地鐵地下線路誘發(fā)振動現(xiàn)場測試與數(shù)值仿真研究

李繼偉，李生鵬，徐炳進(jìn)，章文菁，劉文芳

(1. 廣州城市職業(yè)學(xué)院 城市建設(shè)工程系，廣東 廣州 510405；2. 廣州地鐵集團(tuán)有限公司 運營事業(yè)總部 ，廣東 廣州 511430)

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地鐵地下線路誘發(fā)振動現(xiàn)場測試與數(shù)值仿真研究

李繼偉1，李生鵬2，徐炳進(jìn)1，章文菁1，劉文芳1

(1. 廣州城市職業(yè)學(xué)院 城市建設(shè)工程系，廣東 廣州 510405；2. 廣州地鐵集團(tuán)有限公司 運營事業(yè)總部 ，廣東 廣州 511430)

摘要：面對交通問題日益突出，城市軌道交通作為一種高效解決手段被大力推廣，在極大方便居民生活的同時，也帶來了諸多問題，其中振動問題特別受重視，投訴也較多。本文依托國內(nèi)某城市地鐵地下線路進(jìn)行了振動測試與仿真研究，主要對該城市地鐵1號線區(qū)間隧道(即地下線路)進(jìn)行了現(xiàn)場測試，對軌道結(jié)構(gòu)振動進(jìn)行了振動特性分析，并對比了GJ-Ⅳ型扣件相對于原有的Ⅰ型扣件的減振效果，同時進(jìn)行了仿真模擬分析研究。

關(guān)鍵詞：地鐵；環(huán)境振動；振動測試；數(shù)值模擬

自上世紀(jì)始，城市交通狀況越來越嚴(yán)峻，尤其是近十幾年來，交通引起的環(huán)境污染已成為現(xiàn)代社會主要的公害之一[1,2]。面對交通問題日益突出，城市軌道交通作為一種高效解決手段被大力推廣，在極大方便居民生活的同時，也帶來了諸多問題，其中振動問題特別受重視，投訴也較多[3,4]。

在城市地下軌道交通系統(tǒng)中，運行的列車由于車輪與軌道間的相互作用，在鋼軌上產(chǎn)生了振動能量；該振動能量通過道床等軌道支承構(gòu)造傳遞至隧道結(jié)構(gòu)，引起隧道結(jié)構(gòu)及其周圍巖土的振動；該振動再經(jīng)過周圍土體和巖石傳遞到臨近建筑物的基礎(chǔ)，進(jìn)一步沿柱、墻、梁、地板和樓板進(jìn)行傳播，誘發(fā)建筑物產(chǎn)生二次振動；進(jìn)而引起樓地面以及位于其上的人和儀器設(shè)備的振動[5-7]。

城市軌道交通振動對周邊的環(huán)境有著顯著影響，如對建筑物的結(jié)構(gòu)安全、精密儀器設(shè)備的正常使用、人類的日常生活和人體健康都會造成不容忽視的影響，雖然不會出現(xiàn)地震時所產(chǎn)生的類似直接破壞，但依然能引起結(jié)構(gòu)物的局部振顫和人體的明顯感覺。同時，雖然其振動幅度較小，但由于其具有長期性、周期性和反復(fù)性的特點，其對建筑物的安全和使用壽命依然有較大影響，甚至可能達(dá)到破壞的程度。

綜上所述，面對交通問題日益突出，城市軌道交通作為一種高效解決手段被大力推廣，在極大方便居民生活的同時，也帶來了諸多問題，其中振動問題特別受重視，投訴也較多。振動參數(shù)數(shù)據(jù)的重要性及獲取的相對困難，使其獲取成為城市軌道交通領(lǐng)域被廣泛關(guān)注和熱點研究的課題之一，獲得性能更優(yōu)、效果更好、精度更高的城市軌道交通振動參數(shù)數(shù)據(jù)是關(guān)鍵問題和研究重點。同時，在高精度振動數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，如何更好地減振降噪也日益受到關(guān)注。

