列車運(yùn)行引起周邊環(huán)境振動(dòng)的監(jiān)測(cè)與分析*

張 遠(yuǎn) 呂淑然 楊 凱

（首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)安全與環(huán)境工程學(xué)院，100070，北京∥第一作者，碩士研究生）

列車運(yùn)行引起周邊環(huán)境振動(dòng)的監(jiān)測(cè)與分析*

張 遠(yuǎn) 呂淑然 楊 凱

（首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)安全與環(huán)境工程學(xué)院，100070，北京∥第一作者，碩士研究生）

利用振動(dòng)傳感器和測(cè)試儀器在某鐵路線旁的小區(qū)對(duì)列車運(yùn)行經(jīng)過(guò)時(shí)引起的三個(gè)方向振動(dòng)速度以及振動(dòng)頻率進(jìn)行實(shí)測(cè)。通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，其振動(dòng)衰減規(guī)律的分析結(jié)果與通過(guò)監(jiān)測(cè)列車運(yùn)行引起振動(dòng)加速度的分析結(jié)果是一致的。同時(shí)參考《爆破安全規(guī)程》中的相關(guān)安全允許振動(dòng)速度標(biāo)準(zhǔn)以及運(yùn)用“振動(dòng)感覺(jué)與振動(dòng)持續(xù)時(shí)間關(guān)系”的相關(guān)理論，確定了評(píng)價(jià)列車運(yùn)行引起建筑物振動(dòng)的安全允許振動(dòng)速度，為評(píng)價(jià)軌道交通系統(tǒng)運(yùn)行對(duì)鄰近建筑物振動(dòng)危害提供了一個(gè)新思路；最后，指出小幅度長(zhǎng)久持續(xù)的振動(dòng)對(duì)建筑物的破壞是不能被忽視的，需要進(jìn)一步研究并采取合理措施來(lái)控制和減弱其危害。

列車運(yùn)行；環(huán)境振動(dòng)；衰減規(guī)律；安全監(jiān)測(cè)

Author＇s address College of Security and Environment Engineering，Capital University of Economics and Business，100070，Beijing，China

目前，我國(guó)鐵路運(yùn)輸不斷向高速、重載、大運(yùn)量和高密度方向發(fā)展。然而，隨著城市的發(fā)展，鐵路沿線建筑物也越來(lái)越多，致使沿線居民生活受到列車經(jīng)過(guò)時(shí)噪聲和振動(dòng)的嚴(yán)重影響，另一方面人們對(duì)自己居住的周邊環(huán)境要求也越來(lái)越高。這就導(dǎo)致軌道交通系統(tǒng)與沿線居民生活質(zhì)量之間的矛盾日益突出。

在國(guó)際上振動(dòng)已經(jīng)被列為七大環(huán)境公害之一［1］，尤其在日本，更把振動(dòng)作為環(huán)境公害之首。列車運(yùn)行是引起環(huán)境振動(dòng)的原因之一，為此國(guó)內(nèi)外學(xué)者就列車運(yùn)行振動(dòng)產(chǎn)生的原因、傳播的機(jī)理、對(duì)周圍環(huán)境的影響以及列車振動(dòng)控制措施等展開(kāi)了一系列的研究。文獻(xiàn)［2］測(cè)量了火車運(yùn)行時(shí)引起環(huán)境及附近建筑物的振動(dòng)加速度，分析結(jié)果表明，隨著火車運(yùn)行速度的增大，鐵路附近地面和建筑物的振級(jí)增大。文獻(xiàn)［3］通過(guò)對(duì)上海軌道交通1號(hào)線附近的建筑房屋振動(dòng)加速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，證明了列車運(yùn)行引起的建筑物的垂向振級(jí)大小與建筑物的基礎(chǔ)類型、構(gòu)造型式及其與地鐵線路的距離有密切關(guān)系。文獻(xiàn)［4］通過(guò)對(duì)上海軌道交通10號(hào)線部分路段周圍場(chǎng)地和建筑物進(jìn)行振動(dòng)加速度實(shí)測(cè)，計(jì)算出10號(hào)線場(chǎng)地Z振級(jí)最小值為82 dB，超出了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)值80 dB［5］，因此10號(hào)線運(yùn)行對(duì)周圍場(chǎng)地居民生活有影響。文獻(xiàn)［6］等通過(guò)對(duì)上海軌道交通1號(hào)線的地面環(huán)境振動(dòng)加速度實(shí)測(cè)分析并與標(biāo)準(zhǔn)限值進(jìn)行比較，表明地鐵隧道埋深10～12 m時(shí)地面正上方的Z振級(jí)約為70～75 dB，已超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的限值。目前，國(guó)際上也廣泛選取振動(dòng)加速度級(jí)及其對(duì)應(yīng)的振動(dòng)級(jí)來(lái)描述振動(dòng)的強(qiáng)度［7］，并將其作為判斷振動(dòng)對(duì)環(huán)境影響的依據(jù)。

