地鐵振動測試“貓耳”狀時程曲線分析及對策

俞泉瑜，申瓊玉，初 強，曾向榮

(安境邇（上海）科技有限公司，上海 200030)

地鐵振動測試及數(shù)據分析是振動源強及相關減振措施研究的重要基礎，測試及數(shù)據分析出現(xiàn)問題，將影響后續(xù)相關研究。

地鐵振動測試方法可遵循相關國家標準，但運營線路的振動測試有其特殊性，即人員需在地鐵運營結束后進入軌道區(qū)間安裝測試儀器設備，人員撤出后設備自動運行，采集第二天全天列車正常運營期的數(shù)據。數(shù)據采集過程中，列車運行及現(xiàn)場環(huán)境的不確定因素對測試儀器設備的影響無法實時監(jiān)控和調整，易導致數(shù)據采集受到干擾，從而使測試結果出現(xiàn)意想不到的情況或偏差。

目前關于地鐵振動測試的研究已取得大量成果[1－7]，研究方向多為基于大量測試探討振動源強的測點位置、不同測試工況對振動測試結果的影響等，對測試方法僅圍繞儀器型號、測點位置和參數(shù)選取進行闡述，數(shù)據篩選采用剔除離散數(shù)據的方式[3]等。而測試儀器設備的選擇及安裝的細節(jié)控制在現(xiàn)有的研究中較少提及，同時數(shù)據分析也易被忽略。

本文針對地鐵隧道內振動測試數(shù)據出現(xiàn)的“貓耳”狀振級時程曲線這一典型問題開展分析，探討導致該問題的若干原因，并研究提出相應的對策。

1 地鐵振動測試的常規(guī)技術要點

1.1 測試相關規(guī)范

地鐵振級測試主要參照GB10071－1988《城市區(qū)域環(huán)境振動測量方法》[8]、GB/T19846－2005《機械振動列車通過時引起鐵路隧道內部振動的測量》[9]、HJ453－2018《環(huán)境影響評價技術導則城市軌道交通》[10]和T/CAMET03001－2020《地鐵振動源強測量規(guī)程》[11]這幾項標準規(guī)范，其中在T/CAMET03001中根據近年來的測試經驗對地鐵振動源強測試的設備及安裝、測試斷面、測點位置、數(shù)據采集及數(shù)據處理、報告編寫等進行了全面的規(guī)定，針對性相對較強。

1.2 測點位置

本文所述的地鐵振動測試斷面包括3個垂向加速度測點，分別放置于鋼軌、道床和隧道壁，測點位置如圖1所示。鋼軌測點位于鋼軌軌底，道床測點位于道床平面，隧道壁測點位于距鋼軌軌面高度1.25±0.25 m的隧道壁垂向位置。

圖1 地鐵隧道內振動測試的測點布置示意圖

1.3 測試設備

采用24 位多通道數(shù)據采集儀(北京東方振動與噪聲技術研究所INV3062T 型)，配套DASP V11 數(shù)據采集系統(tǒng)。針對鋼軌和隧道壁測點，選擇壓電加速度傳感器(YA16 和YA19 型)，量程為1 000 g 和50 g。測試設備及參數(shù)見表1。

表1 地鐵隧道內常用振動測試設備

1.4 測試參數(shù)設置

測試時采樣頻率一般選為2 048 Hz，每個斷面連續(xù)測試，全天正常運營列車不少于100列，采用自動觸發(fā)采樣，每次測試時長為30 s。

1.5 測試設備安裝

振動傳感器采用磁座吸附和膠粘等方式絕緣安裝，傳感器連接采集儀的傳輸線采用膠帶固定，測試設備放置在儀器箱內置于不影響地鐵正常運營的指定位置。

1.6 數(shù)據分析方法

根據GB10071－1988[8]和T/CAMET03001－2020[11]，采用1 Hz～80 Hz頻率范圍最大Z振級VLZmax對地鐵隧道內振動測試數(shù)據進行分析及評價。其中采樣頻率為2 048 Hz，分析點數(shù)為2 048，VLZmax分析間隔為0.1 s，計權曲線采用ISO2631/1－1985標準Z計權，對全天列車通過的隧道壁垂向Z 振級最大值進行分析，剔除離群值，取不少于20 列的算數(shù)平均值作為測試結果。

