地鐵出入段線類矩形盾構(gòu)隧道振動傳遞特性測試分析

劉愛德 張 斌 許永富

(1. 寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司，315101，寧波；2. 隔而固(青島)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)事務(wù)所有限公司，266108，青島//第一作者，高級工程師)

地鐵列車在隧道內(nèi)軌道上運(yùn)行時(shí)，由輪軌激勵產(chǎn)生振動并通過軌道—隧道—土壤傳遞至地面及建筑物[1]。隧道形狀與振動響應(yīng)密切相關(guān)[2]。目前，軌道交通常用的隧道形狀有圓形、馬蹄形等，許多專家學(xué)者對其進(jìn)行了大量的振動分析研究。文獻(xiàn)[3]對北京地鐵5號線圓形盾構(gòu)隧道與馬蹄形隧道內(nèi)采用不同減振措施時(shí)，鋼軌、道床和隧道壁的振動特性進(jìn)行了振動測試分析與理論驗(yàn)證。文獻(xiàn)[2]對上海軌道交通8號線單圓與雙圓盾構(gòu)隧道進(jìn)行了測試分析，在單列車運(yùn)行的情況下，相同測點(diǎn)處雙圓盾構(gòu)隧道的豎向振動加速度峰值小于單圓盾構(gòu)隧道。文獻(xiàn)[4]對上海某軌道交通線路圓形隧道上方的地面振動進(jìn)行了測試分析，發(fā)現(xiàn)由列車引起的地面振動存在放大區(qū)。文獻(xiàn)[5]對上海某軌道交通線路圓形盾構(gòu)隧道內(nèi)與自由場地的振動頻譜特性及傳遞規(guī)律等進(jìn)行了測試分析，同時(shí)對鄰近建筑物的室內(nèi)舒適度作了評估。文獻(xiàn)[6]對北京地鐵15號線圓形盾構(gòu)隧道小半徑曲線段地面進(jìn)了實(shí)測，分析了地鐵列車通過曲線段時(shí)引起地面振動加速度的時(shí)域和頻域的傳播規(guī)律。文獻(xiàn)[7]對上海軌道交通1號線圓形隧道進(jìn)行了振動測試，并結(jié)合數(shù)值分析，研究了振動波在地表的傳播規(guī)律。文獻(xiàn)[8]對某地鐵1號線馬蹄形隧道引起的地面振動實(shí)況和振動特性及其傳播規(guī)律進(jìn)行實(shí)測分析，發(fā)現(xiàn)存在一個振動放大區(qū)及主要響應(yīng)頻帶。文獻(xiàn)[9]對北京地鐵1號線東單站—建國門站區(qū)間馬蹄形隧道進(jìn)行了現(xiàn)場測試，得出環(huán)境背景振動、道路公交振動等地面車輛和地鐵的地面振動響應(yīng)規(guī)律。

寧波地鐵大斷面類矩形盾構(gòu)隧道在我國尚屬首次應(yīng)用[10]，為目前世界上最大斷面的類矩形盾構(gòu)隧道，振動實(shí)測數(shù)據(jù)缺乏。本文選取寧波地鐵3號線一期工程的出入段線類矩形盾構(gòu)隧道，對其進(jìn)行了隧道-地面同步測試，并分析了其振動傳遞規(guī)律。

1 寧波地鐵3號線一期工程出入段線試驗(yàn)段測試概況

1.1 測試斷面及測點(diǎn)布置

測試斷面位于寧波地鐵3號線一期工程里程為CK 0+379.5的出入段線試驗(yàn)段(以下簡為“試驗(yàn)段”)。出段線和入段線曲線半徑分別為405 m和400 m。出段線隧道頂面距地面的距離為7.7 m，隧道底面距地面的距離為14.6 m。試驗(yàn)段測試斷面及測點(diǎn)布置示意如圖1所示。采用普通整體道床，鋪設(shè)60 kg/m鋼軌、DTⅢ2型扣件。采用施工運(yùn)輸車作為激勵，運(yùn)輸車由牽引機(jī)車與拖車組成，牽引機(jī)車總質(zhì)量約45 t(軸距為2.6 m，軸重為22.5 t)，拖車總質(zhì)量約23 t(軸距為1.15 m，定距為4.1 m，軸重為5.75 t)。

