地鐵建筑物內(nèi)振動(dòng)環(huán)境監(jiān)測裝置測試

彭桂力，梁 茵，沈 統(tǒng)，李懷良，潘 雷

(1．天津城建大學(xué)控制與機(jī)械工程學(xué)院，天津 300381；2．西南科技大學(xué)核廢物與環(huán)境安全國防重點(diǎn)學(xué)科試驗(yàn)室，四川 綿陽 621010；3．天津城建大學(xué)能源與安全工程學(xué)院，天津 300381)

0 引言

隨著社會(huì)的進(jìn)步，城市化進(jìn)程不斷加快，出現(xiàn)了越來越多的國際大都市。城市的交通問題成為城市發(fā)展的關(guān)鍵，城市軌道交通成為解決大都市交通問題的主要手段[1-2]。地鐵列車主要行駛于地下、地面或高架線路的軌道結(jié)構(gòu)上，由于準(zhǔn)靜態(tài)激擾和動(dòng)態(tài)激擾，會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)[3]。該振動(dòng)經(jīng)隧道基礎(chǔ)和襯砌結(jié)構(gòu)傳遞到周圍的地層中，再經(jīng)地層向各個(gè)方向傳播，激擾附近的地下或地面結(jié)構(gòu)，以致激發(fā)建筑物產(chǎn)生振動(dòng)，對(duì)環(huán)境造成巨大影響。地面及高架線路以噪聲影響為主，地下線路則以振動(dòng)影響為主[4]。隨著地鐵網(wǎng)絡(luò)密集程度的提高，運(yùn)行時(shí)間的交互重合，帶來的振動(dòng)和噪聲也會(huì)急劇加大[5]。

在城市地下鐵路的運(yùn)行中，地鐵所帶來的振動(dòng)危害最大[6]。地鐵發(fā)展迅速，其運(yùn)行所引起的環(huán)境振動(dòng)問題受到全社會(huì)的廣泛關(guān)注[7]。對(duì)地鐵振動(dòng)數(shù)據(jù)的測量、分析和處理，以及對(duì)振動(dòng)過程控制和預(yù)測是城市軌道交通路網(wǎng)規(guī)劃和建設(shè)中不可回避的問題[8]。如何通過對(duì)現(xiàn)有的地鐵振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，預(yù)測出列車運(yùn)行引起的環(huán)境振動(dòng)，是一個(gè)非常具有現(xiàn)實(shí)意義的課題。

1 地鐵運(yùn)行過程產(chǎn)生振動(dòng)的來源

1.1 振動(dòng)產(chǎn)生原因分析

引起列車振動(dòng)的特征參數(shù)有很多，軌道不平順(軌道動(dòng)態(tài)幾何變形數(shù)據(jù))是其中的主要原因[9-10]。車輛條件包括列車運(yùn)行速度和列車質(zhì)量等；車輪運(yùn)行表面條件包括軌道曲率、質(zhì)量和剛度等；隧道結(jié)構(gòu)條件包括厚度、深度等；地質(zhì)條件包括土壤和巖石類型等；建筑物條件包括房屋結(jié)構(gòu)和地板的固有頻率等。綜上所述，地鐵振動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的過程，是一個(gè)多因素相互影響的多維物理系統(tǒng)。

1.2 列車振動(dòng)主要對(duì)人和建筑物影響范圍

列車在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的振動(dòng)頻率范圍在0.3～250 Hz，會(huì)產(chǎn)生垂直振動(dòng)和水平振動(dòng)，通常只考慮垂直方向的振動(dòng)參數(shù)。人體可感知的振動(dòng)頻率范圍是1～1 000 Hz[11]，且對(duì)于小于16 Hz的低頻振動(dòng)更為敏感。振動(dòng)在傳播過程中，高頻部分比低頻部分衰減得快，因此低頻振動(dòng)影響比高頻振動(dòng)影響要大。各種振動(dòng)頻率對(duì)人體的影響如表1所示。德國建筑物對(duì)振動(dòng)的靈敏性分成三類，如圖1所示[12]。

