地鐵列車激勵下巖石場地振動傳遞特性測試分析

張 斌，王建立，王 建，張啟樂，張 寧

（隔而固（青島）結(jié)構(gòu)設(shè)計事務(wù)所有限公司，青島 266108）

1 研究背景

研究地鐵振動主要有現(xiàn)場實測、理論分析和計算機(jī)數(shù)值模擬三種方法，現(xiàn)場振動實測數(shù)據(jù)分析得出的結(jié)論能為其他兩種研究方法提供大量的數(shù)據(jù)支持，并用以評估地鐵引起的區(qū)域環(huán)境振動[1]。對于北京、上海、廣州等開通地鐵較早的城市，已有不少學(xué)者進(jìn)行了振動測試方面的研究分析。粟潤德等[2-3]通過對北京地鐵1號線東單—建國門區(qū)間進(jìn)行現(xiàn)場測試，得出環(huán)境背景振動、公交振動等地面車輛和地鐵的地面振動響應(yīng)規(guī)律，影響地鐵列車引起的地面振動規(guī)律的因素主要有距離和背景振動。劉衛(wèi)豐等[4]對北京地鐵4號線北京站—圓明園站區(qū)間進(jìn)行現(xiàn)場測試，結(jié)果表明，在距離地鐵隧道中心線一定范圍內(nèi)，公交車引起的振動對沿線居民影響要強(qiáng)于地鐵列車。袁揚等[5]對北京地鐵15號線望京東站—望京站區(qū)間小曲線半徑地面進(jìn)行振動測試，研究分析地鐵列車通過曲線段時引起地面振動加速度在時域和頻域內(nèi)的傳播規(guī)律。高廣運等[6]對上海地鐵1號線人民廣場區(qū)間隧道進(jìn)行測試分析，利用振動加速度數(shù)據(jù)推導(dǎo)地鐵列車振動模擬荷載，結(jié)合FLAC3D數(shù)值模型，分析地鐵引起地面振動響應(yīng)。盛濤等[7]在上海某軟土場地對地鐵隧道誘發(fā)的三向環(huán)境振動進(jìn)行測試，對地鐵隧道內(nèi)、臨近自由場地及建筑物室內(nèi)的三向振動進(jìn)行了分析。樓夢麟等[8]對上海地鐵某區(qū)間段的地面及隔振建筑進(jìn)行實測分析，得出地鐵引起的地面振動特性和衰減特性，及地鐵激勵下裝有隔振支座建筑物的隔振效果。徐中根等[9]對廣州地鐵1號線隧道及地面進(jìn)行了振動測試，對不同的隧道截面形狀給出不同的地表振動傳播公式。凌育洪等[10]對廣州地鐵3號線上方某教學(xué)樓擬建場地進(jìn)行測試分析，發(fā)現(xiàn)振動超出限值，需要進(jìn)行隔振設(shè)計。汪益敏等[11]對廣州地鐵3號線夏滘車輛段試車線臨近地面及建筑物振動進(jìn)行了現(xiàn)場實測，發(fā)現(xiàn)在距離軌道0～30 m范圍內(nèi)，地面與建筑物振動均超過相關(guān)國家振動標(biāo)準(zhǔn)，在進(jìn)行上蓋物業(yè)開發(fā)時，需要進(jìn)行減振設(shè)計。

青島市整體坐落在燕山晚期深成相中粒、粗粒、細(xì)粒花崗巖（r53～2c）基上[12]。與其他城市的地質(zhì)條件相差較大，青島地鐵開通運營時間較晚，相關(guān)分析主要采用理論與數(shù)值模型手段[13]。地鐵列車引起的振動缺乏實測數(shù)據(jù)，本文選取青島某地鐵線路區(qū)間進(jìn)行隧道—地面同步測試，分析其振動傳遞衰減規(guī)律。

2 測試概況

2.1 測試斷面條件及工程地質(zhì)

測試區(qū)間斷面隧道為平行雙洞，兩洞中心線間距13 m，直線地段，隧道斷面形式為馬蹄形，道床為長枕埋入式普通整體道床，鋪設(shè)60 kg/m鋼軌，DTⅥ2型扣件，運行車輛為B型車，6節(jié)編組。地面距隧道頂面16.6 m，距隧道底面23.1 m。測試場地表覆第四系全新統(tǒng)人工堆積層，厚0.76 m，下伏燕山晚期花崗巖，局部糜棱巖、砂土狀碎裂巖及碎裂狀花崗巖發(fā)育，煌斑巖、花崗斑巖巖脈穿插，基地穩(wěn)固。

