地鐵運(yùn)行引起鄰近隧道振動實測分析*

黃江華，李西峰

（1.浙江華東工程安全技術(shù)有限公司，浙江 杭州310014；2.鄭州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州450001）

1 概述

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各城市的地鐵線路的增多，地鐵也產(chǎn)生了一些負(fù)面影響，地鐵運(yùn)行引起的振動會影響地面和建筑物，進(jìn)而影響地鐵周邊的工作和生活[1]。地鐵線路的增多，往往造成多條地鐵隧道的凈距越來越小，這致使地鐵列車運(yùn)行對相臨隧道的振動問題愈發(fā)突出。因此明確列車振動荷載對相臨近距離隧道的影響對保障隧道長期運(yùn)營過程的安全性和穩(wěn)定性具有重大意義[2-6]。

以鄭州地鐵為例，通過統(tǒng)計各測點的加速度峰值、加速度振級以及頻域數(shù)據(jù)，分析了地鐵荷載對鄰近隧道的振動傳播規(guī)律，為本地區(qū)地鐵運(yùn)行引起的振動評價提供了參考。

2 現(xiàn)場測點布置和振動信號預(yù)處理方法

2.1 測點布置

鄭州某在建地鐵隧道與已經(jīng)運(yùn)行的地鐵隧道距離僅2.4m。選取在建隧道417 環(huán)位置，共布置了四個測點，每個測點可以對隧道豎直向、橫向和徑向進(jìn)行加速度采集。測點1 位于靠近運(yùn)營地鐵一側(cè)的拱腰位置，測點4 位于遠(yuǎn)離運(yùn)營地鐵一側(cè)拱腰處。由于現(xiàn)場道床已鋪設(shè)無法測拱底處，因此將測點設(shè)于隧道的最低處，測點2 位于靠近運(yùn)營地鐵一側(cè)隧道與道床交界處，測點3 位于遠(yuǎn)離運(yùn)營地鐵一側(cè)隧道于道床交界處，具體測點布置如圖1。

圖1 測點布置示意圖

2.2 振動信號預(yù)處理

在現(xiàn)實條件下進(jìn)行振動監(jiān)測時，由于周圍較復(fù)雜的測試環(huán)境，測試信號往往參雜了大量噪聲污染，使得信噪比下降，因而需要對實測振動信號進(jìn)行預(yù)處理，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確和真實。

本文通過Matlab 實現(xiàn)最小二乘法的計算，構(gòu)造出趨勢項，并在實測信號中去除。并運(yùn)用五點三次平滑法對實測數(shù)據(jù)進(jìn)行了四次數(shù)據(jù)平滑處理，提高信噪比，使波形更加光滑。根據(jù)曾宇等對地鐵振動信號的信號小波降噪?yún)?shù)的研究，采用Symlets A 4 階小波作為小波基，經(jīng)過3層小波分解，基于無偏似然估計閾值和軟閾值進(jìn)行去信號去噪。

3 實測信號結(jié)果與分析

3.1 實測加速度時域分析

根據(jù)采集的實測結(jié)果，經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理后，分別得到測點1-測點4 在的加速度峰值見表1，各測點振級值見表2。

表1 各測點三個方向峰值加速度峰值（m/s2）

表2 各測點三個方向振動加速度級（dB）

通過表1 和表2 可以看出，運(yùn)營列車對近距離隧道的振動影響主要為豎直向和水平向振動，縱向振動影響較小，豎直向振動在隧道底部的影響較大，其余方向均隨著水平距離的增加而不斷衰減。各點的振級變化與峰值加速度變化趨同，在處于凈距最小處的近側(cè)拱腰處水平振級最大，隨著距離的增大水平方向的振級逐漸減小；運(yùn)營地鐵列車產(chǎn)生的豎直振動對于近距離隧道的底部影響更大，在交接處取得最大振級；在遠(yuǎn)側(cè)隧道隨著距離的增加而衰減；縱向振級遠(yuǎn)小于豎直向和水平向振級。

3.2 實測加速度頻域分析

對預(yù)處理后的時域數(shù)據(jù)，選取Hanning 窗來減少時域信號截斷的泄露，利用Matlab 軟件采用快速傅里葉變換（FFT 變換）得到各測點的頻率幅值，并繪制出測點1～測點4 三個方向的頻譜曲線見圖2 所示。

通過圖2 可以看出，隧道壁的振動頻率主要在100Hz以內(nèi)，100Hz 以上的高頻段隨著距離的增加衰減明顯。隧道壁不同位置處區(qū)別不大，各方向的優(yōu)勢頻率大多集中在50～80Hz。地鐵列車引起相臨隧道在豎直向、水平向和縱向三個方向上的加速度影響具有相似的優(yōu)勢頻率成分。各點在1～100Hz 的三分之一倍率頻程如圖3。

圖2 頻率曲線

圖3 1/3倍率頻程

通過圖3 可知，隧道任意位置的拾取點在豎直向、水平向和縱向的振動響應(yīng)的三分之一倍率頻程的變化趨勢基本是一致的，總體來看振級最大的頻率主要分布50～100Hz內(nèi)，在5Hz 以內(nèi)逐步增加，然后在5～10Hz 以內(nèi)有小幅下降，之后逐漸上升在60Hz 左右達(dá)到峰值后逐漸下降。

4 結(jié)論

本文通過對鄭州地鐵隧道進(jìn)行了現(xiàn)場測試，記錄了由運(yùn)營地鐵引起的隧道加速度振動時程。利用預(yù)處理的相關(guān)理論方法，對實測數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)處理繪制出了加速度時程曲線，并計算得到了振動加速度級的變化曲線，繪制了傅里葉頻譜圖，分析了地鐵振動在相臨隧道的傳播和衰減規(guī)律，得到以下結(jié)論：

（1）地鐵列車引起的相臨隧道的振動以豎直向和水平向為主，縱向加速度則明顯較??；近運(yùn)營隧道側(cè)的振動大與遠(yuǎn)運(yùn)營側(cè)，隨著距離的增加，振動整體呈現(xiàn)明顯的衰減趨勢；豎直向振動最大位置在隧道的底部位置，水平向振動受水平距離影響較大，最大位置處于水平距離最近的拱腰處，且隨著水平距離的增加振動有明顯的縮小，縱向振動由于隧道變形剛度較大而明顯低于其他方向振動。

（2）振動加速度級變化規(guī)律與振動加速度相同，最大振級由水平向振動在拱腰處產(chǎn)生，其余位置豎直向振級均為優(yōu)勢方向，縱向振級則明顯較小，各方向振級均在70dB 以下。

（3）振動三個方向的頻率主要在50～100Hz，優(yōu)勢頻率集中在50～80Hz，隧道不同位置區(qū)別不大。三分之一倍率頻程在隧道壁不同位置在豎直向、水平向和縱向的變化趨勢是相似的，5Hz 以內(nèi)的振動較弱，在60Hz 處振動最強(qiáng)，主要振動在50～80Hz。