在隧道內(nèi)壁距鋼軌頂面1.5 m處布置豎向測點(diǎn)；同時(shí)在地面布置4個豎向測點(diǎn)，與出段線的中心線距離分別為0 m、5 m、15 m、30 m。

圖1 試驗(yàn)段測試斷面及測點(diǎn)布置示意圖

1.2 測試儀器及測試內(nèi)容

隧道內(nèi)測試采用LMS SCADAS Mobile SCM 01采集系統(tǒng)和PCB 356A17型加速度傳感器，加速度傳感器量程為±10g，頻率范圍為0.5～3 000 Hz。地面測試采用東方所INV 3062-C1(L)型采集系統(tǒng)和LANCE LC 0116型加速度傳感器，加速度傳感器量程為±0.5g，頻率范圍為0.1～300 Hz。采樣頻率設(shè)定為1 024 Hz。

本次測量分為一列列車在出線段運(yùn)行與兩列列車在出段線和入段線同向并行運(yùn)行兩種工況。兩車反向交會運(yùn)行并同時(shí)經(jīng)過待測斷面的情況較難控制，因此采用兩車同向并行來模擬兩車交會工況。為避免測試時(shí)的隨機(jī)干擾，兩種工況均選擇10組效果較好的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

文獻(xiàn)[11]研究表明，隨著車速增加，振動總體呈增大趨勢。受車輛條件限制，本文僅測試分析列車勻速運(yùn)行工況，運(yùn)行速度取9 km/h。

2 時(shí)域分析

2.1 振動加速度時(shí)程

圖2～4為一列列車運(yùn)行工況與兩列列車同向并行運(yùn)行工況下隧道壁測點(diǎn)與地面典型測點(diǎn)振動加速度時(shí)程曲線。由圖2～4可以看出：

(1)兩列列車并行運(yùn)行時(shí)，時(shí)域信號中的過車信號更加明顯。

(2)隧道壁振動加速度時(shí)程峰值在10-1m/s2量級，地面各測點(diǎn)振動加速度峰值主要在10-2m/s2量級。

a) 一列列車運(yùn)行b) 兩列列車運(yùn)行

圖2 隧道壁典型測點(diǎn)振動加速度時(shí)程曲線

圖3 一列列車運(yùn)行工況下地面典型測點(diǎn)振動加速度時(shí)程曲線

2.2 振動加速度有效值

將振動加速度有效值arms定義為：

(1)

式中：

a(t)——加速度時(shí)間函數(shù)；

t——分析時(shí)間長度。

根據(jù)式(1)計(jì)算得到施工運(yùn)輸車經(jīng)過測試斷面時(shí)間段各測點(diǎn)振動加速度有效值均值，繪制兩種行車工況下各測點(diǎn)振動加速度有效值變化曲線，如圖5所示。由圖5可以得到如下結(jié)論：

圖5 各測點(diǎn)振動加速度有效值變化曲線

(1)兩列列車同向并行運(yùn)行工況下的同一測點(diǎn)振動加速度有效值大于一列列車運(yùn)行工況。兩列列車同向并行運(yùn)行工況下，各測點(diǎn)振動增大效應(yīng)較為明顯。

(2)兩種行車工況下，過車引起的振動由隧道壁向地面各測點(diǎn)傳播過程中，呈波動衰減趨勢。振動加速度有效值由隧道壁傳播至出段線中心線正上方測點(diǎn)1的衰減幅度較大。