2 典型“貓耳”狀振級時程曲線特征

依據相關標準規(guī)范要求，在地鐵隧道內振動測試分析中，通常通過批量計算并剔除離群值得到VLZmax數(shù)據，另外也會關注其頻譜特征值。然而，在數(shù)據結果異常時，往往認為是減振效果不佳或斷面差異所致，不會對數(shù)據作進一步分析并探究其他例如測試設備或其安裝方面的問題。

2.1 “貓耳”狀振級時程曲線范例

如圖2所示為兩個不同地鐵振動測試斷面的典型“貓耳”狀振級時程曲線，其主要特征為振級-時間曲線圖中列車通過時段首尾呈現(xiàn)異常峰值，使整個列車通過時段的振級時程曲線形似“貓耳”。此時若機械地依據相關規(guī)范、不加甄別地將VLZmax取在列車通過時段的“貓耳”峰值位置的數(shù)值，將導致測試結果中的振級VLZmax相比正常測試結果偏大，偏差值可達5 dB～10 dB。

進一步對“貓耳”狀振級時程曲線峰值點對應的時域信號進行觀察分析，圖2（b）所示“貓耳”狀峰值振級對應的時域信號中存在信號異常漂移的現(xiàn)象，因此，時域信號漂移是導致“貓耳”狀振級時程曲線的原因之一。

圖2 兩種典型的“貓耳”狀振級時程曲線

2.2 典型“貓耳”狀振級時程曲線的特征分析

以某次地下線隧道壁振動測試斷面的數(shù)據為例進行詳細特征分析。該斷面共設置2個隧道壁垂向加速度測點分別為隧道壁1和隧道壁2，隧道壁2是在隧道壁1測點處間隔30 m的相同測試工況位置增設的對比測點。

2.2.1 Z振級分析

測試數(shù)據分析結果如下：隧道壁1 測點的VLZmax1為87.7 dB，隧道壁2 測點的VLZmax2為73.7 dB。

隧道壁1與隧道壁2測點設置在同樣高度位置，其相隔僅30 m，列車運行工況一致，但VLZmax的差值高達14 dB，數(shù)據分析中已排除數(shù)據離散性的影響，因此需進一步分析該差異產生的原因。

2.2.2 時域分析

任選該斷面數(shù)據中的一組典型振動加速度時程曲線見圖3，圖中分別為同一列車通過時段的鋼軌、道床、隧道壁1 和隧道壁2 垂向振動加速度時程曲線。這4 段振動加速度信號在時域圖中均無明顯異常。

圖3 垂向振動加速度時域圖（鋼軌/道床/隧道壁1/隧道壁2）

該列車通過時段的隧道壁1 及隧道壁2 的Z 振級時程曲線見圖4。由Z振級時程曲線對比可知，隧道壁1 處的振級在車頭車尾經過時明顯增大，與隧道壁2處的振級時程曲線相比，呈典型的“貓耳”狀。這就是在數(shù)據分析時得到VLZmax1偏大的原因。若剔除“貓耳”峰值對應的Z 振級最大值數(shù)據，則列車通過時段隧道壁1與隧道壁2的VLZmax相差不大。

圖4 垂向Z振級時域曲線圖（隧道壁1/隧道壁2）

2.2.3 頻域分析

對上文中的隧道壁1 與隧道壁2 測點數(shù)據進行FFT 自譜分析得到各測點的頻域特征見圖5。相對于隧道壁2，隧道壁1 的加速度自譜信號在3 Hz～5 Hz存在明顯低頻峰值，3 Hz～5 Hz低頻成分對于振動加速度或振動加速度級不敏感，由于計權網絡的影響，對于Z振級就會產生非常大的影響，這類低頻信號的出現(xiàn)通常與較大瞬時沖擊干擾有關。

圖5 隧道壁1與隧道壁2處振動加速度自譜圖

3 原因分析及應對措施

3.1 原因分析

結合峰值出現(xiàn)的時間軸位置，“貓耳”狀峰值可判斷為在列車車頭、車尾通過測試斷面時產生，因此認為其與隧道測試環(huán)境中列車車頭車尾通過時引起風壓變化導致的較大瞬時沖擊干擾有關。對測試設備、傳輸線類型及安裝方式進行對比分析，產生“貓耳”狀振級時程曲線問題的原因主要包括：

