地鐵施工期間運(yùn)輸車(chē)輛引起的振動(dòng)實(shí)測(cè)與分析

劉加華 邢海靈 蔣 通

(1.上海申通地鐵集團(tuán)技術(shù)中心，201103，上海;2.同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所，200090∥第一作者，高級(jí)工程師)

城市軌道交通作為當(dāng)前解決現(xiàn)代化城市交通問(wèn)題的最有效措施，其運(yùn)營(yíng)期間引起的環(huán)境振動(dòng)問(wèn)題已成為人們關(guān)注和研究的熱點(diǎn)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究人員已從理論分析、數(shù)值模擬及試驗(yàn)實(shí)測(cè)等多方面對(duì)城市軌道交通地下線列車(chē)運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行了大量研究［1］，在減振降噪方面也采用了多種減振措施并取得了良好的效果［2］。當(dāng)前，我國(guó)正處于軌道交通建設(shè)的高峰期，但相對(duì)而言，對(duì)城市軌道交通地下線施工階段產(chǎn)生的各種振動(dòng)問(wèn)題的相關(guān)研究和成果卻較少。我國(guó)環(huán)境評(píng)價(jià)導(dǎo)則［3］也僅對(duì)地下線施工引起的環(huán)境振動(dòng)問(wèn)題提出了框架性的要求。所以，開(kāi)展地鐵施工期間運(yùn)輸車(chē)輛引起振動(dòng)的研究顯得很有必要。

目前，在地下線建設(shè)施工過(guò)程中，隧道內(nèi)水平運(yùn)輸常用兩種施工運(yùn)輸車(chē)輛:其一是在盾構(gòu)隧道掘進(jìn)施工過(guò)程中，采用電瓶車(chē)運(yùn)輸盾構(gòu)管片、渣土和漿液等材料和構(gòu)件;其二是軌道鋪設(shè)或強(qiáng)電等施工期間，采用軌道車(chē)運(yùn)輸預(yù)制軌排或電纜、設(shè)備等部件。電瓶車(chē)的車(chē)體各部位是剛性連接而未設(shè)減振緩沖裝置，且其運(yùn)行的軌道通常為臨時(shí)性的簡(jiǎn)易軌道。軌道車(chē)運(yùn)行時(shí)，新鋪設(shè)的軌道未焊接，例如鋼軌接頭未做處理、浮置板區(qū)段內(nèi)的浮置板尚未頂升等。故盾構(gòu)電瓶車(chē)或軌道車(chē)在施工區(qū)間內(nèi)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的環(huán)境振動(dòng)有可能影響臨近建筑物內(nèi)居民的生活，甚至影響到沿線某些精密儀器和設(shè)備設(shè)施的正常運(yùn)行。

本文通過(guò)對(duì)上海某在建地鐵隧道內(nèi)的振動(dòng)實(shí)測(cè)，分析了地鐵施工中盾構(gòu)電瓶車(chē)和軌道車(chē)運(yùn)行引起隧道振動(dòng)的時(shí)頻特性，并與既有線路地鐵運(yùn)行引起的振動(dòng)進(jìn)行了對(duì)比。所得結(jié)果和結(jié)論可為地鐵施工期間盾構(gòu)隧道內(nèi)運(yùn)輸車(chē)輛引起環(huán)境振動(dòng)的評(píng)價(jià)與防治提供參考。

1 盾構(gòu)電瓶車(chē)運(yùn)行引起的振動(dòng)

1.1 測(cè)試條件與測(cè)點(diǎn)布置

盾構(gòu)掘進(jìn)施工中，一般鋪設(shè)簡(jiǎn)易的臨時(shí)軌道用于渣土和盾構(gòu)管片的運(yùn)輸。臨時(shí)軌道的軌枕采用30 kg/m的工字型鋼，鋼軌接縫采用簡(jiǎn)易夾板連接，通過(guò)臨時(shí)扣件(螺栓和墊片)固定于型鋼軌枕上，軌枕直接放置在隧道管片上。本次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)臨時(shí)軌道情況如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)電瓶車(chē)用臨時(shí)軌道

本次測(cè)試所使用的盾構(gòu)電瓶車(chē)由25 t牽引機(jī)車(chē)、運(yùn)渣車(chē)/漿液車(chē)和管片車(chē)混合編組，如圖2所示。與城市軌道交通乘客列車(chē)相比，盾構(gòu)電瓶車(chē)未設(shè)置任何減振緩沖裝置，且在施工條件下車(chē)輪不可避免地沾有泥土雜質(zhì)。測(cè)試時(shí)，電瓶車(chē)在滿載狀態(tài)下以常時(shí)工作運(yùn)行速度5 km/h往返通過(guò)測(cè)試斷面。

