高速鐵路沿線地面環(huán)境振動特性的實測與分析

劉 騰，雷曉燕，劉慶杰

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

高速鐵路沿線地面環(huán)境振動特性的實測與分析

劉 騰，雷曉燕，劉慶杰

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

通過對我國某高速鐵路路基區(qū)段高速列車引起的周圍環(huán)境地面振動進行現(xiàn)場實測，根據(jù)測試數(shù)據(jù)進行了功率譜分析、Z振級分析和1/3倍頻程分析。分析結(jié)果表明，列車以250～350 km·h-1高速運行時，在距軌道中心線水平距離30～60 m處，地面振動隨列車速度的提高而增大；地面振動能量主頻在40 Hz左右；地面各處振動呈波動式變化，隨距離傳播規(guī)律是平均每10 m減少2～3 dB，且高頻振動的衰減速度大于低頻振動的衰減速度，遠離振源處以低頻振動為主。

高速鐵路；地面振動；振動特性

隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，交通問題的日益突出，高速鐵路以其運量大、能耗低、占地小、安全可靠等特點，成為解決交通問題的重要手段；但是列車運行產(chǎn)生的環(huán)境振動問題也日益頻繁，從而對臨近建筑物及地下管道、精密儀器和設(shè)備等產(chǎn)生了不可忽略的負面影響。國際上已把環(huán)境振動列入國際七大公害之一［1］，并已開始著手研究振動污染規(guī)律、振動產(chǎn)生的原因、傳播路徑與控制方法以及對人體的危害等問題。

關(guān)于軌道交通系統(tǒng)誘發(fā)的環(huán)境振動，國內(nèi)外學者利用各種方法進行了大量研究。日本學者T.Fujikake［2］、吉岡修［3］等就新干線高速列車對環(huán)境振動的影響進行了現(xiàn)場測試，分析了車輛、軌道、橋梁、地面等不同部位的振動特點；丹麥Jakobsen Jorgen［4］對鐵路交通引起的地面振動進行了測試，試圖找出路基附近的地面振動水平與交通運輸量及軌道參數(shù)之間的關(guān)系，確定不同類型場地土的振動隨距離的衰減規(guī)律；雷曉燕［5］從車輛—軌道相互作用研究指出，當列車以一定速度通過軌道時，車輛和軌道在各個方向均產(chǎn)生振動，并分析了其主要原因；邊學成［6］、曹艷梅［7］等從數(shù)值方面對軌道交通系統(tǒng)誘發(fā)地基及建筑物振動進行了分析；夏禾［8］及高廣運［9］對軌道交通引起的地面振動進行了實測，為研究地面振動提供了大量的試驗結(jié)論。

文章給出了我國高速鐵路誘發(fā)沿線地面振動的實測分析，在頻域內(nèi)對測試數(shù)據(jù)進行了深入分析，據(jù)此分析了高速鐵路誘發(fā)環(huán)境振動在頻域內(nèi)的傳播規(guī)律和分布特點。

1 測試簡況

全線由高架橋梁、隧道和路基組成。高架橋梁軌道系統(tǒng)采用的是CRTSII型板式無碴軌道系統(tǒng)，橋面系結(jié)構(gòu)依次由滑動層、底座板、CA砂漿層、軌道板、側(cè)向擋塊組成，再鋪設(shè)60 kg·m-1的500 m長鋼軌，實行無縫焊接。整條線路水平誤差不超過0.1 mm。測試地點在路基附近500 m范圍內(nèi)為自由場地，地質(zhì)條件為粉沙土、粘質(zhì)沙土、沙質(zhì)粘土地層。測點布置如圖1所示，在自由場地內(nèi)共布置了4個測點，分別設(shè)在距軌道中心線水平距離30，40，50和60 m處。測試采用東華5920動態(tài)采集儀、VM53A的理音振動采集儀，采樣頻率為500 Hz，共測試30趟列車。

圖1 測點分布示意圖Fig.1 Distribution of observing points

2 測試數(shù)據(jù)處理方法

對測得的數(shù)據(jù)進行功率譜分析、Z振級分析和1/3倍頻程分析。采用韋爾奇法［10］來給出振動信號的功率譜密度函數(shù)估計。按照我國的城市區(qū)域環(huán)境振動標準GB10070-1988規(guī)定，采用ISO2631的1/3倍頻的計算方法，得出地面振動加速度級（簡稱振級）。振動加速度級VAL是根據(jù)各中心頻率的有效值按照下面公式計算得到：

