地鐵下沉式車輛基地振動測試與評價

劉文武，羅信偉，馮青松，劉慶杰

（1.廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣州510010；2.華東交通大學 鐵路環(huán)境振動與噪聲教育部工程研究中心，南昌330013）

地鐵下沉式車輛基地作為一種新型的結(jié)構，將地鐵列車檢修場所建在地下，從而可以在地面平臺進行上蓋物業(yè)開發(fā)。相對傳統(tǒng)地面式車輛段，在相同的面積上可以停發(fā)更多列車，供上蓋建筑物使用的土地面積更多，土地使用效率和經(jīng)濟效益進一步提高，對土地面積緊張的大城市無疑更加適用。盡管下沉式車輛基地有諸多優(yōu)點，但車輛振動的傳遞不經(jīng)過土體衰減，直接由立柱傳遞至上蓋建筑物。這導致上蓋建筑的環(huán)境振動具有易傳播、易放大、更敏感、振動值易超標準限值等特點，給上蓋物業(yè)的使用舒適性帶來極大影響。

地鐵運行引起的振動會干擾人們的日常生活，使人思緒紊亂并且感到不適，影響人的工作、學習和睡眠。對上蓋建筑的舒適性問題，國內(nèi)外學者已經(jīng)做了大量理論研究并取得了一系列研究成果，但是下沉式車輛基地作為一種新型的建筑組織形式，出現(xiàn)的歷史較短，對上蓋物業(yè)受列車運行引起的環(huán)境振動問題，國內(nèi)外研究得較少。美國的Sanayei 等[1]對地鐵周邊建筑物及環(huán)境振動進行了測試和頻譜分析。比利時的Degrande等[2]測試了地鐵以不同速度運行時，倫敦地鐵周邊建筑的地面和結(jié)構柱振動。Kurz[3]提出了列車致振環(huán)境的測試步驟，指出地質(zhì)基礎、建筑結(jié)構等因素會影響振動在介質(zhì)中的傳播?？锶缛A[4]等以深圳某地鐵線為例，研究分析了地鐵車輛通過車場時引發(fā)的上蓋建筑物的振動響應情況。李楊等[5]采用建筑物內(nèi)布置振動加速度傳感器的現(xiàn)場測試的方法，分析了北京某地鐵沿線磚混建筑受地鐵運行的影響，同時利用有限元模型對實測值進行了驗證。鄒林志[6]等建立有限元模型，分析下沉式車站的振動傳播特點和振動大小規(guī)律，并通過實測數(shù)據(jù)進行了驗證。

由于下沉式車輛基地出現(xiàn)的歷史較短，且建筑結(jié)構、規(guī)劃和使用方式均有自身的特點，故列車運行所引起的結(jié)構振動有所不同。因此文中選取了一處具有代表性的地下雙層車輛基地作為研究對象，通過現(xiàn)場實測的方式，分析研究列車運行時車輛基地和上蓋建筑的振動大小，并對其使用舒適度進行了評價。研究結(jié)果可為車輛基地的建設、研究提供參考。

1 車輛基地上蓋結(jié)構振動特征

地鐵車輛基地根據(jù)使用功能可以分為檢修車輛段（簡稱車輛段）和運用停車場（簡稱停車場）。兩種類型的基地振動特性有較大不同。

車輛段的主要功能包括列車的停放、日常檢查、車輛的維修、車輛技術改造等。車輛段內(nèi)的車輛沒有固定的行駛計劃，根據(jù)運營和維修的需要調(diào)用列車。車輛段內(nèi)列車車速往往較慢，開行的頻率也較低，引起上蓋結(jié)構的振動也較小。值得關注的是車輛段內(nèi)的試車線，當進行試車作業(yè)時列車在一段時間內(nèi)以較快速度往返運行，可能會產(chǎn)生較大的振動。

停車場是軌道交通車輛停放的場所，往往占地面積較大，適合進行上蓋物業(yè)開發(fā)。停車場由出入段線、咽喉區(qū)和庫內(nèi)線所組成。出入段線是車輛由車輛段進入正線的唯一通道，因此行車密度較大，速度較快。咽喉區(qū)是由若干個道岔所組成，其主要功能是將列車分配到指定的停車線上，由于該區(qū)域道岔較多，產(chǎn)生的振動也較大。庫內(nèi)線是停車的線路，列車車速較慢，對于每一條線路其過車的頻率很低（1至2輛列車早晨發(fā)車晚間回庫）。