表1 各種振動(dòng)頻率對(duì)人體的影響Tab.1 The influence of various vibration frequency on the human body

圖1 德國建筑物振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)分類圖Fig.1 Classification of German building vibration standard

2 測量地鐵振動(dòng)的試驗(yàn)方法

地鐵在運(yùn)行過程中引起的振動(dòng)主要是由列車與軌道之間輪軌相互作用產(chǎn)生的。振動(dòng)由軌道基礎(chǔ)通過軌道扣件和道床傳到隧道，由隧道通過土壤介質(zhì)傳向大地，再通過建筑基礎(chǔ)傳播至地面和地面結(jié)構(gòu)，從而誘發(fā)建筑物產(chǎn)生振動(dòng)。本次所測量的建筑物位于為天津市和平區(qū)營口道附近，旁邊深約100 m的地下就有天津地鐵一號(hào)線運(yùn)行。天津地鐵一號(hào)線從早晨6∶00開始運(yùn)行，到晚上22∶30結(jié)束運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)間長達(dá)16.5 h，運(yùn)行間隔平均為7 min，最高運(yùn)行時(shí)速為80 km/h。天津地鐵一號(hào)線經(jīng)歷4年的重修、改造后，從2006年6月12日正式投入運(yùn)行，已經(jīng)運(yùn)行10余年。

2.1 測量地點(diǎn)

本次主要測量地點(diǎn)是在天津市和平區(qū)營口道附近的一幢高層建筑物。該建筑物由一個(gè)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)與大型開放型空間組成，擁有地下2層、地上25層。 測量地鐵運(yùn)行過程中產(chǎn)生的振動(dòng)數(shù)據(jù)主要采用振動(dòng)傳感器，將裝置安置在高層建筑物中不同樓層，分別測量地鐵運(yùn)行時(shí)在各個(gè)樓層不同位置的振動(dòng)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)啟動(dòng)后24 h連續(xù)不間斷測量地鐵運(yùn)行時(shí)建筑物反映的振動(dòng)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)控中心。系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置振動(dòng)峰值的最大報(bào)警值。當(dāng)振動(dòng)數(shù)據(jù)超過設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行報(bào)警記錄。

2.2 測量儀器與信號(hào)的采集與處理

本次測量采用了研華工控機(jī)作為數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)。利用市電和鋰電池兩種方式對(duì)設(shè)備進(jìn)行供電，通過以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)為串口通信，將振動(dòng)檢測儀器的檢測數(shù)據(jù)通過串口寫入工控機(jī)，直接存入數(shù)據(jù)庫中。工控機(jī)具有以太網(wǎng)接口、USB接口和無線WiFi模塊，可以直接通過USB讀取數(shù)據(jù)，也可以通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程直接讀取數(shù)據(jù)。振動(dòng)信號(hào)檢測主要采用AWA6256B型環(huán)境振動(dòng)分析儀。該分析儀由環(huán)境振動(dòng)加速度計(jì)、信號(hào)處理主機(jī)、環(huán)境振動(dòng)測量分析軟件組成，主要用于環(huán)境振動(dòng)測量。

3 地鐵振動(dòng)數(shù)據(jù)測量結(jié)果與分析

數(shù)據(jù)采集之后，必須要經(jīng)過預(yù)處理，包括定標(biāo)、剔點(diǎn)、零均值處理，消除信號(hào)噪聲等，這樣可以在地鐵經(jīng)過時(shí)得到標(biāo)準(zhǔn)的加速度過程曲線。地鐵產(chǎn)生的振動(dòng)是一個(gè)隨機(jī)信號(hào)，可以認(rèn)為是一個(gè)具有零均值的、各態(tài)歷經(jīng)性的平穩(wěn)高斯過程。采用傅里葉變換將時(shí)域變?yōu)轭l域，觀測地鐵振動(dòng)產(chǎn)生的能量大小。變換到頻域之后，經(jīng)常采用1/3倍頻程來描述。1/3倍頻程是評(píng)價(jià)振動(dòng)時(shí)各頻率段的范圍[13]。由于地鐵振動(dòng)產(chǎn)生的波形只是對(duì)垂直加速度起到主要影響作用。所以在測試過程中主要采用建筑物的垂直加速度作為分析參照量[14-16]。