式中：a0為基準加速度，取值為10-6m·s-2；a為振動加速度有效值，m·s-2；af表示頻率為f的振動加速度有效值，m·s-2；cf為振動加速度對應不同頻率的感覺修正值［11-12］。按照GB10070-1988中鉛垂向Z振級標準進行環(huán)境振動評價。

3 測試結(jié)果分析

3.1 功率譜分析

功率譜分析的目的是了解振動加速度信號的能量分布和頻率成分，以了解引起振動的原因及其與能量輸入的相互關(guān)系。

為了研究地面振動的時域和頻域特性，選取第16趟列車通過時的數(shù)據(jù)進行分析，該趟車是一列客車，速度為330 km·h-1。其對應各測點的地面豎向振動時程及頻譜曲線如圖2所示。

圖2 地面豎向振動時程及頻譜曲線Fig.2 Time-history and the spectrum curves of ground vertical vibration

通過圖2的時域圖可以看出，當列車通過時，地面振動的響應是隨距軌道中心線水平距離的增加呈逐漸衰減的趨勢。通過圖2中的頻譜圖可以看出，距軌道中心線水平距離30，40，50，60 m處地面振動的主頻主要集中在40 Hz左右，其主峰值隨距離增加而逐漸減小，且在遠振源50，60 m處地面振動的低頻成分上升，說明地面振動主頻在遠離振源處向低頻發(fā)展，即，低頻振動傳遞較遠，高頻振動衰減較快。

3.2 Z振級分析

為了解不同距離處Z振級的響應特性（取車速為330 km·h-1的第16號車次），通過（1）式求出距軌道中心線水平距離30，40，50，60 m處的Z振級的時域曲線如圖3所示。由圖可知，地面各測點處Z振級總的變化趨勢是先波動式上升，再平緩波動，后逐漸波動式下降；在30 m處的振動加速度級主要集中在60～70 dB之間，60 m處的振動加速度級主要集中在55～65 dB之間，在30～60 m的傳播過程中，振動級平均減少約5 dB。

考慮車速對地面振動的影響，選取車速分別為250，300，350 km·h-1下地面各測點處的VLz，max（取時間為1 s）的分布情況如圖4所示。由圖可知，客車在250～350 km·h-1范圍內(nèi)行駛，引起地面的振動隨車速的提高而增大；地面各處VLz，max的衰減趨勢大概一致呈線性，平均每10 m衰減2～3 dB；在不同測點，當列車速度從250 km·h-1提高到350 km·h-1時，振級增加了1.5～4 dB，且距離越近差距越大，說明速度對靠近振源的地面影響較大。

由以上分析可以看出，速度在250～350 km·h-1范圍內(nèi)的客車，鐵路環(huán)境振動在GB10070-1988規(guī)定限值80 dB以下。

圖3 地面Z振級時域曲線Fig.3 Time zone curves of z-level vibration

圖4 不同車速VLz，max隨距離衰減情況Fig.4 Decrease of VLZ,maxwith distance at different speeds

3.3 1/3倍頻程分析

將所采集到的數(shù)據(jù)通過傅里葉變換進行1/3倍頻分析是為了更清楚的分析各頻域內(nèi)地面振動的特性，以便了解不同頻域內(nèi)振動隨振源距離變化和隨車速變化的情況（倍頻程分析的最大中心頻率取80 Hz）。我國的城市區(qū)域環(huán)境振動標準GB10070-1988所采用的是ISO2631所使用的1/3倍頻的計算方法。據(jù)此得出不同速度1/3倍頻程圖和不同距離1/3倍頻程圖分別為圖5、圖6。