上述關(guān)于列車運(yùn)行振動(dòng)的監(jiān)測(cè)試驗(yàn)研究主要集中在通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)獲得列車運(yùn)行引起的振動(dòng)加速度，再以加速度級(jí)、Z振級(jí)等為指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)列車運(yùn)行振動(dòng)對(duì)周圍環(huán)境及居民生活的影響，但很少有人從振動(dòng)速度的角度研究列車運(yùn)行振動(dòng)的衰減規(guī)律以及列車運(yùn)行振動(dòng)對(duì)周邊建筑物的危害。本文通過(guò)某鐵路線旁的居民小區(qū)進(jìn)行列車運(yùn)行引起的振動(dòng)速度實(shí)測(cè)，分析了列車運(yùn)行引起的振動(dòng)強(qiáng)度的衰減規(guī)律和對(duì)周邊建筑物的影響，為利用振動(dòng)速度評(píng)價(jià)列車運(yùn)行對(duì)周邊建筑物等環(huán)境的影響提供參考。

1　列車運(yùn)行振動(dòng)的實(shí)測(cè)試驗(yàn)

1.1監(jiān)測(cè)地點(diǎn)

考慮監(jiān)測(cè)工作的可行性與方便性，實(shí)際監(jiān)測(cè)地點(diǎn)選擇在河北省灤平縣鐵路線旁的某居民小區(qū)。此鐵路線是溝通京津遼蒙的交通要道，全天共有8次客運(yùn)列車和若干貨運(yùn)列車通過(guò)此鐵路線。監(jiān)測(cè)地點(diǎn)的鐵路路基比旁邊的小區(qū)地面稍高（如圖1）。此次監(jiān)測(cè)不排除高程對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的影響。小區(qū)建筑物離鋼軌最近距離約16 m。

圖1　監(jiān)測(cè)地點(diǎn)

1.2監(jiān)測(cè)儀器

為準(zhǔn)確測(cè)得列車運(yùn)行引起的建筑物三方向（切向、徑向、豎向）振動(dòng)速度和振動(dòng)頻率，本次監(jiān)測(cè)試驗(yàn)采用成都中科測(cè)控有限公司生產(chǎn)的TC-4850爆破振動(dòng)記錄儀以及與之匹配的三分量速度傳感器（技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1）、振動(dòng)分析軟件（Blasting Vibration Analysis，BVA）及GpS測(cè)距儀。

表1　振動(dòng)速度傳感器技術(shù)指標(biāo)

1.3監(jiān)測(cè)方法

在建筑物外墻邊處的地面與鋼軌不同距離處設(shè)置速度傳感器，并盡量將傳感器安放在一條直線上。試驗(yàn)時(shí)沿水平垂直于鋼軌方向呈直線設(shè)置了4套監(jiān)測(cè)儀器同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)（如圖2所示）。為了使傳感器能與接觸面耦合良好，將傳感器與地面間用快粘粉粘結(jié)或?qū)鞲衅魑沧抵苯泳o插于地面。

圖2　監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

監(jiān)測(cè)開(kāi)始后，傳感器采集振動(dòng)信號(hào)并傳輸?shù)奖普駝?dòng)記錄儀。爆破振動(dòng)記錄儀記錄并存儲(chǔ)振動(dòng)信號(hào)。待振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)束后，用專用軟件提取并導(dǎo)出數(shù)據(jù)，即可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析了。

2　監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

2.1監(jiān)測(cè)結(jié)果

依據(jù)GB 10071—1988《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)測(cè)量方法》的相關(guān)規(guī)定和要求，監(jiān)測(cè)時(shí)保持測(cè)點(diǎn)位置不變。前后3天共測(cè)得20次列車運(yùn)行經(jīng)過(guò)時(shí)引起振動(dòng)的相關(guān)數(shù)據(jù)。通過(guò)專用軟件濾波處理后提取數(shù)據(jù)，分別選擇3個(gè)方向振動(dòng)速度的峰值和主振頻率，并算得算術(shù)平均值（見(jiàn)表2）。

表2　監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)平均值

2.2振動(dòng)強(qiáng)度衰減規(guī)律分析

有研究指出，由于列車運(yùn)行產(chǎn)生的大地振動(dòng)位移非常小而不易測(cè)量，而人體對(duì)振動(dòng)的感受與振動(dòng)速度或加速度有更強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。因此，在研究列車運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)問(wèn)題時(shí)，用速度或加速度這兩個(gè)量來(lái)描述是恰當(dāng)?shù)模?］。振動(dòng)頻率則是描述振動(dòng)快慢的物理量［9］。因而本文用振動(dòng)速度和振動(dòng)頻率來(lái)表征列車運(yùn)行引起的振動(dòng)強(qiáng)度。利用Origin軟件分析表2中的數(shù)據(jù)，得到列車運(yùn)行引起的振動(dòng)速度、振動(dòng)頻率隨距離的衰減規(guī)律如圖3、圖4所示。