停車場的車輛運行主要發(fā)生在早晨列車出場和夜間列車回場2個時間段，而這2個時間段通常振動要求較嚴格。停車場運行的列車為空車，速度較慢。但是由于停車場內(nèi)以有縫線路為主且道岔較多，列車通過鋼軌接頭和道岔的有害空間時會產(chǎn)生沖擊振動。

2 舒適度評價標準

根據(jù)我國《城市區(qū)域環(huán)境振動測量方法》(GB10071-1988)，將采集得到的振動加速度數(shù)據(jù)首先進行濾波處理得到各個測點加速度時程數(shù)據(jù)，然后對其進行傅里葉變換得到頻域振動數(shù)據(jù)，根據(jù)振動加速度級的計算公式得到振動加速度級

式中：a為振動加速度有效值；a0為振動加速度基準值。

鑒于車輛基地的列車運行時間大多在6:00 之前，返回時間在22:00 之后，因此評價標準應采用夜間標準，根據(jù)目前發(fā)布的規(guī)范和指南，適用的有：

（1）GB10070-1988《城市區(qū)域環(huán)境振動標準》。此規(guī)范針對的是城市軌道交通引起的建筑物振動，該標準將建筑物分為6 類區(qū)域，針對不同區(qū)域制定了不同的標準[7]，其中上蓋的居民建筑晝間標準為70 dB，夜間標準為67 dB。

（2）GB/T 50355-2005《住宅建筑室內(nèi)振動限值及其測量方法標準》。此規(guī)范針對的是住宅建筑室內(nèi)的振動限值，采用的是分頻評價的方式，即1 Hz～80 Hz各1/3倍頻程主頻段對應的振級都需要滿足要求[8]，標準要求如圖1所示。

圖1 GB/T 50355-2005規(guī)定的限值

上蓋建筑建設完成后，車輛基地的蓋板即為建筑物內(nèi)部，因此可以近似采用該標準進行評價。

車輛基地修建有多條軌道供車輛進出，在列車運行時，振動源會來源于不同的軌道。在單次測試中，從單個測點正下方通過的列車僅有1 輛或者2輛，絕大多數(shù)列車是從其他的線路通過，難以通過多次測試取平均值的方法來準確描述振動情況。鑒于各列車通過時引起的振動級離散性較大，所以同時應用均值和極值來評價上蓋建筑的舒適度。其中極值情況是指列車從測點正下方的線路通過時，測點的振動加速度及z 振級情況，用于反映了最不利情況下測點的振動級；均值情況是指所有列車通過時，測點振動級的平均值，用于反映了某一時段列車引起測點振動的平均等級。

3 測點布置

測試地點選擇在某地下雙層停車場。該停車場為地下雙層建筑，蓋板與地面標高平齊，遠期計劃進行物業(yè)開發(fā)。軌道采用混凝土整體道床，未使用減振扣件等減振措施。

該下沉式車輛基地在縱向分為上下2 層，橫向分為東、西2個停車場。在功能上則分為聯(lián)絡線區(qū)、出入段區(qū)、咽喉區(qū)及庫內(nèi)區(qū)等等。通過前期勘察和研究需要，在停車場區(qū)域選取了2個測試斷面，其中測試斷面A橫跨東停車場，并有部分測點位于西區(qū)，測試斷面B的測點全部位于東區(qū)。測區(qū)位置示意圖如圖2所示。

圖2 測試區(qū)域A、B位置示意圖

由于地下二層僅用于車輛運行，不會進行物業(yè)開發(fā)，且產(chǎn)生的振動經(jīng)由土體衰減再通過地下一層傳遞到地面，其影響遠小于由地下一層產(chǎn)生的振動。所以地下二層僅設置一個在軌道板上的對比測點。車輛基地的地鐵車輛出庫時間主要為凌晨6:00 之前，入庫時間為22:00 之后，所以從列車入庫到出庫的時間段內(nèi)，對測試區(qū)域的振動信號進行持續(xù)采集。