一、城市軌道交通誘發(fā)振動數(shù)據(jù)檢測對象描述

于2012年11月選取國內(nèi)某城市的地鐵1號線，線路全長21.72公里，其中地下線14.33公里，地面及高架線7.39公里，全線共設(shè)車站16座，其中地下車站11座，地面及高架車站5座。對地下線路選取了代表點進(jìn)行了測試。其正常運營列車為B型車，列車由6節(jié)車廂編組，轉(zhuǎn)向架間距12.6m，軸距2.3m，最大軸重14t，測試截面分別位于里程為k13+041處和里程為k15+722處。

道床系統(tǒng)為原有的Ⅰ型扣件道床系統(tǒng)和更換后的GJ-Ⅳ型扣件道床系統(tǒng)，其中Ⅰ型扣件屬于中等減振扣件，承軌板、底座與橡膠圈硫化為一整體，橡膠圈受剪，橡膠圈抗拉力大于150kN，該扣件適用于60kg/m鋼軌的減振地段枕式整體道床，采用ω彈條，扣件節(jié)點的垂直靜剛度為(10～15)kN/mm?？奂到y(tǒng)如圖1所示；更換后的GJ-IV型屬于諧振式浮軌扣件系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、施工方便、低剛度、減振效果可達(dá)12dB(Z)以上和扣件防爬阻力≥11.5kN等特點，適用于60kg/m鋼軌隧道內(nèi)、U型結(jié)構(gòu)及地面枕式整體道床等多種工況，如圖2所示。

圖1?、裥涂奂到y(tǒng)圖

圖2GJ-Ⅳ型扣件系統(tǒng)圖

振動測試主要是指列車在正常運營條件下，分別測試列車通過以上兩種道床系統(tǒng)時的振動指標(biāo)，包括鋼軌振動、道床振動、隧道壁振動和地面振動等；車廂內(nèi)噪聲測試主要是指列車正常運營條件下，在隧道內(nèi)和高架線路上測試列車通過各種道床系統(tǒng)時的噪聲環(huán)保指標(biāo)，包括車廂的噪聲和地面噪聲。

二、振動測試數(shù)據(jù)采集過程簡述

(一)鋼軌相對道床的變形測試

D2-軌腳垂直方向(LVDI)D3-軌腳橫向(LVDI)LVDI傳感器D4-軌腳垂直方向(LVDI)左軌D5-軌腳垂直方向(LVDI)D4-軌腳垂直方向(LVDI)D6-軌腳橫向(LVDI)

圖3地下線路的位移傳感器布置橫斷面圖

鋼軌相對道床的變形通過位移傳感器進(jìn)行測量，選取兩個鋼軌扣件跨度的1/2處作為測試位置。每個測量斷面使用6個記錄通道，其中4個用來測量鋼軌兩邊相對道床的垂向變形、2個用來測量鋼軌相對道床的橫向變形，位移傳感器布置如圖3所示。

(二)軌道振動測試

測試內(nèi)容包括：(1)測量左右鋼軌軌腳的垂向振動及軌腰的橫向振動；(2)測量軌道中央混凝土道床的垂向和橫向振動。鋼軌振動測量使用500g的加速度傳感器，混凝土道床的振動測量使用5g的加速度傳感器。軌道振動的測試位置選取在鋼軌扣件跨度1/2處，加速度傳感器的位置如圖4所示。

右軌加速度計左軌A1(500g)-軌腳垂直A2(500g)-軌腳垂直A7(5g)-道床垂向A8(5g)-道床橫向道床A5(500g)-軌腰橫向A4(500g)-軌腳垂向

圖4地下線路的軌道加速度傳感器布置橫斷面圖

(三)隧道壁振動測試

測試位置選取在與軌道振動測試同截面處，利用固定在隧道壁上的加速度傳感器測量隧道壁的垂向和橫向振動，測點距離道床平面距離1.5米，使用5g的加速度傳感器，加速度傳感器布置如圖5所示。