圖2 地鐵隧道內(nèi)的盾構(gòu)電瓶車(chē)

本次測(cè)試的測(cè)點(diǎn)選定為隧道底部和隧道壁。其中，隧道底部豎向測(cè)點(diǎn)設(shè)置在隧道管片底部中心線處，兩側(cè)隧道壁豎向測(cè)點(diǎn)與隧道底部測(cè)點(diǎn)處于同一斷面內(nèi)。測(cè)點(diǎn)上布置豎向振動(dòng)加速度傳感器。

測(cè)試使用丹麥BK3503信號(hào)采集模塊和BK4513B型壓電加速度傳感器，有效測(cè)量頻段為1 Hz～10 kHz，測(cè)量范圍0～±10 g(g為重力加速度)。測(cè)試中采樣頻率為4096 Hz。

1.2 實(shí)測(cè)豎向振動(dòng)加速度時(shí)域分析

盾構(gòu)電瓶車(chē)通過(guò)測(cè)點(diǎn)斷面時(shí)，隧道底部和隧道壁豎向振動(dòng)加速度的典型時(shí)程曲線如圖3所示。從圖3中可看出，振動(dòng)持續(xù)時(shí)間約為20 s，信號(hào)中存在多個(gè)沖擊峰值，測(cè)試條件下的隧道底部的振動(dòng)明顯大于隧道壁的振動(dòng)。

圖3 實(shí)測(cè)振動(dòng)加速度時(shí)程曲線(電瓶車(chē)通過(guò)時(shí))

1.3 實(shí)測(cè)豎向振動(dòng)加速度頻譜分析

振動(dòng)加速度時(shí)程的功率譜能直觀地展現(xiàn)其能量分布，且常用于軌道交通引起的振動(dòng)分析。對(duì)于離散型振動(dòng)時(shí)間過(guò)程 xk(其中，k=1，2，…，n)，使用工程中最常用的Welch方法進(jìn)行功率譜估計(jì)［4］:

式中:

S(jω)——功率譜;

ω——圓頻率;

wk——離散窗函數(shù)。

本文使用工程中常用的Hanning窗進(jìn)行功率譜估計(jì)。

隧道底部和隧道壁多次測(cè)試的功率譜最小和最大包絡(luò)值及平均值如圖4所示。由圖4可見(jiàn)，盾構(gòu)電瓶車(chē)引起隧道底部和隧道壁的振動(dòng)卓越頻段均為10～100 Hz，在此頻段內(nèi)存在多個(gè)峰值。其中，隧道底部振動(dòng)在頻段40～80 Hz相對(duì)較大，而隧道壁振動(dòng)在10～20 Hz內(nèi)的振動(dòng)峰值占主導(dǎo)地位。

工程中另一種常用的頻域分析方法是采用1/3倍頻程譜。以不計(jì)權(quán)振動(dòng)加速度級(jí)表示的隧道壁和隧道底部1/3倍頻程最大、最小值與平均值如圖5所示。由圖5可見(jiàn)，兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的振級(jí)在3～10 Hz范圍急劇增大，自10 Hz起以相對(duì)緩慢的幅度增大，直至達(dá)到400～500 Hz后開(kāi)始下降。

圖4 測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度功率譜

圖5 測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度1/3倍頻程

根據(jù)我國(guó)《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)測(cè)量方法》［5］中對(duì)振動(dòng)加速度級(jí)的定義:

式中:

aw——頻率計(jì)權(quán)的加速度有效值;

a0——基準(zhǔn)加速度，10－6m/s2。

對(duì)于每次測(cè)試的振動(dòng)樣本，以1 s為時(shí)間計(jì)權(quán)常數(shù)來(lái)計(jì)算VLZ，并取全程最大值VLZ，max作為該樣本的代表值。按實(shí)測(cè)資料，分別算得隧道底部和隧道壁多次測(cè)試的 VLZ，max平均值分別為86.1 dB和75.7 dB。

2 軌道車(chē)運(yùn)行引起的振動(dòng)

2.1 測(cè)試條件與測(cè)點(diǎn)布置

由于地下線不同區(qū)段采用的軌道結(jié)構(gòu)形式不同，本文僅介紹普通軌道區(qū)段的測(cè)試結(jié)果。測(cè)試區(qū)段為混凝土整體道床，60 kg/m鋼軌，普通DTVII型扣件。軌道鋪設(shè)施工階段，相鄰鋼軌間通常預(yù)留間隙，本次測(cè)試斷面附近的鋼軌接頭間隙約為5 mm。