測區(qū)A地面測點布置平面圖如圖3所示。

圖3 測試區(qū)域A測點布置平面圖

其中測點A0-1 至A0-8 均位于東停車場的咽喉區(qū)（非岔區(qū)）正上方，A0-10至A0-11位于西停車場的咽喉區(qū)（岔區(qū)）正上方，A0-9 位于2 個停車場的連接區(qū)域，西區(qū)和連接區(qū)域負一層未進行布點，測點全部位于東區(qū)。為了更加詳細地對振動在單塊蓋板上的分布規(guī)律進行研究，除了每塊蓋板的中心布置了測點A0-1、A0-2、A0-6、A0-7、A0-8，同時在測點A0-2所在的蓋板上，在2 根立柱之間布置了測點A0-3、A0-5，板中1/4處布置測點A0-4，并且將A0-2設置為三向測點，用于分析水平方向的振動。在西停車場設置了板中測點A0-10、A0-11，其中測點A0-10位于道岔正上方。在地下負一層和負二層也布置了測點用于對比分析和研究振動衰減規(guī)律，測點布置剖面圖如圖4所示。

圖4 測試區(qū)域A測點布置剖面圖

測區(qū)B 地面測點布置平面圖如圖5所示，測點均位于東停車場的庫內(nèi)區(qū)正上方，其中板中測點為B0-1、B0-5、B0-6、B0-7、B0-8，同樣將B0-1設置為三向測點，柱間測點為B0-2、B0-3，板中1/4 處測點為B0-3。測點布置剖面圖如圖6所示。

圖5 測試區(qū)域B測點布置平面圖

圖6 測試區(qū)域B測點布置剖面圖

測區(qū)C 位于試車線區(qū)域，該區(qū)域僅有地下一層用于車輛試運行，目前地面尚未進行物業(yè)開發(fā)。根據(jù)研究需要，地面測點布置在與車站結(jié)構主體相連的吊裝井蓋板上，其振動特性具有一定的代表性，能較好地反映列車通過該區(qū)域時地面振動情況。在測區(qū)C的吊裝井蓋板上共布置了2個測點，2個測點均布置在軌道的一側(cè)，其中C0-1更靠近軌道。在負一層軌道板上也同樣設置相應的測點用于對比分析。

4 車輛基地蓋板振動特性及舒適度評價

為了研究車輛基地蓋板振動的特性，分別選取咽喉區(qū)岔區(qū)、咽喉區(qū)非岔區(qū)和入庫線測點進行分析，列車從各測點正下方軌道通過時的振動時程曲線如圖7所示。

因為列車通過咽喉區(qū)的速度會高于進入庫內(nèi)區(qū)的速度，因此咽喉區(qū)（非岔區(qū)）的加速度峰值會高于庫內(nèi)區(qū)。咽喉區(qū)（非岔區(qū)）的加速度峰值通常在0.7 m/s2左右，而庫內(nèi)區(qū)的加速度峰值通常在0.5 m/s2左右，兩者相差0.2 m/s2。但是在列車通過咽喉區(qū)（岔區(qū)）時，由于輪軌間的沖擊作用會在此處產(chǎn)生較大的振動，而振動直接通過立柱傳遞至地面，會使得這個區(qū)域的地面振動級大于前兩者，在進行舒適度評價的時候應該格外關注該區(qū)域的振動情況。咽喉區(qū)（岔區(qū)）的加速度峰值通常在1 m/s2左右，為所有區(qū)域最大。

車輛基地根據(jù)列車運行區(qū)域可以分為：東區(qū)地下一層、二層，西區(qū)地下一層、二層共4個部分，故采集到的振動數(shù)據(jù)根據(jù)來源可以分為4 類：東區(qū)地下一層、東區(qū)地下二層、西區(qū)地下一層、西區(qū)地下二層。因為2 個停車場之間修建有天井，西區(qū)產(chǎn)生的振動會先通過土體的衰減再傳播到東區(qū)，采集到的振動數(shù)據(jù)很小，不能代表振動真實情況。所以在舒適度分析時主要關注振源在東區(qū)的工況，重點關注在列車經(jīng)過地下一層時地面的振動情況。

4.1 單塊蓋板的測點數(shù)據(jù)分析

將測試區(qū)域A 位于單塊蓋板上的測點A0-2、A0-3、A0-4、A0-5 的最大Z 振級進行對比，如圖8所示。

圖7 典型的時程曲線

圖8 單塊蓋板的Z振級對比

其中A0-2 為板中測點，A0-4 為板中1/4 測點，A0-3、A0-5 為柱間測點?？梢钥闯霭逯袦y點的Z 振級最大，最能代表該塊蓋板的振動情況，板中1/4 測點的振動大小略小于板中測點，柱間測點的Z 振級最小。而沿軌道方向的橫梁上方的柱間測點A0-3與沿軌道方向的縱梁上方的柱間測點A0-5的最大Z振級幾乎沒有區(qū)別。