(3)地面振動加速度有效值的最大值并非在出段線中心線正上方測點(diǎn)1處出現(xiàn)，而是在偏離出段線中心線5 m的測點(diǎn)2處出現(xiàn)。

(4)在橫向距離出段線中心線30 m處的測點(diǎn)4振動加速度有效值比測點(diǎn)3(橫向距離出段線中心線15 m處)有反彈放大現(xiàn)象，且該現(xiàn)象與文獻(xiàn)[8]類似。

3 頻域分析

3.1 振動加速度級

根據(jù)GB 10071—1988《城市區(qū)域環(huán)境振動測量方法》[12]，振動加速度級Val的計(jì)算公式為：

Val=20·lg(arms/a0)

(2)

式中：

a0——基準(zhǔn)加速度，一般取10-6m/s2。

兩種行車工況下隧道壁測點(diǎn)與地面各測點(diǎn)振動加速度級如圖6～7所示。由圖6～7可以看出：

圖6 一列列車運(yùn)行工況下各測點(diǎn)振動加速度級

(1) 兩列列車同向并行運(yùn)行工況下，隧道壁測點(diǎn)的加速度級在3 Hz頻段，大于單一列車運(yùn)行工況；在3 Hz以內(nèi)頻段，兩種行車工況下振動加速度級交替變化。兩種行車工況下振動加速度級均在200 Hz處出現(xiàn)最大值。

(2)兩種行車工況下，地面各測點(diǎn)在40 Hz以內(nèi)頻段振動頻譜特性較一致；對于40 Hz以上頻段，測點(diǎn)1、2處振動頻譜特性較為一致；測點(diǎn)3、4處振動頻譜特性較一致。

(3)地面各測點(diǎn)隨著與出段線中心線距離增加，大部分頻帶振動逐漸減小。測點(diǎn)1、2在30 Hz以上頻帶振動較為顯著，測點(diǎn)3、4在30 Hz附近頻帶振動較為顯著。

3.2 兩種行車工況對比分析

對兩種行車工況下各測點(diǎn)振動響應(yīng)進(jìn)行對比，并分析兩列列車同向并行運(yùn)行時(shí)的振動放大效應(yīng)。兩列列車同向并行運(yùn)行與一列列車運(yùn)行工況各測點(diǎn)振動加速度級差值如圖8所示。由圖8可以看出：

(1)兩列列車同向并行運(yùn)行工況相對于一列列車運(yùn)行工況各測點(diǎn)振動加速度級在4 Hz處放大最顯著。

(2)隧道壁測點(diǎn)在1.25 Hz、2.5 Hz處振動均減小0.01 dB；在其他頻帶處均有所放大，其中在4 Hz處達(dá)到最大值，為8.01 dB。

(3)地面測點(diǎn)1在1.25～1.6 Hz頻帶振動減小0.01～1.21 dB，在其他頻帶均有所放大，在4 Hz處達(dá)到最大值，為9.82 dB。

(4)地面測點(diǎn)2在1.6 Hz處振動減小0.57 dB，在其他頻帶均有所放大，在4 Hz處達(dá)到最大值，為13.79 dB。

(5)地面測點(diǎn)3在1.25～1.6 Hz頻帶處振動減小0.18～1.22 dB，在其他頻帶均有所放大，在4 Hz處達(dá)到最大值，為12.92 dB。

圖8 兩種行車工況下各測點(diǎn)的振動加速度級差值

(6)地面測點(diǎn)4在1 Hz處振動減小3.13 dB，在其他頻帶處均有所放大，其中在4 Hz處達(dá)到最大值，為11.75 dB。

3.3 振動傳遞衰減分析

將隧道壁測點(diǎn)作為參考點(diǎn)，計(jì)算兩種行車工況下隧道壁至地面各測點(diǎn)的振動傳遞損失，用以評價(jià)類矩形隧道與寧波軟土場地的振動傳遞衰減特性。