本次測(cè)試使用的軌道車(chē)由內(nèi)燃機(jī)牽引車(chē)和1節(jié)用于運(yùn)輸軌排的平板車(chē)組成。測(cè)試中軌道車(chē)為重車(chē)，按照常時(shí)工作狀態(tài)運(yùn)輸2層軌排。組織軌道車(chē)分別以車(chē)速 5 km/h、10 km/h、15 km/h、20 km/h 的速度通過(guò)測(cè)試斷面，以測(cè)試車(chē)速對(duì)振動(dòng)的影響。

隧道內(nèi)測(cè)點(diǎn)選定在道床和隧道壁，其中道床豎向測(cè)點(diǎn)分別安裝在道床中心線和外軌下，兩側(cè)隧道壁豎向測(cè)點(diǎn)與道床測(cè)點(diǎn)處于同一斷面位置。測(cè)試儀器及設(shè)置與盾構(gòu)電瓶車(chē)測(cè)試情況相同。

2.2 實(shí)測(cè)豎向振動(dòng)加速度時(shí)域分析

軌道車(chē)分別以10 km/h和20 km/h的速度通過(guò)測(cè)試斷面時(shí)，道床中心和隧道壁豎向振動(dòng)加速度時(shí)程曲線如圖6所示。從圖6中可看出，測(cè)試條件下道床的振動(dòng)明顯大于隧道壁上的振動(dòng)，道床和隧道壁振動(dòng)信號(hào)中均存在數(shù)個(gè)沖擊峰值;隨著車(chē)速的增大，道床和隧道壁的振動(dòng)加速度均呈增大趨勢(shì)。

2.3 實(shí)測(cè)豎向振動(dòng)加速度頻譜分析

依據(jù)式(1)算得道床和隧道壁多次測(cè)試的功率譜最小和最大包絡(luò)值及平均值。其中，車(chē)速為10 km/h時(shí)的功率譜如圖7所示。由圖7可見(jiàn)，軌道車(chē)引起隧道底部和隧道壁的振動(dòng)卓越頻段均為40～100 Hz，在此頻段內(nèi)存在多個(gè)峰值。

圖6 振動(dòng)加速度時(shí)程曲線(軌道車(chē)通過(guò)時(shí))

圖7 車(chē)速10 km/h時(shí)測(cè)點(diǎn)加速度功率譜

不同車(chē)速5 km/h、10 km/h、15 km/h 和 20 km/h情況下道床與隧道壁不計(jì)權(quán)振動(dòng)加速度級(jí)的1/3倍頻程平均值如圖8所示，。由圖8可見(jiàn)，不同車(chē)速下兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的振級(jí)在10 Hz以下變化不大，在10～80 Hz范圍急劇增大，在80～100 Hz范圍達(dá)到最大。隨車(chē)速增大，各測(cè)點(diǎn)的1/3倍頻程在10 Hz以上均呈增大趨勢(shì)。

根據(jù)式(2)算得不同車(chē)速條件下道床和隧道壁的VLZ，max(見(jiàn)表1)。由表1可見(jiàn)，隨著車(chē)速增加，測(cè)點(diǎn)的VLZ，max呈增大趨勢(shì)，當(dāng)車(chē)速由5 km/h增大到20 km/h時(shí)，道床和隧道壁的VLZ，max分別增大約15 dB和11 dB。

圖8 不同車(chē)速下測(cè)點(diǎn)加速度1/3倍頻程

表1 不同車(chē)速條件下測(cè)點(diǎn)VLZ，max計(jì)算結(jié)果

3 對(duì)比分析

上海自首條地鐵開(kāi)通運(yùn)營(yíng)即已對(duì)其引起的振動(dòng)開(kāi)展測(cè)試［6］，至今已積累大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。在此，選用某運(yùn)行線路的隧道內(nèi)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與本次測(cè)試進(jìn)行對(duì)比。該運(yùn)行線路隧道內(nèi)測(cè)試斷面處為盾構(gòu)隧道、整體道床、DTIII－2型普通扣件，運(yùn)行列車(chē)為地鐵A型車(chē)。