考慮到上蓋建筑的具體使用情況，在對測試區(qū)域進行舒適度評價時，均以板中測點的振動情況作為該處蓋板評價指標。

4.2 咽喉區(qū)（非岔區(qū)）地面舒適度評價

將列車通過東停車場的咽喉區(qū)（非岔區(qū)）時，測點A0-1、A0-2、A0-6、A0-7、A0-8 的Z 振級繪制為柱狀圖，如圖9所示。

可以看出各個測點最大Z振級測點隨著與停車場邊界的距離增大而依次遞減，其中測點A0-8 的Z振級最大，為78.40 dB。這是因為停車場的邊界跨的剛度較中間跨小，而且邊界跨不僅會受到建筑結(jié)構本身傳遞的振動，臨近的土體也會傳遞一部分，故越靠近邊界的測點的振動響應會越大。

圖10為列車通過測點A0-8正下方時，各個測點的Z 振級與距離的關系?？梢钥闯鲭S著距離的增加，Z振級在逐漸減小，且這二者之間的線性關系較為明顯，衰減率約為0.2 dB/m。

圖9 咽喉區(qū)（非岔區(qū)）測點的Z振級

圖10 Z振級隨距離衰減的關系

列車通過負一層時，各個測點的Z振級如表1所示。由于列車通過咽喉區(qū)的車速較快，并且該區(qū)域與岔區(qū)的距離過近，造成該區(qū)的Z 振級平均值均大于GB10070-1988《城市區(qū)域環(huán)境振動標準》中所規(guī)定的夜間限值。對于該區(qū)域應該增加減振措施以保證上該建筑的正常使用。

表1 列車通過咽喉區(qū)（非岔區(qū)）負一層時的Z振級/dB

由于該停車場在橫向上的跨度較大，整個建筑內(nèi)部呈現(xiàn)出空腔結(jié)構，為了進一步研究建筑結(jié)構對振動傳遞的影響，需要從頻域的角度對各個測點的振動數(shù)據(jù)進行分析。圖11為測試區(qū)域A 板中測點的1/3倍頻程圖，可以看出各個測點在不同頻段上的振動加速度級沒有太大區(qū)別，主頻均在80 Hz左右，結(jié)合Z 振級與距離成線性關系，說明振動在整個結(jié)構沿軌道的橫向上的衰減較為平滑，結(jié)構未對振動的傳遞產(chǎn)生較大影響，并且得到的振動數(shù)據(jù)具有較高的可信度。而根據(jù)《住宅建筑室內(nèi)振動限值及其測量方法標準》對地面的振動進行評價，全部測點都沒有超過對應頻段上所規(guī)定的一級限值。

圖11 咽喉區(qū)（非岔區(qū)）的1/3倍頻程圖

將列車通過該區(qū)域地下二層時各測點的Z振級繪制為柱狀圖，如圖12所示。

圖12 咽喉區(qū)（非岔區(qū)）測點的Z振級

所有測點的Z振級均小于振源在負一層時的工況，這是因為振動在結(jié)構中傳遞時不斷地衰減，而從負二層傳遞到地面的距離要遠大于從負一層。并且振動從負二層往上傳遞時，會先經(jīng)過土體的衰減再通過立柱傳遞到地面。

根據(jù)振源的位置不同，振源本身的特性也存在差異。將振源在不同層的情況進行對比，結(jié)果如圖13所示。

圖13 咽喉區(qū)（非岔區(qū)）的振源對比

因為咽喉區(qū)負二層的軌道基礎直接修建在地基上，其軌道剛度大于負一層，再加上土體具有一定的減震作用，故列車通過負二層時產(chǎn)生的振動在所有頻段上的振動加速度級均小于負一層。列車通過負二層時各個測點的振動加速度級如表2所示。

表2 列車通過咽喉區(qū)（非岔區(qū)）負二層時的Z振級/dB

所有測點的Z 振級均沒有超過限值，并且因為各個頻段的振動加速度級會小于列車通過負一層時的工況，所以也不會超過規(guī)定的一級限值。

4.3 咽喉區(qū)（岔區(qū)）地面舒適度評價

將列車通過西停車場的咽喉區(qū)（岔區(qū)）時，將測點A0-10、A0-11 的Z 振級繪制為柱狀圖，如圖14所示。

圖14 咽喉區(qū)（岔區(qū)）測點的Z振級

2 個測點的Z 振級都比（非岔區(qū)）的測點大上許多，其中測點A0-10 的最大Z 振級達到了84.83 dB，這是因為列車在岔區(qū)時的速度最快，并且通過轍叉有害空間時輪軌間的沖擊作用更大，然后振動又直接由立柱傳遞至蓋板，造成了該處的振動相對其他區(qū)域更大。

