西安地鐵2號(hào)線永寧門(mén)區(qū)段列車(chē)運(yùn)行振動(dòng)對(duì)其上部文物影響實(shí)測(cè)分析

岳 海

(西安市軌道交通集團(tuán)有限公司， 710018， 西安∥高級(jí)工程師)

西安地鐵2號(hào)線是西安市首條開(kāi)工建設(shè)、首條通車(chē)的城市軌道交通線路，一期工程于2011年9月16日投入運(yùn)營(yíng)，其中途徑鐘樓、西安城墻永寧門(mén)和安遠(yuǎn)門(mén)。眾所周知，鐘樓、永寧門(mén)(南門(mén))、安遠(yuǎn)門(mén)(北門(mén))均為國(guó)家重點(diǎn)文物保護(hù)單位，多年來(lái)，國(guó)家有關(guān)部門(mén)和行業(yè)專(zhuān)家高度關(guān)注西安地鐵文物保護(hù)問(wèn)題，運(yùn)營(yíng)振動(dòng)就是其核心問(wèn)題之一。當(dāng)前，2號(hào)線已運(yùn)營(yíng)多年，準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)和評(píng)價(jià)2號(hào)線運(yùn)營(yíng)振動(dòng)對(duì)文物本體的影響，分析振動(dòng)的傳播規(guī)律及與運(yùn)營(yíng)速度的關(guān)系，不僅對(duì)文物保護(hù)有重要的意義，對(duì)后期地鐵建設(shè)也有重要的指導(dǎo)價(jià)值。本文基于此，擬通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段來(lái)分析西安地鐵2號(hào)線運(yùn)營(yíng)振動(dòng)的傳播規(guī)律以及對(duì)西安城墻永寧門(mén)的影響。

1 西安地鐵2號(hào)線下穿永寧門(mén)工程振動(dòng)監(jiān)測(cè)

西安地鐵2號(hào)線下穿西安城墻永寧門(mén)區(qū)段平面位置關(guān)系如圖1所示。2號(hào)線左右線分別從永寧門(mén)甕城東西兩側(cè)的城門(mén)洞下繞行通過(guò)，繞行線路曲線半徑為350 m，地下隧道頂埋深約17.4～18.5 m。對(duì)永寧門(mén)城墻區(qū)段的振動(dòng)監(jiān)測(cè)工作情況如下：

1) 振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器。本次振動(dòng)監(jiān)測(cè)使用了2臺(tái)振動(dòng)數(shù)據(jù)采集儀，型號(hào)分別為INV3060A和DH5910。監(jiān)測(cè)開(kāi)始前，陜西省技術(shù)質(zhì)量監(jiān)督局授權(quán)認(rèn)可的陜西省計(jì)量科學(xué)研究院對(duì)監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行了檢定，檢定測(cè)試過(guò)程中，監(jiān)測(cè)儀器使用狀態(tài)良好。

2) 測(cè)點(diǎn)布置。在永寧門(mén)區(qū)段上部古建筑的城墻、城樓及新增海墁裂縫處共布置10個(gè)振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。1～8號(hào)測(cè)點(diǎn)布設(shè)位置如圖2所示。9、10號(hào)測(cè)點(diǎn)位于墻體正中央。同時(shí)，為了研究振源處振動(dòng)響應(yīng)大小及永寧門(mén)區(qū)段浮置板道床的減振效果，在該區(qū)段隧道內(nèi)進(jìn)行布點(diǎn)監(jiān)測(cè)(見(jiàn)圖3)。測(cè)點(diǎn)11～13和14～16分別位于普通道床與浮置板道床的鋼軌、道床和隧道壁上。

