地鐵折返線環(huán)境振動試驗研究

歐陽康淼，尹 京，楊宜謙

(1.北京東直門機(jī)場快速軌道交通有限公司，北京 100027;2.中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

隨著我國城市化建設(shè)的快速發(fā)展，交通環(huán)境振動對科研單位和高等院校的精密儀器、振動敏感設(shè)備的影響越來越大［1-5］。北京地鐵15號線一期計劃先后下穿京包鐵路、地鐵13號線、荷清路、清華大學(xué)東配樓東側(cè)停車場至清華東站。清華東站為側(cè)式站臺，站后設(shè)折返線，終點鄰近清華大學(xué)東配樓。折返線岔心縱向距東配樓東南角245 m，隧道壁橫向距東配樓東南角56 m。為預(yù)測地鐵折返線對東配樓內(nèi)精密儀器的振動影響，分別選取隧道埋深、工程地質(zhì)和隧道結(jié)構(gòu)等條件類似的已運營地鐵10號線勁松站和大興線天宮院站折返線進(jìn)行地面振動類比測試。本文主要對比分析兩條折返線行車產(chǎn)生的地面振動及其傳遞規(guī)律。

1 試驗場地概況

北京地鐵10號線勁松站位于朝陽區(qū)東三環(huán)勁松橋南側(cè)主路旁，其折返線隧道結(jié)構(gòu)和地質(zhì)條件與15號線清華東站折返線較為接近，但地面三環(huán)主路晝間交通流量較大，主要為小客車和公交車。大興線天宮院站位于大興區(qū)新源大街與天府路交匯處，車站南側(cè)為地面車輛段，折返線埋深較淺，且存在延伸至地面的較大縱坡，但地面基本無公路交通，環(huán)境較為安靜。兩條折返線具體隧道參數(shù)和地質(zhì)條件與15號線折返線的比較見表1。

2 測點布置和測試工況

2.1 勁松站折返線

北京地鐵10號線勁松站折返線現(xiàn)場測試共選取6個斷面，測試內(nèi)容包括垂向和水平向振動加速度、速度、位移。具體測點位置見圖1，位置依次為:

斷面①，岔心斷面，距地鐵西側(cè)隧道壁55 m處地表面;

斷面②，斷面①沿線路縱向向南115 m處地表面;

斷面③，斷面②沿線路縱向向南130 m處地表面;

斷面④，斷面③沿線路縱向向南30 m處地表面;

斷面⑤，斷面④沿線路縱向向南30 m處地表面;

斷面⑥，斷面④遠(yuǎn)離線路向西橫移30 m處地表面。

圖1 10號線勁松站折返線振動地面測點布置

其中，斷面③距折返線岔心縱向距離245 m，橫向距隧道壁55 m，相當(dāng)于清華大學(xué)東配樓東南角距清華東站折返線岔心距離，為重要對比測點。

現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)共計160組，主要分為4種工況:

工況1，10號線地鐵側(cè)向過岔(含三環(huán)路交通)，共計76組數(shù)據(jù);

表1 折返線隧道參數(shù)和地質(zhì)條件比較

工況2，10號線地鐵直行過岔(含三環(huán)路交通)，共計76組數(shù)據(jù);

工況3，無地鐵列車條件下三環(huán)路交通，共計6組數(shù)據(jù);

工況4，無過車條件下環(huán)境振動，共計2組數(shù)據(jù)。

2.2 天宮院站折返線

北京地鐵大興線天宮院站折返線現(xiàn)場測試共選取6個斷面，測試內(nèi)容包括垂向和水平向振動加速度、速度、位移。具體測點位置見圖2，位置依次為:

斷面①，岔心斷面，距岔心約60 m處地表面;

斷面②，斷面①沿線路縱向向南115 m處地表面;

斷面③，斷面②沿線路縱向向南130 m處地表面;

斷面④，斷面③靠近線路向東橫移50 m處地表面;

斷面⑤，斷面③沿線路縱向向南60 m處地表面;

斷面⑥，斷面③遠(yuǎn)離線路向西橫移30 m處地表面。

其中，斷面③距折返線岔心縱向距離245 m，橫向距隧道壁約55 m，相當(dāng)于清華大學(xué)東配樓東南角距清華東站折返線岔心距離，為重要對比測點。

現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)共計88組，主要分為3種工況:

工況1，大興線地鐵側(cè)向過岔，共計41組數(shù)據(jù);

工況2，大興線地鐵直向過岔，共計41組數(shù)據(jù);

工況3，無過車條件下環(huán)境振動，共計6組數(shù)據(jù)。

3 測試數(shù)據(jù)分析

3.1 勁松站折返線

實測10號線勁松站折返線斷面③處垂向振動加速度主頻為4～23 Hz，東西水平向振動加速度主頻為7～25 Hz，南北水平向振動加速度主頻為5～25 Hz。

圖2 大興線天宮院站折返線地面測點布置(單位:m)

