.126 m/s2，水平加速度峰值分別為0.08 m/s2和0.063 m/s2，垂向加速度幅值顯著大于水平加速度，且列車出站啟動(dòng)所引起的振動(dòng)加速度明顯大于列車進(jìn)站制動(dòng)所引起的振動(dòng)加速度，列車出站啟動(dòng)時(shí)所引起的垂向、水平振動(dòng)加速度在前幾秒內(nèi)經(jīng)歷較小驟增然后減小的過程，再隨著列車速度增大而逐漸增加到峰值。

(3)列車進(jìn)、出站工況下，測(cè)點(diǎn)S1和S3垂向振動(dòng)響應(yīng)在頻譜上主要分布在25 Hz～50 Hz 和90 Hz～140 Hz頻段上；其水平振動(dòng)響應(yīng)主要分布在90 Hz～120 Hz 頻段，測(cè)點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)隨距線路中心線的增大而減小，垂向振動(dòng)響應(yīng)幅值顯著大于水平向。

2.2 負(fù)二樓振動(dòng)分析

圖7 至圖10 給出了地鐵B 號(hào)線列車在進(jìn)、出站工況下負(fù)二樓門邊測(cè)點(diǎn)S5和柱邊測(cè)點(diǎn)S8垂向、水平加速度時(shí)域與頻譜曲線，可知：

圖7 列車進(jìn)站時(shí)垂向加速度時(shí)程與頻譜

圖8 列車進(jìn)站時(shí)水平加速度時(shí)程與頻譜

圖9 列車出站時(shí)垂向加速度時(shí)程與頻譜

圖10 列車出站時(shí)水平加速度時(shí)程與頻譜

(1)在列車進(jìn)站制動(dòng)工況下，測(cè)點(diǎn)S5和S8的垂向加速度峰值分別為0.107 m/s2和0.045 m/s2；水平加速度峰值分別為0.034 m/s2和0.019 m/s2，垂向加速度幅值略大于水平加速度，負(fù)二樓垂向加速度大于負(fù)一樓垂向加速度，負(fù)二樓水平加速度大于負(fù)一樓水平加速度。列車出站啟動(dòng)工況下，測(cè)點(diǎn)S5和S8的垂向加速度峰值分別0.166 m/s2和0.081 m/s2；水平加速度峰值分別為0.039 m/s2和0.035 m/s2，垂向加速度大于水平加速度，負(fù)二樓垂向、水平加速度小于負(fù)一樓。

(2)進(jìn)站制動(dòng)工況下各測(cè)點(diǎn)的垂向、水平加速度振動(dòng)響應(yīng)在頻譜上主要分布在25 Hz～50 Hz 和100 Hz～140 Hz 兩頻段上。出站啟動(dòng)工況下，垂向、水平振動(dòng)響應(yīng)主要分布在75 Hz～150 Hz頻段上，測(cè)點(diǎn)的垂向振動(dòng)響應(yīng)峰值隨著到振源距離的增大而向低頻偏移，測(cè)點(diǎn)S5水平振動(dòng)響應(yīng)在主頻段小于測(cè)點(diǎn)S8的振動(dòng)響應(yīng)，在其它頻段大于測(cè)點(diǎn)S8的振動(dòng)響應(yīng)。

3 Z振級(jí)分析

3.1 豎向振動(dòng)衰減規(guī)律

為研究換乘站振動(dòng)沿柱方向衰減規(guī)律，采集負(fù)二樓地鐵B 號(hào)線列車出站工況下測(cè)點(diǎn)S1和S6的垂向、水平加速度，采用1/3 倍頻程及插入損失進(jìn)行分析。