圖1 西安地鐵2號(hào)線下穿西安城墻永寧門(mén)區(qū)段平面圖

圖2 西安地鐵2號(hào)線永寧門(mén)區(qū)段上部古建筑測(cè)點(diǎn)布置圖

圖3 西安地鐵2號(hào)線永寧門(mén)區(qū)段隧道內(nèi)測(cè)點(diǎn)布置圖

3) 監(jiān)測(cè)工況及時(shí)間。為了研究地鐵列車(chē)不同運(yùn)行速度對(duì)城墻、城樓及裂縫處的振動(dòng)影響程度，于2019年1月18日凌晨00：30—04：00期間(路面交通最稀少)，上、下行線電客車(chē)均分別以57 km/h、55 km/h、50 km/h、45 km/h和40 km/h 5種運(yùn)行工況勻速通過(guò)永寧門(mén)區(qū)段，在每一種工況下，電客車(chē)往返共6次通過(guò)該區(qū)段。

2 振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

2.1 永寧門(mén)區(qū)段隧道振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

2019年1月23日對(duì)該區(qū)段進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)，其中浮置板段監(jiān)測(cè)斷面里程為YCK14+180.000，普通段監(jiān)測(cè)斷面里程為YCK14+131.020，均采用信號(hào)觸發(fā)采樣，觸發(fā)通道為鐵軌通道，采樣頻率為5 120 Hz，采樣時(shí)長(zhǎng)為50 s。對(duì)采集到的時(shí)域振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行選擇，選擇原則為：波形完整，無(wú)明顯畸變；信噪比高，無(wú)工頻干擾或工頻干擾不嚴(yán)重。

分析時(shí)，對(duì)時(shí)域波形應(yīng)先預(yù)檢，去掉奇異項(xiàng)、修正零線飄移、趨勢(shì)項(xiàng)等誤差；當(dāng)需濾波時(shí)，根據(jù)具體情況合理設(shè)置低通、高通的濾波截止頻率或帶通的通頻帶寬，以確保數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性和真實(shí)性。圖4為隧道內(nèi)軌道上振動(dòng)信號(hào)的典型時(shí)程曲線圖和頻譜圖。由圖4可見(jiàn)，列車(chē)整列通過(guò)測(cè)點(diǎn)斷面所需時(shí)間約為9 s，列車(chē)運(yùn)行速度約為50 km/h。

a) 加速度時(shí)程曲線圖

b) 頻譜圖

表1具體實(shí)測(cè)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析表。由表1可知：

1) 普通道床鋼軌、道床、隧道壁水平向和垂直向的振動(dòng)加速度幅值分別在184.13～273.12 m/s2、0.61～0.94 m/s2、0.50～0.70 m/s2和1.04～1.20m/s2之間；鋼彈簧浮置板道床鋼軌、道床、隧道壁水平向和垂直向的振動(dòng)加速度幅值分別在152.50～205.30 m/s2、4.107.10 m/s2、0.28～0.42 m/s2和0.69～0.87 m/s2之間。由輪軌運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)傳遞至道床、隧道壁時(shí)有很大程度的衰減，其中隧道壁水平向振動(dòng)較垂直向的小。

表1 西安地鐵2號(hào)線永寧門(mén)區(qū)段隧道內(nèi)不同測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度監(jiān)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

2) 鋼彈簧浮置板道床處的振動(dòng)加速度幅值大于普通道床，這是由于鋼彈簧浮置板道床特殊的減振構(gòu)造，使得浮置板的振動(dòng)較為劇烈，這種振動(dòng)主要由軌道傳遞到車(chē)體，進(jìn)而使得地鐵列車(chē)運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)通過(guò)浮置板的隔振后傳遞到隧道壁上的振動(dòng)量大大減少，相比普通道床，隧道壁水平向和垂直向振動(dòng)加速度幅值分別能減小45.1%和29.2%。這表明鋼彈簧浮置板道床對(duì)減小隧道壁、土體及隧道上方敏感建筑物的振動(dòng)響應(yīng)有顯著效果。

2.2 永寧門(mén)區(qū)段城墻振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

永寧門(mén)區(qū)段城墻各測(cè)點(diǎn)不同工況下的水平向、垂直向振動(dòng)速度幅值及變化規(guī)律如圖5～6所示。由圖5～6可知：

1) 永寧門(mén)區(qū)段城墻在地鐵列車(chē)單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，不同運(yùn)行工況下的水平向振動(dòng)速度最大幅值僅為0.035 mm/s，隨著列車(chē)運(yùn)行速度的變化，水平向振動(dòng)變化規(guī)律不明顯。所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)均滿(mǎn)足GB/T 50452—2008《古建筑防工業(yè)振動(dòng)技術(shù)規(guī)范》容許振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)(水平向0.15 mm/s)的要求。