3.1 地下二層測試數(shù)據(jù)分析

測量時(shí)間為中午11∶30～12∶00，測量方式采用實(shí)時(shí)不間斷測量，測量得到的原始數(shù)據(jù)為振動(dòng)加速度數(shù)值。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，選取了比較有代表性的頻率范圍，進(jìn)行時(shí)間與加速度圖形繪制。將測量的加速度曲線在時(shí)間軸上進(jìn)行數(shù)據(jù)變化，得到功率譜密度函數(shù)曲線。將縱軸加速度轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰繀?shù)。對(duì)所有測量數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，將時(shí)域變換到頻域，然后算出所有頻段的振動(dòng)加速度的1/3倍頻程頻譜。地下二層振動(dòng)測試圖如圖2所示。

從圖2可知，所有數(shù)據(jù)幾乎具有相同的規(guī)律，在20 Hz以下數(shù)據(jù)比較集中，加速度的能量增益在40 dB以下，50 Hz時(shí)能量增益達(dá)到最大，可達(dá)到55 dB。后續(xù)頻率范圍的數(shù)據(jù)具有一定波動(dòng)性。所以初步可以判斷地鐵對(duì)建筑物的影響頻率應(yīng)該在20 Hz以下的低頻范圍內(nèi)，這和所查閱的文獻(xiàn)是一致的[16]。

圖2 地下二層振動(dòng)測試圖Fig.2 The vibration testing charts of G2

3.2 地下一層測試數(shù)據(jù)分析

測量時(shí)間同樣為中午11∶30～12∶00，測量方式為實(shí)時(shí)不間斷測量，選取了比較有代表性的頻率范圍進(jìn)行測量。測量數(shù)據(jù)與處理后的結(jié)果如圖3(a)所示。綜合分析后可得到在20 Hz以下數(shù)據(jù)比較集中，加速度的能量增益在40 dB以下，50 Hz達(dá)到最大，可達(dá)65 dB。后面頻率范圍的數(shù)據(jù)具有一定波動(dòng)性，頻率越高，曲線的重合性越差。

3.3 一層測試數(shù)據(jù)分析

測量時(shí)間區(qū)間與方式不變，測量地點(diǎn)選取大廈首層。測量數(shù)據(jù)與處理后的結(jié)果如圖3(b)所示。從圖中分析得到5 Hz以下的數(shù)據(jù)比較高，最高達(dá)到52 dB。5～20 Hz以下數(shù)據(jù)比較集中，加速度的能量增益在35 dB以下，50 Hz達(dá)到最大，可達(dá)50 dB。后面頻率范圍的數(shù)據(jù)也具有一定波動(dòng)性，頻率越高，曲線的重合性越差。

3.4 二層測試數(shù)據(jù)分析

測量時(shí)間區(qū)間與方式不變，測量地點(diǎn)選取大廈二層，測量數(shù)據(jù)與處理后的結(jié)果如圖3(c)所示。從圖中觀測到20 Hz頻率以下數(shù)據(jù)比較集中，加速度的能量增益在45 Hz以下，100 Hz達(dá)到最大，達(dá)到50 dB。后面頻率范圍的數(shù)據(jù)也具有一定波動(dòng)性，同樣可以發(fā)現(xiàn)頻率越高，曲線的重合性越差。