圖9與圖10分別為一列列車運(yùn)行工況與兩列列車同向并行運(yùn)行工況下隧道壁至地面各測點(diǎn)振動傳遞損失。由圖9～10可以看出：

圖9 一列列車運(yùn)行工況隧道壁至地面各測點(diǎn)振動傳遞損失

圖10 兩列列車同向并行運(yùn)行工況隧道壁至地面各測點(diǎn)振動傳遞損失

(1)一列列車運(yùn)行工況下，隧道壁至測點(diǎn)1的傳遞損失值為1～2 Hz時(shí)的頻帶為負(fù)值，振動加速度級為-4.41～-2.41 dB，說明這些頻帶振動由隧道壁傳遞至測點(diǎn)1時(shí)并未衰減，反而有所放大，在200 Hz處，傳遞損失值達(dá)到最大，為26.30 dB；測點(diǎn)2在各頻段均呈現(xiàn)振動衰減的趨勢，在200 Hz處，傳遞損失值達(dá)到最大，為27.62 dB；測點(diǎn)3在1.6 Hz內(nèi)振動傳遞損失為-1.34～-0.33 dB，在200 Hz處，傳遞損失值達(dá)到最大，為46.49 dB；測點(diǎn)4處于2 Hz內(nèi)的振動衰減為-4.41～-0.19 dB，在160 Hz處，傳遞損失值達(dá)到最大，為41.95 dB。

(2)兩列列車同向并行運(yùn)行工況下，隧道壁至測點(diǎn)1傳遞損失值在1～2 Hz及4～5 Hz附近頻帶的振動加速度級為-4.21～-0.32 dB，說明這些頻帶振動由隧道壁傳遞至測點(diǎn)1處時(shí)并未衰減，反而有所放大，傳遞損失值在200 Hz時(shí)達(dá)到最大，為24.84 dB；測點(diǎn)2傳遞損失在4～5 Hz附近頻帶為-2.62～-2.00 dB，其他頻段振動均衰減，在200 Hz時(shí)達(dá)到最大，為26.08 dB；測點(diǎn)3傳遞損失在1～1.25 Hz及5 Hz附近時(shí)的頻帶為-1.17～-0.31 dB，其他頻段振動均衰減，在200 Hz時(shí)達(dá)到最大，為42.15 dB；測點(diǎn)4傳遞損失在1～1.6 Hz附近的頻帶為-3.14～-0.55 dB，其他頻段振動均衰減，在200 Hz時(shí)達(dá)到最大，為39.09 dB。

4 振動評價(jià)

現(xiàn)行的用于評價(jià)軌道交通環(huán)境振動水平的標(biāo)準(zhǔn)及評價(jià)指標(biāo)主要為GB 10070—1988《城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)》[13]規(guī)定的Z振級Vlz與JGJ/T 170—2009《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)》[14]規(guī)定的分頻最大振級Vl，max。本次測試在晝間進(jìn)行，故均采用晝間限值進(jìn)行評價(jià)。

4.1 Z振級評價(jià)

Vlz按照全身振動Z計(jì)權(quán)因子修正后得到振動加速度級，其頻率計(jì)權(quán)范圍為1～80 Hz。文獻(xiàn)[13]規(guī)定以列車通過的Z振級的算術(shù)平均值作為評價(jià)量。

Z振級計(jì)算如下：

Vlz=10×lg(∑10(Val+cf)/10)

(3)

式中：

cf——Z計(jì)權(quán)因子，具體取值見文獻(xiàn)[12]。

各測點(diǎn)由10組數(shù)據(jù)計(jì)算得到的Z振級算術(shù)平均值見表1。

表1 各測點(diǎn)Z振級均值 dB

由表1可以看出：

(1)一列列車運(yùn)行工況下，隧道壁Z振級僅滿足“鐵路干線兩側(cè)”限值80 dB的要求，地面各測點(diǎn)Z振級均滿足“居民、文教區(qū)”限值70 dB(晝間)的要求。