(四)地面振動測試

在隧道上方的地面或地面建筑物內(nèi)選擇測點，布置低頻高靈敏度型加速度傳感器。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，在兩種不同軌道結(jié)構(gòu)測試斷面的上方地面分別布置1個垂向和1個橫向加速度傳感器，布置如圖6所示。

左軌右軌排水溝隧道壁垂向-A9(5g)隧道壁橫向-A10(5g)

圖5　地下線路的隧道壁加速度傳感器布置橫斷面圖

圖6地下線路的地面加速度傳感器布置橫斷面圖

(五)車廂內(nèi)噪聲測試

列車在運行過程中產(chǎn)生難以避免的噪聲，其主要噪聲源有輪軌接觸碰撞噪聲、激勵噪聲等。利用麥克風(fēng)測量車廂內(nèi)的噪聲，麥克風(fēng)布置在距車廂底面高1.2m的位置，如圖7所示。

MMdriver1.2m1.2m

圖7地下線路的車廂內(nèi)噪聲測試位置示意圖

三、基于現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的振動動力特性分析

(一)鋼軌振動

利用振動速度級對鋼軌的振動情況進(jìn)行評價，圖8和圖9分別為更換前Ⅰ型扣件和更換后GJ-Ⅳ型扣件系統(tǒng)的鋼軌的橫向和垂向振級速度級圖。

圖8　地下線路的鋼軌垂向振級速度級圖

圖9地下線路的鋼軌橫向振級速度級圖

從圖8和圖9可知， GJ-Ⅳ型扣件比Ⅰ型扣件在垂向上振動更大，橫向振動相差不大。

(二)道床及隧道壁振動

道床和隧道壁的垂向Z振級直接影響隧道上方地面和建筑物的振動水平。因此，對道床和隧道壁Z振級的測試和分析，用Z加權(quán)加速度級dB(Z)表示，在數(shù)據(jù)分析時，選取的頻率范圍是(1～250)Hz。

85807570656055道床垂向道床橫向隧道壁橫向隧道壁垂向更換之前T型扣件更換之后GJ-IV型扣件加速度總振動速級B(Z)(ref6E-8m/s2)

圖10　地下線路的道床及隧道總Z振級圖

從圖10所示可知，在道床及隧道壁上的減振效果明顯，特別是隧道壁上在垂向及橫向上均減振分別高達(dá)9dB(Z)和7.8 dB(Z)。

(三)地面振動

該測試分為地面測試和3樓室內(nèi)地面測試兩部分，在樓下地面和3樓住戶家中地面分別布設(shè)1個麥克風(fēng)、1個垂向和1個橫向加速度傳感器。

從表2.3所示可知，在地面和路線經(jīng)過的3樓房間內(nèi)測試振動時，更換后的GJ-Ⅳ扣件比更換前的Ⅰ型扣件減振效果明顯，特別是地面上的垂向減振效果達(dá)6.1 dB(Z)，3樓房間內(nèi)的橫向減振達(dá)8.2 dB(Z)。

四、基于數(shù)值仿真模擬手段的振動動力特性分析

(一)插入損失分析

插入損失即普通和新型扣件條件下軌道結(jié)構(gòu)同一拾振點振動加速度級之差，圖11給出了道床、隧道壁和地表各點的插入損失。

頻率(Hz)302520151050-5加速度級(dB)110100點1點2點3點4點5點6點7點8點9點10

圖11各拾振點插入損失圖

由圖11可知，各拾振點插入損失總體變化規(guī)律相同，在10Hz時各拾振點最大值為28dB，在40Hz到50Hz范圍內(nèi)有第二個峰值，達(dá)到30dB，且各拾振點的插入損失均為正值，即新型扣件—GJ-Ⅳ型扣件相對普通扣件—Ⅰ型扣件起到了減振效果。

(二)傳遞損失分析

傳遞損失表征的是同一次計算或測試中，兩個不同采樣點之間的加速度級差值，圖12給出了新型扣件條件下道床至地表原點之間的傳遞損失圖。

1/3倍頻率(Hz)11010080706050403020100-10加速度級(dB)