振動(dòng)加速度級(jí)記為L(zhǎng)a，單位為分貝（dB）。

其中：a為振動(dòng)加速度有效值，m/s2；a0為基準(zhǔn)加速度，a0=10-6m/s2。

圖11 為兩測(cè)點(diǎn)的垂向、水平1/3 倍頻程圖，可知：同樓層測(cè)點(diǎn)垂向振動(dòng)加速度級(jí)大于水平加速度級(jí)，且振動(dòng)加速度級(jí)在不同中心頻率處大小、趨勢(shì)相同；負(fù)二樓測(cè)點(diǎn)S6在4 Hz～31.5 Hz頻段加速度級(jí)遞增，在31.5 Hz～50 Hz頻段略微衰減，在50 Hz～100 Hz頻段加速度級(jí)逐漸增加并在100 Hz出現(xiàn)峰值，垂向最大加速度級(jí)為77.06 dB，水平最大加速度級(jí)為73.53 dB，之后逐漸降低。負(fù)一樓測(cè)點(diǎn)S1垂直、水平加速度級(jí)在4 Hz～80 Hz頻段增加，在80 Hz以后減小，在中心頻率80 Hz處出現(xiàn)最大值，垂向最大加速度級(jí)為59.58 dB，水平最大加速度級(jí)為53.64 dB。

圖11 樓層1/3倍頻譜

采用分頻段插入損失比分析樓層豎向振動(dòng)衰減，分頻段插入損失比公式為

式中：ηi為負(fù)二樓與負(fù)一樓第i個(gè)1/3 倍頻段的插入損失比；Ti為負(fù)二樓第i個(gè)1/3倍頻段振動(dòng)加速度級(jí)；Bi為負(fù)一樓第i個(gè)1/3倍頻段振動(dòng)加速度級(jí)。

圖12 為負(fù)二樓與負(fù)一樓分頻段插入損失比垂向、水平對(duì)比，可得：在4 Hz～6.3 Hz 和50 Hz～63 Hz 頻段上，垂向加速度插入損失比大于水平加速度，在8 Hz～50 Hz 和63 Hz～200 Hz 頻段上，垂向加速度插入損失比小于水平加速度，垂向最大插入損失比為0.25，水平最大插入損失比為0.29。

圖12 負(fù)二樓-負(fù)一樓插入損失比

3.2 橫向振動(dòng)傳播規(guī)律

為掌握地鐵換乘站各樓層振動(dòng)分布情況，基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析地鐵振動(dòng)沿樓板的傳播規(guī)律。圖13分別為負(fù)一樓、負(fù)二樓各測(cè)點(diǎn)的垂向振級(jí)隨距離的變化曲線。Z 振級(jí)分析中，通過將測(cè)試數(shù)據(jù)按ISO2631/1—1997規(guī)定的頻率計(jì)權(quán)曲線Wk計(jì)權(quán)修正得到Z振級(jí)。

圖13 Z振級(jí)擬合曲線

對(duì)負(fù)一樓、負(fù)二樓的Z振級(jí)進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如表1 所示。y為Z 振級(jí)，x為到振源距離?？傻茫篫振級(jí)擬合曲線公式的擬合度分別為0.78 和0.83，擬合良好，其中負(fù)一樓截距為88.05，負(fù)二樓截距為82，列車引起的振動(dòng)響應(yīng)隨著垂直軌向距離的增加而線性衰減，負(fù)一樓振源所引起的振動(dòng)線性衰減率為0.3 dB?m-1，負(fù)二樓振源所引起的振動(dòng)線性衰減率為0.91 dB?m-1，負(fù)二樓樓板振動(dòng)衰減比負(fù)一樓樓板快，沿柱方向水平振動(dòng)衰減大于垂向振動(dòng)衰減。

表1 加速度級(jí)擬合公式

4 辦公室振動(dòng)響應(yīng)分析

為分析地鐵A號(hào)線列車進(jìn)出站工況下辦公區(qū)休息室的振動(dòng)特性，鑒于影響人體舒適度的頻率范圍在0～80 Hz 頻段上，對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜、1/3 倍頻程分析時(shí)只考慮前80 Hz以下。圖14為地鐵A號(hào)線上行線出站啟動(dòng)、下行線進(jìn)站制動(dòng)工況及背景振動(dòng)的時(shí)程圖，通過選取典型的各10趟地鐵列車進(jìn)站和出站時(shí)段上所引起的振動(dòng)及背景振動(dòng)，采用1/3倍頻程進(jìn)行分析，圖15為相對(duì)應(yīng)的1/3倍頻程圖?？芍?/p>

