地鐵過渡段結構振動響應特性與噪聲分析

譚 佳 許煒萍 趙楚軒 王呼佳 楊 朋 孫克國

(1.廣州地鐵集團有限公司， 510220， 廣州； 2.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室， 土木工程學院， 610031， 成都； 3.中鐵二院工程集團有限責任公司， 610031， 成都∥第一作者， 高級工程師)

當前，軌道交通發(fā)展迅速，地鐵的修建能緩解城市的交通壓力，促進城市的經(jīng)濟發(fā)展。在軌道交通發(fā)展的同時，也帶來了環(huán)境安全問題。地鐵列車振動引起的環(huán)境問題已經(jīng)愈來愈引起全社會的關注。

國內外學者對地鐵列車振動傳播規(guī)律、產(chǎn)生機理，地鐵振動對周邊建筑物內人體舒適度影響等方面研究取得了一系列成果。馬曉磊等[1]以天津市Z2地鐵線一期為依托，對沿線建筑物振動影響做了分析。鄒超等[2]針對廣州地鐵3號線某段咽喉區(qū)直、曲線段列車運行引起的周圍地面振動影響，分析了列車引起地面加速度在時、頻域的規(guī)律。肖桂元等[3]對地鐵列車所引起的與地鐵合建建筑物結構環(huán)境振動響應進行了現(xiàn)場測試，從時域及頻域角度分析了地鐵列車引起合建建筑物結構環(huán)境振動特性。張曉春等[4]建立了基于模糊理論的建筑內人體舒適度煩惱模型，給出了地鐵振動引起的煩惱率曲線，得到了地鐵列車運行振動相對于人體舒適度的參數(shù)。何衛(wèi)等[5]對地鐵區(qū)間隧道進行了試車試驗，得到了隧道內列車荷載振動特性。盛濤等[6]以上海市某地鐵線路臨近的居民建筑為例，分析了地鐵引起的三向環(huán)境振動對室內舒適度的影響程度及主要影響因素。鄭國琛等[7]建立了車軌垂向振動耦合和隧道-土體數(shù)值模型，研究了振源加速度并且對振動加速度進行了預測分析。陳艷明等[8]采用觸發(fā)采集方式，分析了下沉式地鐵車輛段咽喉區(qū)振源特性以及地鐵振動沿蓋板和不同層樓板傳播規(guī)律。侯博文等[9]提出了適用于中國城市軌道交通地下車站運營期間站臺噪聲評價方法和指標與限值。袁揚等[10]通過實驗室錘擊激勵試驗與數(shù)值模擬試驗,對不同的振源特性下隧道-地層-建筑物振動傳播體系的傳遞特性進行研究。劉鵬輝等[11]通過對地鐵隧道內普通整體道床、I型軌道減振器、彈性短軌枕、梯形軌枕、鋼彈簧浮置板道床的現(xiàn)場振動測試，進行時、頻域對比，了解各種減振措施在不同頻率范圍內的減振效果差異。宗剛等[12]選取上海某地鐵沿線工程建設場地，先后開展了建設前自由場和建設后建筑一場地的振動實測，通過實測數(shù)據(jù)的時、頻域分析，對比研究了建筑物對場地振動的影響規(guī)律。曾澤民等[13]基于廣州地鐵3號線廈落車輛段試車線列車運行誘發(fā)的振動實測，通過振動時域和頻域分析。獲得地鐵車輛段試車線引發(fā)的地面振動以及臨近建筑結構物振動傳播規(guī)律。

相關學者在研究地鐵振動影響時，針對地面過渡段這一較為特殊的結構形式的研究不夠充分。地鐵過渡軌行段由于處在裸露的地表，列車運行產(chǎn)生的振動噪聲勢必會對地面建筑造成一定的影響?；诖?，本文依托廣州坑口地鐵站振動測試項目工程，對站前過渡段軌道以及臨近地面進行振動加速度的測試，研究地面過渡段列車振動特性及其影響因素，分析結果可為同類工程提供現(xiàn)場實測案例。

1 工程概況

坑口地鐵站位于廣州市荔灣區(qū)花地大道中及龍溪大道的交匯處，是廣州地鐵1號線的中間站。該車站為雙線地鐵車站，列車進出站前有一段是地面過渡段，軌行區(qū)裸露于地表，其道床結構形式為碎石道床，車站現(xiàn)場圖如圖1所示，車站東側30 m為居民住宅樓。