圖3 不同樓層的1/3倍頻程特性曲線Fig.3 1/3 octave characteristic curves of different floors

4 地鐵振動(dòng)數(shù)據(jù)參數(shù)討論

對(duì)連續(xù)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析討論，在同一個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)大廈內(nèi)不同位置所采集到振動(dòng)加速度和能量增益如表2所示。

表2 采集地鐵振動(dòng)特征數(shù)據(jù)Tab.2 Vibration characteristic data collected

從表2可以看出，所有的數(shù)值都在可控范圍之內(nèi)，只有在大廈二層兩個(gè)峰值的加速度略高，在不同樓層所測量的數(shù)值有所區(qū)別，但變化不大，滿足中國振動(dòng)環(huán)境限值(白天一類建筑不超過65 dB)。另外，根據(jù)所測數(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯峰值的時(shí)間，將時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，不同樓層出現(xiàn)振動(dòng)幅度最大特征峰的時(shí)間如表3所示。

表3 振動(dòng)特征峰出現(xiàn)時(shí)間Tab.3 The time of vibration characteristic peak appears

根據(jù)表3可以發(fā)現(xiàn)，除了地下二層無明顯的特征峰以外，其余三層出現(xiàn)特征峰的時(shí)間幾乎相同。這樣就可以初步判斷出在這幾個(gè)時(shí)間內(nèi)有振動(dòng)出現(xiàn)。根據(jù)當(dāng)天天津地鐵1號(hào)線運(yùn)營情況可知，在11∶36、11∶45和11∶55時(shí)間上分別有3趟列車經(jīng)過，這也就證實(shí)了測量的準(zhǔn)確性。除了這些時(shí)間，別的振動(dòng)特征峰出現(xiàn)可能是當(dāng)時(shí)人和機(jī)動(dòng)車產(chǎn)生的振動(dòng)所導(dǎo)致的。不同樓層特征率下，同一時(shí)間所產(chǎn)生的振動(dòng)能量增益如表4所示。

表4 同一時(shí)間特征頻率下的振動(dòng)能量增益Tab.4 The vibration energy gain at the same time and characteristic frequency

根據(jù)表4可以發(fā)現(xiàn)，在同一時(shí)間不同樓層進(jìn)行測量時(shí)，振動(dòng)主要集中在20 Hz以下。這些低頻振動(dòng)產(chǎn)生的增益是影響建筑物的主要因素，產(chǎn)生的最大值小于45 dB，滿足中國所規(guī)定的振動(dòng)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。在高頻處也幾乎在相同的位置產(chǎn)生最大能量增益。所測量的數(shù)據(jù)具有一定代表性，能夠反映地表振動(dòng)對(duì)建筑物產(chǎn)生影響的一般規(guī)律。

5 結(jié)束語

本文對(duì)天津地鐵1號(hào)線運(yùn)營過程中對(duì)建筑物產(chǎn)生的振動(dòng)影響進(jìn)行了現(xiàn)場測試和數(shù)據(jù)分析，分析了不同樓層、不同頻率下的振動(dòng)對(duì)建筑物的影響。由分析可知，地鐵運(yùn)行過程中在不同樓層產(chǎn)生的振動(dòng)能量相差不大，出現(xiàn)時(shí)時(shí)間具有一致性。由傅里葉變換得到的頻率響應(yīng)可以看出，對(duì)于不同樓層測量到振動(dòng)數(shù)據(jù)，在頻率20 Hz以下的數(shù)據(jù)有共同特征，所以可以認(rèn)為該頻率是影響建筑物的主要頻率。

目前，我國各個(gè)省市軌道交通發(fā)展迅速，這就需要科技工作者更多地關(guān)注軌道運(yùn)營過程中對(duì)環(huán)境和人產(chǎn)生的影響。由于各個(gè)地區(qū)土質(zhì)和樓房結(jié)構(gòu)均不同，需要投入大量的時(shí)間和精力去進(jìn)行監(jiān)測和分析。

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