(2)兩列列車同向并行運(yùn)行工況下，隧道壁Z振級超過“鐵路干線兩側(cè)”限值80 dB，地面各測點(diǎn)Z振級除測點(diǎn)3滿足“交通干線道路兩側(cè)”限值75 dB(晝間)以外，其他3個測點(diǎn)僅滿足“鐵路干線兩側(cè)”限值80 dB的要求。

(3)兩列列車同向并行運(yùn)行工況相對于一列列車運(yùn)行工況，隧道壁Z振級增大5.4 dB，地面測點(diǎn)1、2、3、4處Z振級分別增大5.8 dB、7.8 dB、6.7 dB和7.3 dB。當(dāng)?shù)孛娼ㄖ偤锰幱趦绍嚱粫?，可能對建筑物振動評價(jià)產(chǎn)生不利影響。

4.2 分頻最大振級評價(jià)

文獻(xiàn)[14]規(guī)定：Vl,max在4～200 Hz頻率范圍內(nèi)采用1/3倍頻程中心頻率，且按不同頻率計(jì)權(quán)因子修正后的分頻最大振級。各測點(diǎn)由10組數(shù)據(jù)計(jì)算得到的分頻最大振級算術(shù)平均值如表2所示。

表2 各測點(diǎn)Vl,max的算術(shù)平均值 dB

由表2可以看出：

(1)一列列車運(yùn)行工況下，隧道壁Vl,max滿足“交通干線道路兩側(cè)”限值75 dB(晝間)要求，地面各測點(diǎn)Vl,max均滿足“特殊住宅區(qū)”限值65 dB(晝間)的要求。

(2)兩列列車同向并行運(yùn)行工況下，隧道壁Vl,max超過“交通干線道路兩側(cè)”限值75 dB，地面測點(diǎn)1、2、3滿足“交通干線道路兩側(cè)”限值75 dB(晝間)，測點(diǎn)4滿足“居住、商業(yè)混合區(qū)，商業(yè)中心區(qū)”限值70 dB的要求。

(3)兩列列車同向并行運(yùn)行工況相對于一列列車運(yùn)行工況，隧道壁Vl,max增大5.8 dB，地面測點(diǎn)1、2、3、4處Vl,max分別增大7.1 dB、11.2 dB、6.5 dB和7.0 dB。

5 結(jié)論

通過對寧波地鐵3號線一期工程出入段線類矩形隧道進(jìn)行振動測試分析，主要得出以下結(jié)論：

(1)兩種行車工況下，隧道壁振動加速度時(shí)程峰值主要在10-1m/s2量級；地面各測點(diǎn)振動加速度峰值主要在10-2m/s2量級。過車引起的振動由隧道壁向地面各測點(diǎn)傳播過程中，呈波動衰減趨勢。地面振動加速度有效值的最大值在距離出段線中心線5 m處出現(xiàn)，且30 m處振動相對于15 m處存在反彈放大現(xiàn)象。

(2)兩列列車同向并行運(yùn)行工況相對于一列列車運(yùn)行工況，各測點(diǎn)振動加速度級在大多數(shù)頻段均有增大，在4 Hz處最顯著。兩種行車工況，隧道壁至地面各測點(diǎn)，高頻段振動傳遞損失較低頻段大。大部分測點(diǎn)在5 Hz以內(nèi)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由隧道壁傳遞至地面有放大現(xiàn)象。

(3)一列列車運(yùn)行工況下地面各測點(diǎn)Z振級與Vl,max基本能滿足對環(huán)境振動要求較高的公共區(qū)域及以住宅為主的私家區(qū)域的要求，但兩列列車同向并行運(yùn)行工況不能滿足此類區(qū)域的要求。因此在選線設(shè)計(jì)時(shí)，建議考慮兩車交會運(yùn)行對環(huán)境振動的影響。