圖1 坑口地鐵站現(xiàn)場圖

2 測點布置與安裝

本次工作主要測試雙線軌道軌枕以及地面處的振動，測試采用的設備為TST3828EN型動靜態(tài)信號測試儀以及壓電式加速度傳感器。該儀器采樣頻率范圍為1 Hz～1 kHz，測點布置位置依據(jù)居民反映振動較為明顯的典型區(qū)域來進行劃分，測點斷面分3個測點，測點位置關系如圖2和圖3所示。

圖2 振動加速度測點斷面圖

圖3 軌行區(qū)測點平面圖

其中，軌行區(qū)的測點為防止列車振動脫落需進行固定，且不能影響振動傳播。故在安放振動傳感器前，先用6101環(huán)氧樹脂、水泥、細砂、乙二胺、二丁酯以1∶1.6∶3.2∶0.1∶0.12的質量比例制備環(huán)氧樹脂砂漿。此砂漿混合完成后為糊狀，30 min達到初凝，6 h后達到峰值強度。為保證固定牢靠，先用抹布擦拭傳感器底座，用快速粘連劑涂抹于底座表面以起到預粘效果；隨后用制備好的環(huán)氧樹脂砂漿均勻涂抹于底座四周，并按壓填充空隙；最終凝固后，傳感器底座與軌枕之間為硬連接，對于振動的傳播影響很小。傳感器固定現(xiàn)場圖如圖4和圖5所示。

圖4 現(xiàn)場涂抹預粘劑圖

圖5 傳感器固定現(xiàn)場圖

3 測試結果分析

通過對比坑口地鐵站上下行列車運行的振動加速度結果，首先分析了上下行不同軌道之間的振動以及傳輸?shù)降孛娴恼駝禹憫匦?，然后對上下行軌道以及地面測點的振動加速度進行1/3倍頻程分析，分析地面過渡段區(qū)間列車振動的響應及振動傳播特性。

3.1 時域分析

測點1、2、3振動加速度時程曲線和幅值均值分別如圖6～圖9以及表1所示?？涌谡玖熊嚿舷滦羞M出站階段實測運行速度分別為25和45 m/s。

表1 測點振動加速度記錄 單位:m/s2

圖6 測點1振動加速度時程曲線

圖7 測點2振動加速度時程曲線

圖8 測點3振動加速度時程曲線

圖9 軌行區(qū)振動加速度幅值記錄

圖6～圖8為上下行線列車經(jīng)過時測點的振動加速度。當上行線列車經(jīng)過時，測點1～3振動加速度峰值分別為0.71 m/s2、10.80 m/s2、0.07 m/s2，下行線列車經(jīng)過時，測點1～3振動加速度峰值分別為4.22 m/s2、0.26 m/s2、0.03 m/s2。從測點間的數(shù)據(jù)可以看出，振動在橫向上的傳播呈現(xiàn)逐漸衰減的趨勢，其中，兩條軌道峰值加速度差異較大，考慮主要原因為鋼軌接頭原因，測點2所處上行線鋼軌接頭較多，且列車進站減速過程與鋼軌之間的摩擦增大。從振動持續(xù)時間上來看，上行線振動所持續(xù)的時間要比下行線長，上行線振動持續(xù)時間約為15 s，下行線振動時間為10 s。圖9為軌行區(qū)振動加速度在測試時間內的幅值記錄。從記錄的幅值來看，上行線在9：30、13：30、15：00時刻存在峰值振動，下行線則是在9：30、12：00、13：30、15：00、16：00出現(xiàn)峰值振動，考慮峰值振動出現(xiàn)的主要原因是這些時段列車載重較大。故從整體時域分析結果來看，振動在橫向上的傳播呈現(xiàn)逐漸衰減的趨勢，列車載重的增加，鋼軌接頭以及列車制動行為都會增強列車的振動，而以從振源中心傳播至旁側軌道以及地面的振動來看，碎石道床能夠有效地減弱列車振動。

3.2 頻域分析

時域內振動加速度幅值的統(tǒng)計分析結果僅僅能夠反映出振動響應瞬時最大值的規(guī)律，線路結構在高速運行的列車激勵下，其頻率的構成是十分復雜的。為了對線路結構各個部位振動的頻率成分進行研究，本文將得到的時程曲線進行傅里葉變換，得到了振動加速度頻譜曲線。