圖14 休息室振動(dòng)加速度時(shí)域圖

圖15 休息室1/3倍頻程圖

(1)列車出站工況下所引起的辦公室休息區(qū)振動(dòng)加速度峰值為0.005 m/s2，列車進(jìn)站工況下的振動(dòng)加速度峰值為0.006 6 m/s2，背景振動(dòng)加速度峰值為0.001 2 m/s2，其振動(dòng)加速度大小特征相似于站臺(tái)測(cè)點(diǎn)處。

(2)進(jìn)出站時(shí)的加速度級(jí)大小相似，2 Hz～4 Hz的振動(dòng)加速度級(jí)主要是背景振動(dòng)造成的，其為地鐵車站內(nèi)機(jī)器設(shè)備正常工作所產(chǎn)生的，列車進(jìn)出站引起的振動(dòng)主要頻率范圍在20 Hz～50 Hz 和63 Hz～80 Hz 頻段，進(jìn)站工況下的主要振動(dòng)頻率在31.5 Hz或80 Hz處，峰值為44.98 dB～47.69 dB，出站工況下在80 Hz 上出現(xiàn)最大振動(dòng)加速度級(jí)，為45.18 dB～48.73 dB。進(jìn)站工況下的平均振級(jí)為64.12 dB，出站工況下的平均振級(jí)為60.87 dB，小于標(biāo)準(zhǔn)GB 10070－1988《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)于線路兩側(cè)文教區(qū)所規(guī)定的振動(dòng)限值70 dB，滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語

(1)同層地鐵列車進(jìn)出站工況下測(cè)點(diǎn)垂向加速度大于水平加速度；出站工況下的振動(dòng)加速度幅值大于進(jìn)站工況下；負(fù)一樓樓板振動(dòng)響應(yīng)大于負(fù)二樓地板振動(dòng)響應(yīng)。列車進(jìn)站制動(dòng)工況下，加速度先驟增到峰值再逐漸減小，最后有小段加速度小幅度驟增再減的過程；列車出站啟動(dòng)工況下，一開始加速度有小段增大再驟減、再逐漸增大到峰值的過程，進(jìn)出站時(shí)列車加速度分兩個(gè)階段。在頻譜上，無論哪種工況，其振動(dòng)響應(yīng)主要頻段為20 Hz～50 Hz和80 Hz～150 Hz。

(2)列車引起的振動(dòng)響應(yīng)隨著垂直軌向距離的增加而線性衰減，負(fù)一樓振源引起的振動(dòng)的線性衰減率為0.3 dB?m-1，負(fù)二樓振源引起的振動(dòng)的線性衰減率為0.91 dB?m-1，負(fù)二樓樓板振動(dòng)衰減比負(fù)一樓樓板快，沿柱方向水平振動(dòng)衰減大于垂向振動(dòng)衰減。

(3)辦公區(qū)休息室的加速度級(jí)在列車進(jìn)出站時(shí)大小相似，2 Hz～4 Hz 上的振動(dòng)加速度級(jí)主要由地鐵車站內(nèi)機(jī)器設(shè)備正常工作時(shí)發(fā)生的振動(dòng)所導(dǎo)致的，列車進(jìn)出站引起的振動(dòng)響應(yīng)主要集中在20 Hz～50 Hz 和63 Hz～80 Hz 頻段，進(jìn)站工況下在31.5 Hz或80 Hz處有最大值，為44.98 dB～47.69 dB，出站工況下在80 Hz處出現(xiàn)最大振動(dòng)加速度級(jí)，為45.18 dB～48.73 dB。進(jìn)站工況下的平均振級(jí)為64.12 dB，出站工況下的平均振級(jí)為60.87 dB，小于標(biāo)準(zhǔn)GB 10070－1988《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)于線路兩側(cè)文教區(qū)所規(guī)定的振動(dòng)限值70 dB，滿足規(guī)范要求。