圖3　振動(dòng)速度衰減規(guī)律

圖4　振動(dòng)頻率衰減規(guī)律

從圖3和圖4中可以看出，同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向的振動(dòng)速度和頻率都明顯大于切向和徑向，因此列車運(yùn)行引起的振動(dòng)是以豎向?yàn)橹鞯?。這一分析結(jié)果符合GB/T 5035一2005《住宅建筑室內(nèi)振動(dòng)限值及其測(cè)量方法標(biāo)準(zhǔn)》中“方向之別是振動(dòng)的重要特征之一，我國(guó)城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)中采用以大地作為參考坐標(biāo)，并以鉛垂向?yàn)橹饕较颍?0］”的表述。從圖3、4中還可以看出，振動(dòng)速度和頻率都隨著與鋼軌距離的增加而減小。這一分析結(jié)果也與很多以測(cè)量列車運(yùn)行引起振動(dòng)加速度的研究結(jié)果是吻合的?？梢?jiàn)，通過(guò)合適的拾振器測(cè)量振動(dòng)速度來(lái)研究列車運(yùn)行引起的振動(dòng)強(qiáng)度衰減規(guī)律是可行的。

2.3振動(dòng)對(duì)周邊建筑的影響

列車運(yùn)行時(shí)車輪與軌道間的壓迫沖擊作用是產(chǎn)生振動(dòng)的根本原因。振動(dòng)波通過(guò)路基向四周傳播，當(dāng)傳播到鄰近的建筑物時(shí)，就會(huì)引起建筑物的振動(dòng)。已有研究指出，列車運(yùn)行引起鄰近建筑物振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致建筑物墻體裝飾脫落甚至開(kāi)裂。因此，研究列車運(yùn)行振動(dòng)不僅要研究振動(dòng)的傳播衰減規(guī)律、對(duì)周圍環(huán)境的噪聲及振動(dòng)影響，更重要的是需要研究其振動(dòng)對(duì)鄰近建筑物的破壞作用［9，11-13］。

圖5是距離鋼軌39 m處鉛垂向振動(dòng)頻率圖。圖5中，列車引起振動(dòng)的主振頻率在10～50 Hz左右，集中在10～20 Hz之間；而建筑物振動(dòng)的固有頻率在10Hz以下，一般為5 Hz左右［14］。因此，不會(huì)發(fā)生顯著共振。由表2可知，列車運(yùn)行引起鄰近建筑物的豎向振動(dòng)主振頻率在19.65～32.56 Hz。由于列車運(yùn)行引起的建筑物振動(dòng)頻率大于建筑物的固有振動(dòng)頻率，并且隨著建筑物與鋼軌間距離的增加振動(dòng)強(qiáng)度是減弱的，因此，從振動(dòng)頻率的角度考慮，鐵路線鄰近建筑不會(huì)因顯著的共振作用而破壞。

圖5　距鋼軌39 mm處的鉛垂向振動(dòng)頻率圖

振動(dòng)速度表征的是質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)時(shí)單位時(shí)間內(nèi)的位移。若這一位移超過(guò)了建筑物的強(qiáng)度極限則會(huì)直接對(duì)建筑物造成破壞。我國(guó)目前并沒(méi)有列車運(yùn)行引起振動(dòng)對(duì)鄰近建筑物、設(shè)備等的安全允許質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度標(biāo)準(zhǔn)，本文借用GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》中安全允許標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)參數(shù)來(lái)分析和評(píng)價(jià)列車運(yùn)行對(duì)鄰近建筑物的振動(dòng)影響。該標(biāo)準(zhǔn)中質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度為三個(gè)分量中的最大值，且振動(dòng)頻率f為主振頻率。部分爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3［15］。

爆破振動(dòng)是瞬間的非連續(xù)的，一般持續(xù)時(shí)間在1s內(nèi)［14］。而列車運(yùn)行引起的振動(dòng)相對(duì)于爆破振動(dòng)是一個(gè)持續(xù)的過(guò)程。列車通過(guò)時(shí)引起鄰近地面建筑物振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間約為10 s［2，8］。這一持續(xù)時(shí)間是與列車運(yùn)行速度、列車長(zhǎng)度、列車重量以及鋼軌路基土層結(jié)構(gòu)等因素相關(guān)的。有學(xué)者對(duì)振動(dòng)感覺(jué)與振動(dòng)持續(xù)時(shí)間進(jìn)行了相關(guān)研究［16］。當(dāng)振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間在2 s以上時(shí)，振動(dòng)感覺(jué)與連續(xù)振動(dòng)一樣；當(dāng)振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間小于2 s時(shí)，隨著持續(xù)時(shí)間的縮短而振動(dòng)感覺(jué)變得遲鈍；當(dāng)振動(dòng)持續(xù)時(shí)間為1 s時(shí)，振幅比約為0.8，即產(chǎn)生相同的振動(dòng)感覺(jué)時(shí)列車運(yùn)行引起的振幅是爆破振動(dòng)產(chǎn)生振幅的0.8倍。