2 個測點的Z 振級最大值、平均值如表3所示。其平均值均超過了67 dB的夜間限值。

表3 列車通過咽喉區(qū)（岔區(qū)）負一層時的Z振級/dB

從頻域的角度進行分析，如圖15所示，岔區(qū)測點的主頻在20 Hz 左右，而在8 Hz～31.5 Hz 的頻段上超過了適宜的限值，在12 Hz～25 Hz 的頻段更是超過了不得超過的限值。

圖15 咽喉區(qū)（岔區(qū)）的1/3倍頻程圖

4.4 庫內(nèi)區(qū)舒適度分析

庫內(nèi)區(qū)測點選擇布置在列車剛進入庫內(nèi)區(qū)的位置，因為從整個區(qū)域來看，在這一段的車速最快，振動較大，也最能代表該區(qū)域的振動情況。將列車通過東停車場的庫內(nèi)區(qū)時測點B0-1、B0-5、B0-6、B0-7、B0-8的Z振級繪制為柱狀圖，如圖16所示。與咽喉區(qū)測點相同，在庫內(nèi)區(qū)也呈現(xiàn)出越靠近邊界的測點的Z振級越大的規(guī)律。

圖16 庫內(nèi)區(qū)測點的Z振級

與咽喉區(qū)相比，列車在進入庫內(nèi)區(qū)時的車速已經(jīng)較慢，并且在該區(qū)域的鋼軌上均安裝了阻尼器進行減振。如表4所示。

表4 列車通過庫內(nèi)區(qū)負一層時的Z振級/dB

表4列出了各個測點的Z振級，測點的Z振級平均值在64 dB～67 dB之間，測點B0-8的Z振級在所有點中最大，其最大值和平均值分別為69.42 dB 和66.64 dB。而所有測點Z振級均沒有超過限值。

板中測點的1/3倍頻程圖如圖17所示。各點的主頻均在50 Hz左右，在8 Hz～100 Hz的頻段內(nèi)，測點的振動加速度級之間沒有太大差別。而處于最遠離邊界的測點B0-1 的振動加速度級會在上述頻段外的區(qū)域低于其他測點，這也體現(xiàn)了越靠近結(jié)構邊緣振動值越大的規(guī)律。按照1/3 倍頻程圖對庫內(nèi)區(qū)進行舒適度評價，所有測點均未超過標準中所規(guī)定的適宜達到的限值。

圖17 庫內(nèi)區(qū)岔區(qū)的1/3倍頻程圖

5 結(jié)語

下沉式車輛基地出現(xiàn)的歷史較短且振動規(guī)律較為復雜，列車在內(nèi)部運行時，其上蓋建筑的振動規(guī)律尚不明確。因此選取了一處具有代表性的雙層式地下停車場，對其地面進行了振動測試。通過對振動數(shù)據(jù)進行分析，得到以下結(jié)論：

（1）根據(jù)測試結(jié)果，單塊蓋板板中測點的的振動最大，最能代表該塊蓋板的振動情況。柱間測點位于單塊蓋板最靠近邊緣的位置，其振動最小，但不同方向上的柱間測點的振動幾乎沒有區(qū)別。

（2）由于輪軌間的沖擊作用較為強烈，該車輛基地的咽喉區(qū)（岔區(qū)）地面的振動加速度級超出了限值。咽喉區(qū)（非岔區(qū)）的Z 振級超過了限值，但各頻段的振動加速度滿足要求。對這兩個區(qū)域需增加減振隔振措施保證上蓋建筑的振動舒適度。

（3）由于列車速度較慢，其引起的庫內(nèi)區(qū)蓋板振動也較小，根據(jù)測試結(jié)果各列車通過時的振動加速度級均滿足規(guī)范要求。

（4）對于同一個測區(qū)的測點，各個中心頻率上的振動加速度級沒有太大區(qū)別。在振動衰減方面距離與Z振級呈線性關系；同時越靠近邊界的測點，振動也就越大。