從圖3～圖5三個方向?qū)崪y結(jié)果可以看出，同一趟列車側(cè)向過岔和直行過岔時，兩者在斷面③處的振動加速度1/3倍頻程曲線很接近;距離越遠(yuǎn)，中心頻率30 Hz以上高頻振動衰減相對低頻振動更為明顯，因此地鐵列車側(cè)向過岔和直行過岔引起的高頻振動差異通過較大距離的衰減后，兩者差異更小。

圖3 勁松站斷面③垂向加速度1/3倍頻程曲線

圖4 勁松站斷面③東西水平向加速度1/3倍頻程曲線

圖5 勁松站斷面③南北水平向加速度1/3倍頻程曲線

圖6 列車側(cè)向過岔時勁松站各測點垂向加速度比較

圖7 列車直行過岔時勁松站各測點垂向加速度比較

圖6、圖7分別給出了列車側(cè)向過岔、直行過岔時各斷面測點垂向加速度1/3倍頻程曲線比較，并從中選取中心頻率 5 Hz，10 Hz，20 Hz，40 Hz，80 Hz 的垂向加速度值繪制隨距離變化的衰減曲線，如圖8所示。從三個圖中可以看出:斷面①列車通過產(chǎn)生的高頻振動明顯;斷面②處高頻振動衰減很大，而中低頻振動衰減相對較小;斷面③、斷面⑤由于距岔心較遠(yuǎn)，列車已停車折返，過岔和制動產(chǎn)生的振動傳遞到這里時已大幅衰減，實測此處的振動水平接近地鐵無過車時環(huán)境振動水平。

圖8 列車直行過岔時勁松站各測點垂向加速度的衰減

3.2 天宮院站折返線

實測大興線天宮院站折返線斷面③處垂向振動加速度主頻為4～25 Hz，東西水平向振動加速度主頻為7～30 Hz，南北水平向振動加速度主頻為7～33 Hz。

從圖9～圖11三個方向?qū)崪y結(jié)果可以看出，同一趟列車側(cè)向過岔和直行過岔時，兩者在斷面③處的振動加速度1/3倍頻程曲線很接近，中心頻率30 Hz以上兩者差異更小。

圖9 天宮院站斷面③垂向加速度1/3倍頻程曲線

圖10 天宮院站斷面③東西水平向加速度1/3倍頻程曲線

圖11 天宮院站斷面③南北水平向加速度1/3倍頻程曲線

圖12、圖13分別給出了列車側(cè)向過岔、直行過岔時各斷面測點垂向加速度1/3倍頻程曲線衰減比較，并從中選取中心頻率 5 Hz，10 Hz，20 Hz，40 Hz，80 Hz的垂向加速度值繪制隨距離變化的衰減曲線，如圖14所示。其基本衰減規(guī)律與勁松站折返線分析結(jié)果相似，但在斷面③附近振動略微增大，這主要有3點原因:

1)勁松站折返線相對較短，列車很快制動并折返，而天宮院站折返線較長，制動區(qū)間距離斷面③更近。

2)天宮院站折返線為上坡，岔心斷面隧道埋深約為15.3 m，斷面③處隧道埋深約為10.7 m。

圖12 列車側(cè)向過岔時天宮院站各測點垂向加速度比較

圖14 列車直行過岔時天宮院站各測點垂向加速度的衰減

3)天宮院站折返線隧道一直延伸出地面，列車過岔和制動產(chǎn)生的振動將會沿著隧道壁縱向傳遞，而勁松站折返線隧道末端并未延伸到斷面③。

4 結(jié)論

1)勁松站折返線距岔心縱向距離245 m的斷面③處地面垂向振動加速度主頻為4～23 Hz，東西水平向為7～25 Hz，南北水平向為5～25 Hz;大興線天宮院站折返線斷面③處垂向振動加速度主頻為4～25 Hz，東西水平向為7～30 Hz，南北水平向為7～33 Hz。

2)同一趟列車側(cè)向過岔和直行過岔時，兩者在斷面③處的振動加速度1/3倍頻程曲線很接近;中心頻率30 Hz以上兩者差異更小，這主要是因為距離越遠(yuǎn)高頻振動衰減相對低頻振動更為明顯。

3)斷面①列車通過產(chǎn)生的高頻振動明顯;斷面②高頻振動衰減很大，而中低頻振動衰減相對較小;斷面③、斷面⑤由于距岔心較遠(yuǎn)，列車已停車折返，過岔和制動產(chǎn)生的振動傳遞到這里時已大幅衰減，實測此處的振動水平接近地鐵無過車時環(huán)境振動水平。

［1］ 楊宜謙，尹京，劉鵬輝，等．清華大學(xué)精密儀器環(huán)境振動影響評價［J］．桂林理工大學(xué)學(xué)報，2012，32(3):360-365．

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［5］ 馬莉，宣言，馬筠，等．地鐵隧道不同軌道結(jié)構(gòu)形式對建筑物的仿真分析［J］．鐵道建筑，2011(1):110-113．