2.2 測試儀器及測點布置

隧道內(nèi)測試采用LMS SCADAS Mobile SCM01采集系統(tǒng)（8通道），PCB 333B50 ICP高靈敏度加速度傳感器，其量程 ±5 g，頻率范圍0.5～3 000 Hz。地面測試采用東方所INV3060CT2型采集系統(tǒng)（8通道），LANCE LC0116型加速度傳感器，其量程 ±0.5 g，頻率范圍0.1～300 Hz。測試儀器及傳感器見圖1。

圖1 傳感器與測試儀器Fig. 1 Acceleration sensors and test instruments

隧道內(nèi)在道床中心與隧道壁距鋼軌頂面垂向距離1.25 m處（《浮置板軌道技術(shù)規(guī)范》（CJJ/T 191—2012）在進(jìn)行減振效果評價時規(guī)定的隧道壁測點布置位置）布置2個測點。地面沿線路垂直方向布置7個測點，距離隧道中心線分別為：0 m、15 m、30 m、45 m、60 m、75 m、90 m，如圖 2所示?！冻鞘袇^(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)》（GB 10070—88）及《城市軌道交通引起建筑物振動與二次輻射噪聲限值及其測量方法標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T 170—2009）等規(guī)范均采用鉛垂向振動作為評價指標(biāo)。因此，在測試時，各測點均采集鉛垂向振動加速度響應(yīng)，采樣頻率1 024 Hz。

圖2 測點布置示意Fig. 2 Measuring points arrangement

3 時域分析

現(xiàn)場實測時，采集多組列車過車振動加速度響應(yīng)數(shù)據(jù)，為消除隨機(jī)干擾，提取10組振動時程與頻譜基本保持一致的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計算結(jié)果取10組數(shù)據(jù)平均值。

3.1 振動加速度時程

圖 3，圖4和圖 5分別為隧道及地面各測點典型振動加速度時程。通過對比分析可以發(fā)現(xiàn)：

圖3 道床中心與隧道壁測點典型振動加速度時程Fig. 3 Typical vibration acceleration time histories of track bed center and tunnel wall

圖4 地面0～45 m測點典型振動加速度時程Fig. 4 Typical vibration acceleration time histories of ground measuring points in the range of 0～45 m

圖 5 地面60～90 m測點典型振動加速度時程Fig. 5 Typical vibration acceleration time histories of ground measuring points in the range of 60～90 m

1）由加速度響應(yīng)時程曲線與地鐵列車長度簡單推導(dǎo)列車經(jīng)過測試斷面的運行速度約71 km/h。

2）隧道內(nèi)道床中心振動加速度峰值在 100m·s–2量級，隧道壁1.25 m處振動加速度峰值在10–1m·s–2量級；地面0～45 m測點振動加速度峰值在10–2m·s–2量級，60～90 m測點振動加速度峰值在10–3m·s–2量級；背景振動加速度峰值主要在10–4m·s–2量級。

3.2 振動加速度有效值

加速度有效值反映了振動信號的強(qiáng)度，其定義為：

式中：a(t)為加速度時間函數(shù)，T為分析時間長度。

根據(jù)式（1）計算地鐵列車經(jīng)過測試斷面時間段各測點振動加速度有效值，道床中心與隧道壁測點振動加速度有效值分別為 0.272 0 m·s–2、0.058 8 m·s–2，地面各測點振動加速度有效值如圖 6所示。分析得出：

1）道床中心、隧道壁、地面振動加速度有效值呈衰減趨勢。道床中心至隧道壁、隧道壁至隧道中心線正上方地面振動加速度有效值衰減了4.6倍與9.3倍。

2）地面振動加速度有效值隨著與隧道中心線距離的增加呈波動衰減趨勢。30 m與75 m測點振動加速度有效值較其前一測點處有所增大，為本測試場地存在的兩個振動放大區(qū)。文獻(xiàn)[14]在距地鐵線路水平距離26 m處，測試發(fā)現(xiàn)振動放大現(xiàn)象，隧道形式為馬蹄形，但隧道埋深及土層類別未作說明。文獻(xiàn)[3]在距線路中心線80 m處發(fā)現(xiàn)振動放大現(xiàn)象，隧道形式為馬蹄形，底面埋深16 m，土層從上至下依次為填土（0～2.5 m）、粉質(zhì)黏土（2.5～12.5 m）、砂卵石（12.5 m以下）。

圖6 地面各測點振動加速度有效值Fig. 6 Virtual values of vibration acceleration of ground measuring points

4 頻域分析

按照我國《城市區(qū)域環(huán)境振動測量方法》（GB10071—1988）規(guī)定，采用 ISO2631/1—1997的1/3倍頻的計算方法，計算振動加速度級 VAL，計算分析1/3倍頻程中心頻率最大值為200 Hz。