圖12新型扣件條件下道床至地表原點傳遞損失圖

由圖12可以看出：道床至地表原點的傳遞損失整體變化幅度較大，在20Hz以下，傳遞損失較??；在20～80Hz范圍內(nèi)傳遞損失較大，達(dá)70dB。該頻率范圍是新型扣件的主要工作頻率范圍，對振動起到了明顯的衰減作用。

(三)Z振級傳遞插入損失

各個拾振點的加速度級對比如圖13所示。

加速度級(dB)7570656055504540353012345678910拾振點普扣新扣

圖13各拾振點加速度級柱狀對比圖

從圖13分析可知， GJ-Ⅳ型扣件相比Ⅰ型扣件有明顯的減振效果。

各個拾振點的Z振級差值即插入損失，見表2所示。

從表2分析可知，采用GJ-Ⅳ型扣件相較于Ⅰ型扣件，其Z振級差值即插入損失最大10.79dB，最小為6.42dB，有明顯的減振效果。

表2　各拾振點Z振級及插入損失表

12111098765Z振級插入損失值(dB)拾振點01234567891011

圖14各拾振點Z振級插入損失圖

從以上的分析可知：

①各拾振點插入損失總體變化規(guī)律相同，在10Hz時各拾振點最大值為28dB,在40Hz到50Hz范圍內(nèi)有第二個峰值，達(dá)到30dB，且各拾振點的插入損失均為正值，即新型扣件—GJ-Ⅳ型扣件相對普通扣件—Ⅰ型扣件起到了減振效果；

②道床至地表原點的傳遞損失整體變化幅度較大，在20Hz以下，傳遞損失較?。辉?0～80Hz范圍內(nèi)傳遞損失較大，達(dá)70dB。該頻率范圍是新型扣件的主要工作頻率范圍，對振動起到了明顯的衰減作用；

③采用GJ-Ⅳ型扣件相較于Ⅰ型扣件，其Z振級差值即插入損失在地表原地有最大值10.79dB，距地表右18m點處有最小值6.42dB，有明顯的減振效果。

五、結(jié)束語

地鐵交通以眾多優(yōu)點，成為了解決交通問題的一種有效途徑，但其誘發(fā)的振動問題對沿線周邊居住環(huán)境的影響越來越引起各方重視。本文依托國內(nèi)某城市地下線路，進(jìn)行了現(xiàn)場地鐵振動實測數(shù)據(jù)分析，主要包括鋼軌振動、道床振動、隧道壁振動和地面振動的數(shù)據(jù)分析；同時進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，主要包括插入損失分析、傳遞損失分析和z振級傳遞插入損失分析。從實測數(shù)據(jù)分析和數(shù)值模擬分析，均可以得出更換后的GJ-Ⅳ型扣件相較于更換前的Ⅰ型扣件，減振效果顯著提高。

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(責(zé)任編輯夏侯國論)

收稿日期：2016-05-20

基金項目：博士后基金項目 (城市軌道交通振動動力特性及減振降噪技術(shù)研究)

作者簡介：李繼偉，男，廣州城市職業(yè)學(xué)院城市建設(shè)工程系講師，博士。

中圖分類號：U492.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-0408(2016)02-0005-06

Research on Field Test and Numerical Simulation of Subway Induced Vibration

LI Ji-wei1，LI Sheng-peng2，XU Bing-jin1，ZHANG Wen-jing1，LIU Wen-fang1

(1. Department of Urban Construction Engineering, Guangzhou City Polytechnic, Guangzhou 510405, China;2. Operation Department, Guangzhou Metro Group Co. ltd., Guangzhou 511430, China)

Abstract：With the rapid development of metro, the vibration induced by metro is also being concerned by more and more people. This paper carried out a vibration test and simulation study on the subway line in a Chinese city. The traditional detection means and data are analyzed. In order to further improve effect of urban rail transit vibration, underground lines of that city is tested on site, and the simulation study on vibration of urban rail traffic by using MIDAS-GTS finite element software is conducted.

Key words：subway; environmental vibration; vibration measurement; numerical simulation