根據(jù)GB 10070—88《城市區(qū)域環(huán)境振動標準》，計算振動加速度級val為：

式中：

a——振動加速度有效值，m/s2；

a0——基準加速度，取值為1×10-6m/s2。

上行線列車經(jīng)過時的各測點振動頻譜如圖10～圖12所示，下行線列車經(jīng)過時的各測點頻譜如圖13～圖15所示。

圖10 上行線測點1振動頻譜圖

圖11 上行線測點2振動頻譜圖

圖12 上行線測點3振動頻譜圖

圖13 下行線測點1振動頻譜圖

圖14 下行線測點2振動頻譜圖

圖15 下行線測點3振動頻譜圖

圖10～圖15給出的是經(jīng)傅里葉變換后的測點振動加速度頻譜圖。從圖中可以看出：列車行駛在不同的軌道時，軌行區(qū)測點頻響范圍有較大差異，當列車行駛于上行線軌道時，上行線測點頻響范圍為0～400 Hz，最大頻響在110 Hz左右；下行線測點頻響范圍是0～200 Hz，最大頻響范圍在80 Hz左右；而當列車行駛于下行線軌道時，下行線測點頻響范圍是0～400 Hz，最大頻響在110 Hz左右；上行線測點頻響范圍是0～200 Hz，最大頻響范圍在80 Hz左右。地面測點頻響范圍不受上下行列車影響，頻響范圍是0～100 Hz，最大頻響在50 Hz左右?？梢娏熊囌駝又率沟慕Y構頻響情況會在橫向上呈現(xiàn)衰減趨勢，在振動傳播過程中，高頻成分衰減較大。

4 噪聲測試結果分析與評價

本節(jié)重點分析早上5：30—7：00時段內采集的噪聲數(shù)據(jù)。此時段車流行人等較少，采集的數(shù)據(jù)可以近似作為列車噪聲影響。所用采集設備為噪聲測試儀，該設備自帶實時數(shù)據(jù)儲存與分析功能，噪聲測試測點布置以及現(xiàn)場工作圖如圖16和圖17所示。

圖16 噪聲測點布置現(xiàn)場圖

圖17 噪聲測點數(shù)值圖

圖17給出的是測試時間段內記錄的噪聲分貝值。從所記錄的測點1、2的噪聲值來看，可以明顯看到列車經(jīng)過時和靜止時的噪聲差異。其中，距離列車軌行區(qū)較近的測點1噪聲最大值為95.5 dB，靜止時為50.1 dB；測點2噪聲最大值為87.9 dB，靜止時為49.4 dB。噪聲在橫向上的傳播有小幅度削減，符合實際情況。

將實際測得噪聲值與《環(huán)境振動標準》中規(guī)定的各類區(qū)域噪聲限制進行評價?？涌谡靖浇ㄖ锇碐B 10070—88《城市區(qū)域環(huán)境振動標準》的劃分屬于振動環(huán)境功能區(qū)4a類區(qū)域，晝間振動噪聲限制為75 dB，靠近居民住宅的測點2振動噪聲最大值為87.9 dB，超過規(guī)范規(guī)定限制，需要對列車振動采用一定的減振降噪措施。

5 結論

1) 對比上下行列車經(jīng)過對應測點時的振動加速度，上行列車經(jīng)過時測點2振動加速度峰值為10.80 m/s2,下行列車經(jīng)過時，測點1的最大加速度為4.22 m/s2，兩者相差較大。推測是由于列車時速、鋼軌接頭、碎石道床對列車振動有大幅度的衰減。

2) 數(shù)據(jù)表明上行線列車經(jīng)過時，測點1～3振動加速度峰值分別為0.71 m/s2、10.80 m/s2、0.07 m/s2，下行線列車經(jīng)過時，測點1～3振動加速度峰值分別為4.22 m/s2、0.26 m/s2、0.03 m/s2。從測點間的數(shù)據(jù)可以看出，振動在橫向上的傳播呈現(xiàn)逐漸衰減的趨勢。

3) 列車在不同軌道行駛引起的軌行區(qū)測點頻響情況有所差異，當列車行駛于測點軌道時振動引起最大頻響在110 Hz左右，頻響范圍為0～400 Hz；旁邊軌道軌枕最大頻響在80 Hz左右，頻響影響范圍為0～200 Hz；地面最大頻響在50 Hz左右，頻響影響范圍為0～100 Hz;整體列車振動頻響特性在橫向上衰減，尤其是高頻成分隨著振動傳播衰減明顯。

4) 根據(jù)實時記錄發(fā)現(xiàn)：距離列車軌行區(qū)較近地面測點噪聲最大值為95.5 dB，靜止時為50.1 dB；遠離軌道一側的測點噪聲最大值為87.9 dB，靜止時為49.4 dB，噪聲最值超過規(guī)范限制75 dB，需采取一定減噪措施。