圖5 不同速度1/3倍頻程分析Fig.5 Calculation of 1/3 octave band at different speeds

圖6 不同距離1/3倍頻程分析Fig.6 Calculation of 1/3 octave band with different distance

從圖5、圖6可以推知，速度在300～350 km·h-1的客車，引起距軌道中心線30，40，50，60 m處的豎向振動能量主要集中在8～80 Hz范圍內(nèi)，且振動能量先后在10～12.5 Hz處、40 Hz附近達到峰值；隨與振源距離的逐漸增大，中心頻率大于40 Hz的振級逐漸衰減，而中心頻率在1～20 Hz范圍內(nèi)振級變化甚小，甚至有增大現(xiàn)象，說明地面高頻振動的衰減速度大于低頻振動的衰減速度，這與前面頻譜分析結(jié)果相一致。

4 結(jié)論

1）當客車以250～350 km·h-1速度通過時，在30～60 m處地面振動的響應是隨距軌道中心線水平距離的增加呈逐漸衰減的趨勢，平均每10 m衰減2～3 dB。

2）不同頻域內(nèi)地面振動隨距離的傳播特性：低頻振動較高頻振動衰減更慢，遠離振源處地面振動以低頻為主。

3）高速客車運行時地面振動能量主要集中在8～80 Hz范圍內(nèi)，并先后在10～12.5 Hz處、40 Hz附近達到峰值。

4）客車引起地面振動隨著車速的提高而增加，車速變化對靠近振源處地面振動影響較大。

［1］高廣運，孫雨明，吳世明.鐵路產(chǎn)生的地面振動與減振［M］.上海：同濟大學出版社，2002：64-72.

［2］ FUJIKAKA T.A preduction method for the propagation of ground vibration from railway train［J］.Journal of Sound and Vibration，1986，111（2）：289-297.

［3］吉岡修.新干線列車走行にすそ沿線の地盤振動［J］.鐵道技術(shù)，1986，43（7）：265-269.

［4］ JAKOBSEN JORGEN.Ground vibration from rail traffic［J］.Journal of Low Frequency Noise and Vibration，1987，6（3）：120-126.

［5］雷曉燕.軌道力學與工程新方法［M］.北京：中國鐵道出版社，2002.

［6］邊學成.高速列車荷載作用下高架橋和地基振動分析［J］.振動工程學報，2006，19（4）：438-445.

［7］曹艷梅，夏禾，戰(zhàn)家旺.運行列車引起高層建筑物振動的實驗研究及數(shù)值分析［J］.工程力學，2006，23（11）：182-187.

［8］夏禾，張楠，曹艷梅.列車對周圍地面及建筑物振動影響的試驗研究［J］.鐵道學報，2004，26（4）：93-98.

［9］高廣運，李志毅，馮世進.秦-沈鐵路列車運行引起的地面振動實測與分析［J］.巖土工程學報，2007，28（9）：1817-1822.

［10］WANG JI，HU XIAO.The application of MATLAB in the vibration signal processing［M］.Beijing：China Water Conservancy and Hydropower Press，2006.

［11］ ISO2631/1.Mechanical vibration and shock-evaluation of human exposure to whole body vibration-part1：general requirements［S］.1997.

［12］ ISO2631/2.Mechanical vibration and shock-evaluation of human exposure to whole body vibration-part2：Continuous and shock induced vibration in buildings（1―80 Hz）［S］.1989.

Survey andAnalysis of the Vibration Characteristic of Ground Environment along the Rapid Transit Railway Line

Liu Teng Lei Xiaoyan Liu Qingjie
（Engingeering Research Center of Railway Environment Vibration and Noise，Ministry of Education，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China）

In this paper，on-the-spot measurement of the ground vibration induced by high-speed railway is conducted.According to the data，the Pow Spectrum，the z-level vibration and 1/3 octave band are analyzed.The results show that when the vehicle speed is 250-350 km·h-1，the vibration level away from centerline of 30-60 m will increase with the vehicle speed.The main frequency of vibration energy is about 40 Hz.The vibration level has fluctuation changing trend and decreases 2-3 dB every ten miles.The attenuating speed of high frequency vibration is greater than that of low frequency vibration.At the same time，the low-frequency vibration dominates the far places.

high-speed railroad；ground-borne vibration；vibration characteristic

TB53

A

1005-0523（2011）04-0019-04

2011-04-22

國家自然科學基金項目（50978099）；江西省優(yōu)勢科技創(chuàng)新團隊計劃項目（［2010］210）

劉騰（1987－），男，碩士研究生，研究方向為高速軌道動力學。