南京地鐵運行引起地面環(huán)境振動的現(xiàn)場測試與分析

李 杰 譚冬冬 陳文華 王 沫 崔恒坤 周年強

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南京地鐵運行引起地面環(huán)境振動的現(xiàn)場測試與分析

李 杰 譚冬冬 陳文華 王 沫 崔恒坤 周年強通訊作者

（南京林業(yè)大學 土木工程學院 江蘇南京 210037）

以南京地鐵為例，通過軌道上方地面附近現(xiàn)場試驗,分析了地鐵引起地面振動的實況、振動特性、傳播規(guī)律。實測結果表明：軌道上方附近地面的振動隨著距軌道距離的增大而減小，并且在距離軌道邊緣一定的范圍內存在一個振動放大區(qū)，在距軌道邊緣較近的地方振動的頻率相對較高，距軌道較遠的地方振動的頻率較低，且高頻的振動信號衰減比低頻快，經(jīng)過一段距離后低頻振動的卓越頻率趨于穩(wěn)定。

地鐵振動；振動特性；傳播規(guī)律

一引言

隨著中國城市化的規(guī)模越來越多，地鐵交通成了緩解許多城市的市內交通壓力的首要選擇。地鐵數(shù)量和長度日益增加，由地鐵荷載引起的環(huán)境振動以及其潛在的破壞性受到普遍的關注。國際上已經(jīng)把振動列為七大環(huán)境公害之一，國內眾多學者及相關研究機構很早就開始了對于列車振動產(chǎn)生的機理、傳播途徑與控制方法以及對人體的危害等問題的研究。目前對于鐵路等交通工具運行時所引起的振動主要有三種研究方法：理論分析，數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測。比較而言，理論分析概念清晰，但針對復雜的實際情況，往往很難得到與實測相吻合的結論。數(shù)值模擬計算簡化、分析效率高、通用性好但同樣由于無法處理復雜問題，導致精度較低。因此目前上主要對軌道交通沿線環(huán)境振動的評價、預測方法主要以現(xiàn)場實測和經(jīng)驗公式為主。現(xiàn)場實測對此方面的研究有重大的意義、主要為相應的理論分析提供對比依據(jù)、印證理論模型的正確性，為評估軌道交通對于環(huán)境振動提供依據(jù)。本文以南京地鐵三號線為研究對象，根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，分析了地鐵列車經(jīng)過時引起的地面振動的時頻域特性及傳播規(guī)律、以便為進一步研究環(huán)境振動控制問題和城市規(guī)劃設計提供參考。

二現(xiàn)場實測

（一）工程背景

南京地鐵3號是南京地鐵第二條開通的過江線路，于2015年4月1日正式運營。南京地鐵3號線建成后將成為南京繼1號線后又一條南北向客流骨干線路，其貫穿大江南北，連接主城、江北新區(qū)和東山副城，加強了主城與副城之間的連接，構成了都市發(fā)展區(qū)的南北城市軸。連接南京南站、南京火車站等最重要的對外交通樞紐，更為重要的是它與11條既有或規(guī)劃軌道交通線相互換乘，對穩(wěn)定南京軌道交通線網(wǎng)起著重要作用。地鐵3號線北段服務跨江客流，南段為溝通南站和東山副城與主城間的客流走廊，緩解南京城市中心區(qū)的交通壓力。

由于南京地鐵3號線要穿越長江、玄武湖等地段，并下穿明城墻，對于軌道振動帶來的影響尤為嚴重。本次工程測試選擇在玄武湖與明城墻交接處。如圖1箭頭所指圓圈所示位置。

（二）測試方法與測點布置

本次測試采用941B型拾振器（加速度傳感器）和NI-USB-9162數(shù)據(jù)采集儀?，F(xiàn)場測試為一條垂直于地鐵運行方向的測線，沿線一共布置6個測點，分別是離開軌道上方0米，10米，20米，30米，60米，70米，90米，110米，130米，150米，170米。采樣頻率為512Hz。每次采集至少經(jīng)歷兩次地鐵運行經(jīng)過，選取其中一條作為典型振動數(shù)據(jù)加以分析。

（三）地面振動的衰減規(guī)律

圖2、圖3分別為不同測點處典型的地面加速度時程曲線和幅值譜，從圖中可以看出，加速度隨著距離的增大呈現(xiàn)衰減的趨勢。

圖2 加速度時程圖

由圖3可以看出：3號線地鐵引起的地面振動頻率主要集中在50~100Hz。高頻的振動信號衰減比低頻快，且在距軌道邊緣較近的地方振動的頻率相對較高，距軌道較遠的地方振動的頻率較低，且經(jīng)過一段距離后低頻振動的卓越頻率趨于穩(wěn)定。

三結論

(一)現(xiàn)場實測發(fā)現(xiàn)：由南京3號線地鐵引起的地面振動其加速度振幅最高約0.012mg，振動的大小會隨著距軌道距離的增大而減小，但在距離軌道某一距離處，會出現(xiàn)一個振動放大區(qū)，本次試驗得出的是距離軌道邊緣約50m附近。

(二)經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，其頻率分布主要集中在50~100Hz之間。隨著距離振源越來越遠，高頻振動衰減速度大于低頻振動信號，即距軌道較近距離處，高頻振動信號占優(yōu)，遠處低頻占優(yōu)。

[1]夏禾，張楠．車輛與結構動力相互作用[M]．北京：科學出版社，2004．

[2]王濟，胡曉．MATLAB在振動信號處理中的應用[M]．北京：中國水利水電出版社，2005．

[3]囝維明，聶晗，任珉，等．地鐵交通引起地面振動的實測與分析[J]．鐵道科學與工程學報，2006，6(2)：1-5．

[4]章東強，謝偉平，于艷麗．交通荷載引起的環(huán)境振動實測與分析[J]．武漢理工大學學報，2004，26(9)：57-59．

[5]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．

[6]侯德軍，雷曉燕，羅信偉．鐵路隔振溝減震的數(shù)值分析[J]．鐵路科學與工程學報，2006，3(2)：48-52

李杰（1995-），男，南京林業(yè)大學土木工程學院土木工程（交通土建）專業(yè)大三學生。

周年強（1980-），男，博士，實驗員，從事工程結構抗震及振動測試與控制研究。

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1007-6344（2017）03-0036-01