表3　爆破時(shí)不同主振頻率下的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度安全允許標(biāo)準(zhǔn)（部分）　cm/s

由表2中可知，所監(jiān)測(cè)的建筑物豎向振動(dòng)主頻在19.65～32.56 Hz之間，振動(dòng)速度峰值在0.015～0.041 cm/s之間。本次試驗(yàn)所監(jiān)測(cè)的建筑物是一般磚房（一般民用建筑物）。按表3，當(dāng)主振頻率在10～50 Hz時(shí)，其安全允許振動(dòng)速度為2.0～2.5 cm/s。根據(jù)連續(xù)振動(dòng)與非連續(xù)振動(dòng)的振幅比關(guān)系，確定本次監(jiān)測(cè)試驗(yàn)列車運(yùn)行引起鄰近建筑物振動(dòng)的安全允許振動(dòng)速度為1.6～2.0 cm/s。與表2中所監(jiān)測(cè)鐵路線的鄰近建筑物的振動(dòng)速度相比，可以確定列車運(yùn)行引起建筑物振動(dòng)的振動(dòng)速度在安全允許值以內(nèi)，因而可以判定此鐵路線列車運(yùn)行不會(huì)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處小區(qū)建筑物造成直接的振動(dòng)破壞。

3　結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)使用振動(dòng)速度傳感器監(jiān)測(cè)列車運(yùn)行引起周圍環(huán)境振動(dòng)的振動(dòng)速度和振動(dòng)主頻，其對(duì)于列車運(yùn)行引起振動(dòng)的衰減規(guī)律分析結(jié)果與其他學(xué)者通過(guò)監(jiān)測(cè)列車運(yùn)行引起周圍振動(dòng)的振動(dòng)加速度分析結(jié)果是一致的。因此，可以通過(guò)合適的振動(dòng)速度拾振器來(lái)監(jiān)測(cè)并研究列車運(yùn)行引起振動(dòng)的衰減規(guī)律。

確定了評(píng)價(jià)列車運(yùn)行引起建筑物振動(dòng)的安全允許振動(dòng)速度，并以此判定監(jiān)測(cè)試驗(yàn)處鐵路線列車運(yùn)行不會(huì)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處小區(qū)建筑物造成直接的振動(dòng)破壞。這為評(píng)價(jià)列車運(yùn)行振動(dòng)對(duì)周圍環(huán)境的影響危害和規(guī)范建筑物建設(shè)、鐵路線設(shè)計(jì)等提供了一個(gè)新思路。

雖然列車運(yùn)行引起的環(huán)境振動(dòng)振幅比較小，不會(huì)對(duì)建筑物造成直接明顯的破壞，但是列車運(yùn)行引起建筑物振動(dòng)是相對(duì)持續(xù)的和長(zhǎng)期反復(fù)存在的。這種小幅度長(zhǎng)久持續(xù)的振動(dòng)對(duì)建筑物的破壞是不能被忽視的，需要作進(jìn)一步的研究并采取合理的措施來(lái)控制和減弱列車運(yùn)行對(duì)鄰近建筑物的振動(dòng)破壞作用。

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Monitoring and Analysis of the Surrounding Environment Vibration Caused by Running Train

Zhang Yuan，Lv Shuran，Yang Kai

Vibration sensors and test equipment are used to measure the vibration velocity and vibration frequency caused by running trains from three directions of a community adjascent to railway line.The monitoring data are analyzed，which show that the vibration attenuation law is consistent with the vibration acceleration caused by the running trains.Then，according to the related standards in the“Blasting Safety Regulations”and the“Relationship between Vibration Sensation and Vibration Duration”theory，thesafe vibration velocity standard for evaluating building vibration caused by the running trains is defined，which provides a new way of evaluating building vibration caused by rail transit system.Finally，the damage to buildings by small amplitude and long-lasting vibration is emphasized，further research is required，and reasonable measures are to be taken to control and weaken the vibration hazards.

train running；environmental vibration；attenuation law；security monitoring

U 211.3

10.16037/j.1007-869x.2016.03.017

*科研基地建設(shè)-科技創(chuàng)新平臺(tái)-特大城市安全運(yùn)行研究項(xiàng)目（p XM2014-014205-000044）

（2015-05-14）