2) 永寧門(mén)區(qū)段城墻在地鐵列車(chē)單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，不

圖5 西安地鐵2號(hào)線永寧門(mén)區(qū)段城墻各測(cè)點(diǎn)水平向振動(dòng)速度

圖6 西安地鐵2號(hào)線永寧門(mén)區(qū)段城墻各測(cè)點(diǎn)垂直向振動(dòng)速度

同運(yùn)行工況下的垂直向振動(dòng)速度最大幅值僅為0.035 mm/s，隨著列車(chē)運(yùn)行速度的增加，垂直向振動(dòng)速度有一定的增加。所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)檢結(jié)果均滿(mǎn)足國(guó)家文物局給出的振動(dòng)速度建議值(垂直向0.15～0.20 mm/s)。

2.3 永寧門(mén)區(qū)段城樓振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

永寧門(mén)區(qū)段城樓各測(cè)點(diǎn)不同工況下的水平向、垂直向振動(dòng)速度幅值及變化規(guī)律如圖7～8所示。

圖7 西安地鐵2號(hào)線永寧門(mén)區(qū)段城樓各測(cè)點(diǎn)水平向振動(dòng)速度幅值最大值

圖8 西安地鐵2號(hào)線永寧門(mén)區(qū)段城樓各測(cè)點(diǎn)垂直向振動(dòng)速度幅值最大值

由圖7～8可知：

1) 永寧門(mén)區(qū)段城樓在地鐵列車(chē)單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，不同運(yùn)行工況下的水平向振動(dòng)速度最大幅值僅為0.083 mm/s，隨著列車(chē)運(yùn)行速度的增加，城樓水平向振動(dòng)速度有一定的增大。所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)檢結(jié)果均滿(mǎn)足GB/T 50452—2008容許振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)(水平向0.19 mm/s)的要求。

2) 永寧門(mén)城樓在地鐵列車(chē)單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，不同運(yùn)行工況下的垂直向振動(dòng)速度最大幅值僅為0.047 mm/s，隨著列車(chē)運(yùn)行速度的增加，垂直向振動(dòng)速度有一定的增加，但變化較小。所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)檢結(jié)果均滿(mǎn)足國(guó)家文物局給出的振動(dòng)速度建議值(垂直向0.20 mm/s)。

3) 隨著地鐵列車(chē)運(yùn)行速度降低，城樓各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度響應(yīng)幅值均有不同程度的減弱。其中，當(dāng)?shù)罔F列車(chē)運(yùn)行速度由57 km/h降至50 km/h時(shí)，城樓二層監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)降低程度相對(duì)明顯，如進(jìn)一步降速則影響不大。

3 結(jié)論和建議

1) 鋼彈簧浮置板道床的減振效果較好。相比普通道床，其隧道壁水平向和垂直向振動(dòng)加速度幅值分別能減小45.1%和29.2%。這表明鋼彈簧浮置板道床對(duì)減小隧道壁、土體及隧道上方敏感建筑物的振動(dòng)響應(yīng)有顯著效果。

2) 在地鐵列車(chē)單獨(dú)運(yùn)行，57 km/h速度工況下，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度幅值最大，城樓水平向?yàn)?.083 mm/s，垂直向?yàn)?.047 mm/s；城墻水平向?yàn)?.035 mm/s，垂直向?yàn)?.035 mm/s。振動(dòng)速度最大值為規(guī)范控制標(biāo)準(zhǔn)的1/5～1/3，由此可見(jiàn)，地鐵列車(chē)運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)文物的影響是有限的。

3) 隨著地鐵列車(chē)運(yùn)行速度增大，永寧門(mén)區(qū)段上部文物本體的振動(dòng)速度有一定的增大，但增加效果不明顯。因此，通過(guò)減速方案來(lái)改善地鐵列車(chē)運(yùn)行振動(dòng)對(duì)文物的影響，其意義不大。