式中：arms為加速度有效值，m·s–2；a0為基準(zhǔn)加速度，一般取 10–6m·s–2。

道床中心與隧道壁測點振動加速度級如圖7所示，地面各測點振動加速度級如圖8所示?？梢钥闯觯?/p>

1）隧道內(nèi)振動主要在50 Hz以上，200 Hz處振動最為顯著。道床中心至隧道壁垂向振動傳遞損失在10.8～37.2 dB之間，25 Hz以內(nèi)傳遞損失值較大，均在20 dB以上。

2）地面振動同樣集中在50～200 Hz，其中60～80 Hz的振動最為顯著。隨著地面測點距離線路中心線距離增加，30 Hz以上的振動呈衰減趨勢，頻率越高，衰減越快；30 Hz以內(nèi)振動變化不大。

3）30 m與75 m處兩個振動放大點，相對于其前一測點，均在8～25 Hz與60～80 Hz頻段有放大，在其他頻段，振動大小呈交替變化趨勢。

4）1～8 Hz頻段，45 m處的振動最大；11～25 Hz頻段，30 m處的振動最大；26～45 Hz頻段，15 m處振動最大；45～200 Hz頻段，0 m處的振動最大。90 m處振動在大部分頻段均最?。?5 m處16～30 Hz的振動最小。

圖7 道床中心與隧道壁測點振動加速度級Fig. 7 Vibration acceleration level of track bed center and tunnel wall

圖8 地面各測點振動加速度級Fig. 8 Vibration acceleration level of ground measuring points

5 振動傳遞損失

將隧道壁測點作為參考點，計算隧道壁至地面各測點1/3倍頻程各頻段振動傳遞損失，用以評價巖石類場地振動傳遞特性。

圖 9為隧道壁至地面各測點1/3倍頻程加速度級傳遞損失，可以看出：

1）振動傳遞損失曲線均近似呈 V型分布，高頻段振動傳遞損失最大值除0 m測點外均在36～46 dB之間，低頻段振動傳遞損失在7～19 dB之間，傳遞損失在20～25 Hz附近最小。

圖9 隧道壁至地面各測點振動傳遞損失Fig. 9 Vibration transmission loss from tunnel wall to ground

2）除45 m與60 m處測點外，隧道壁至地面其他測點傳遞損失在 20～25 Hz附近均有負(fù)值出現(xiàn)，說明此頻段附近振動加速度從隧道壁傳遞至地面有放大現(xiàn)象。30 m處測點在20 Hz處放大最明顯，達(dá)到5.2 dB。

3）實測傳遞損失與文獻(xiàn)[15]試驗分析結(jié)果趨勢一致，由于激勵方式、隧道類型及埋深、土層分布等條件不一致，結(jié)果有所不同。

6 結(jié)論

通過對青島某地鐵線路區(qū)間普通道床段進(jìn)行隧道—地面同步過車響應(yīng)測試分析，得到以下結(jié)論：

1）隧道內(nèi)道床中心與隧道壁1.25 m處振動加速度峰值在 10–1～100m·s–2量級；地面 0～90 m 處振動加速度峰值在 10–3～10–2m·s–2量級；背景振動加速度峰值主要在 10–4m·s–2量級。

2）道床中心—隧道壁—地面振動加速度有效值衰減趨勢明顯。地面振動加速度有效值隨著與隧道中心線距離的增加呈波動衰減趨勢。本測試場地在距離隧道中心線30 m與75 m處，存在2個振動放大區(qū)。

3）隧道與地面振動主要集中在50～200 Hz，隧道200 Hz處的振動最為顯著，地面60～80 Hz的振動最為顯著。30 m與75 m處2個振動放大點，相對于前一測點，均在8～25 Hz與60～80 Hz頻段有放大。

4）隧道壁至地面振動傳遞損失曲線均近似呈V型分布，高頻段振動傳遞損失較低頻段大，傳遞損失在20～25 Hz附近最小，大部分測點在此頻段傳遞損失均出現(xiàn)負(fù)值，說明此頻段附近振動加速度從隧道壁傳遞至地面有放大現(xiàn)象，這可能對建筑結(jié)構(gòu)二次輻射噪聲產(chǎn)生不利影響，當(dāng)線路下穿附近建筑物需要進(jìn)行軌道隔振設(shè)計時，應(yīng)謹(jǐn)慎選擇固有頻率在此頻段附近的隔振系統(tǒng)。

5）地鐵列車運行引起青島巖石場地振動傳遞特性與其他場地類別相比具有一定的相似性與差異性。測試結(jié)果可為青島地鐵后期線路規(guī)劃對地面環(huán)境振動影響提供參考。