3.1 盾構(gòu)電瓶車(chē)與地鐵列車(chē)的振動(dòng)對(duì)比

圖9給出了運(yùn)行線路列車(chē)引起的隧道壁振動(dòng)加速度1/3倍頻程與本次實(shí)測(cè)的由盾構(gòu)電瓶車(chē)引起的隧道壁振動(dòng)加速度1/3倍頻程(見(jiàn)圖5－b))的對(duì)比結(jié)果。由圖9可見(jiàn)，在人體振動(dòng)影響評(píng)價(jià)頻率范圍內(nèi)(1～80 Hz)，在頻段5～30 Hz中，電瓶車(chē)引起的隧道壁振動(dòng)明顯高于地鐵列車(chē)運(yùn)行時(shí)的隧道壁振動(dòng)，兩者之差在某些頻段可達(dá)20 dB以上。

此外，本次測(cè)試盾構(gòu)電瓶車(chē)運(yùn)行引起隧道壁的VLZ，max平均值為75.7 dB，高于地鐵列車(chē)運(yùn)行產(chǎn)生的VLZ，max平均值 72.9 dB。

圖9 電瓶車(chē)與地鐵運(yùn)行列車(chē)引起隧道壁振動(dòng)的對(duì)比

3.2 軌道車(chē)與地鐵運(yùn)行列車(chē)對(duì)比

地鐵運(yùn)行列車(chē)引起的隧道壁振動(dòng)加速度1/3倍頻程與本次軌道車(chē)在車(chē)速10 km/h時(shí)的隧道壁振動(dòng)加速度1/3倍頻程 (見(jiàn)圖8－b))的對(duì)比如圖10所示。由圖10可見(jiàn):在人體振動(dòng)影響評(píng)價(jià)頻率范圍內(nèi)，兩者振動(dòng)隨頻率的變化趨勢(shì)基本相同;在頻率10 Hz以下時(shí)，地鐵運(yùn)行列車(chē)與軌道車(chē)引起的隧道壁振動(dòng)均相對(duì)較小，且變化緩慢，其中地鐵運(yùn)行列車(chē)引起的低頻振級(jí)略高于軌道車(chē);在頻率10～50 Hz時(shí)，兩者非常接近，且均隨頻率增大而呈顯著增大趨勢(shì);在頻率50 Hz以上時(shí)，地鐵運(yùn)行列車(chē)產(chǎn)生的振級(jí)高于軌道車(chē)。另外，由圖8可知，當(dāng)軌道車(chē)車(chē)速提高時(shí)，兩者的高頻振動(dòng)成分隨頻率的變化趨勢(shì)將更加趨于一致。

圖10 軌道車(chē)與地鐵運(yùn)行列車(chē)引起隧道壁振動(dòng)的對(duì)比

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)上海某在建地鐵地下線施工階段盾構(gòu)電瓶車(chē)和軌道車(chē)運(yùn)行引起的振動(dòng)實(shí)測(cè)，獲取了道床(隧道底部)和隧道壁的豎向振動(dòng)加速度記錄，并進(jìn)行了時(shí)頻特性分析。將實(shí)測(cè)結(jié)果與運(yùn)營(yíng)線路上地鐵列車(chē)產(chǎn)生的振動(dòng)進(jìn)行比較分析，可得以下結(jié)論:

1)在測(cè)試的條件下，盾構(gòu)電瓶車(chē)引起的隧道內(nèi)振動(dòng)中存在系列的沖擊信號(hào);振動(dòng)卓越頻段在10～100 Hz，隧道底部和隧道壁的平均振動(dòng)加速度級(jí)分別為86.1 dB 和75.7 dB。

2)在測(cè)試的條件下，軌道車(chē)運(yùn)行引起的隧道內(nèi)振動(dòng)中也存在數(shù)個(gè)沖擊信號(hào);振動(dòng)的卓越頻段在40～100 Hz;在高于10 Hz時(shí)，振動(dòng)隨車(chē)速增大而增大;當(dāng)車(chē)速由5 km/h增大到20 km/h時(shí)，道床和隧道壁最大Z振級(jí)分別增大15 dB和11 dB。

3)將施工階段的運(yùn)輸車(chē)輛與地鐵運(yùn)行列車(chē)在隧道內(nèi)引起的振動(dòng)作對(duì)比，結(jié)果表明:在頻率5～30 Hz范圍內(nèi)，盾構(gòu)電瓶車(chē)產(chǎn)生的振動(dòng)高于普通軌道條件下地鐵列車(chē)運(yùn)行引起的振動(dòng);在人體振動(dòng)影響評(píng)價(jià)頻率范圍內(nèi)，軌道車(chē)與地鐵列車(chē)運(yùn)行引起的隧道內(nèi)振動(dòng)變化趨勢(shì)基本相同。

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