（1）傳感器與電纜線未正確安裝。

進行隧道內振動測試時使用的部分傳感器通過M5連接器連接，若選擇的電纜線與M5連接器不匹配，或螺紋旋接不到位，則可能使電纜線在列車車頭、車尾通過所引起劇烈變化的風壓作用下出現(xiàn)信號傳輸異常的問題。

圖6中圈出的傳感器M5 連接器對比其他傳感器明顯過長；安裝電纜線后，連接器處仍可見有螺紋外露，說明連接器與電纜線螺紋不匹配，該情況是產生“貓耳”狀振級時程曲線的原因之一。

圖6 傳感器與電纜線安裝接口不匹配

（2）傳感器電纜線固定方式不可靠

圖7所示的傳感器電纜線在安裝后自然垂放，未進行可靠固定，電纜線將隨列車車頭車尾通過引起的風壓劇烈變化而大幅度擺動，甚至會引起連接部分松動，從而導致測試數(shù)據異常。

圖7 振動測試傳感器電纜線不可靠的安裝固定方式

通過室內模擬晃動電纜線試驗可知，若傳感器電纜線未可靠固定且有外力導致電纜線晃動時，會產生因摩擦引起額外電荷放電所致的低頻干擾。

（3）傳感器質量過輕或其固定底座不牢固

通過室內傳感器對比試驗發(fā)現(xiàn)，在傳感器規(guī)格參數(shù)相同情況下，質量越小的傳感器受到因電纜線晃動導致的干擾越嚴重，越容易導致測試信號異常。

此外，傳感器固定底座可能較單薄，或其安裝的底座不牢固或有松動或形變，也會導致測試信號異常，這在測點多、傳感器多的測試活動中也是可能存在的現(xiàn)象。

3.2 應對措施

“貓耳”狀振級時程曲線問題出現(xiàn)的原因包括傳感器與電纜線接口不匹配，電纜線固定方式不可靠，傳感器質量過輕或其固定底座不牢固、易受外界因素干擾等，具體應對措施有：

（1）選擇測試設備時，應檢查傳感器與電纜線接口的匹配性，核查傳感器配套緊固裝置的直徑、螺紋、材料的規(guī)格說明，確認與電纜線接口是否完全匹配。測試設備安裝時，應確認二者緊密連接，達到規(guī)定的安裝力矩的要求。

（2）按國家規(guī)范GB/T 14412－2005[12]規(guī)定正確安裝并固定傳感器電纜線，見圖8。規(guī)范中除規(guī)定幾種傳感器安裝及固定方式以外，亦提出了傳感器與電纜線連接接口處不得受力、電纜線需固定在振動體的連接表面上等要求。

圖8 正確的電纜線安裝固定方式

（3）國家規(guī)范GB/T 13824－2015 規(guī)定，為使傳感器能在更廣的范圍內應用，其有效質量應盡可能小[13]。但從室內模擬試驗可知，質量越小的傳感器受電纜線晃動的干擾越大。因此實際測試中，應綜合考慮測試要求和實際條件等多方面因素合理選擇傳感器的類型。

（4）在測試數(shù)據分析處理過程中，提取最大Z振級VLZmax時，應先分析列車通過時段的Z振級時程曲線是否有異常，尤其是否存在類似“貓耳”狀振級時程曲線。

4 結語

本文對地鐵振動測試的振級異常增大現(xiàn)象進行了分析，通過時域、頻域及振級時程分析及室內模擬試驗，發(fā)現(xiàn)“貓耳”狀振級時程曲線現(xiàn)象的產生及其原因如下：

（1）傳感器與電纜線未正確安裝；

（2）傳感器電纜線固定方式不可靠；

（3）傳感器質量過輕或其固定底座不牢固。

并提出了如下應對措施：

（1）選用及安裝測試設備時應注意其正確匹配；

（2）參照GB/T 14412－2005的規(guī)定進行傳感器和電纜線的安裝固定；

（3）參考國家標準GB/T 13824－2015并結合測試應用環(huán)境選擇合適的傳感器；

（4）進行數(shù)據分析時應檢驗振級時程曲線是否有異常峰值，排除“貓耳”狀峰值對測試結果的影響。

這些措施可作為相關測試規(guī)范標準的補充，有助于提高地鐵隧道壁振動測試的可靠性和客觀性。