城市軌道交通不同車速引起地面振動特性研究

楊偉挺，王安斌，高曉剛，鞠龍華 YANG Weiting, WANG Anbin, GAO Xiaogang, JU Longhua

（上海工程技術(shù)大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院，上海 201620）

伴隨城市建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，城市軌道交通具有運(yùn)量大、安全可靠、運(yùn)行準(zhǔn)時、不占用地面等優(yōu)點，但城市軌道交通運(yùn)營過程中出現(xiàn)的環(huán)境問題也引起了人們的重視與關(guān)注，其中市民反映最為強(qiáng)烈和集中的是城市軌道交通產(chǎn)生的振動和噪聲問題，振動和噪聲不但對人們的生活環(huán)境和工作環(huán)境產(chǎn)生了許多不利的影響，而且運(yùn)營引起的結(jié)構(gòu)振動還通過周圍地層向外傳播，進(jìn)一步誘發(fā)地面建筑物的二次振動和輻射噪聲，該問題受到國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注。

研究結(jié)果表明，鐵路交通引起環(huán)境振動屬于低頻振動，地面振動傳播特征與土層類型、距離建筑物的距離等有關(guān)。孟鑫等對重載鐵路沿線在貨物列車通過時引起的地面振動進(jìn)行現(xiàn)場試驗研究，比較分析了地面振動衰減特性；侯晉等對城市軌道交通運(yùn)行線路周邊的振動環(huán)境進(jìn)行了測試分析，比較分析了列車速度、軌道埋深、距離及周邊環(huán)境對軌道交通引起的地面振動的影響，測試得到列車通過時傳遞到地面振動能量主要集中在50～80Hz；鄭鑫等對城市軌道交通引起的環(huán)境振動豎向位移衰減關(guān)系中局部放大現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了研究，馬蒙等也對軌道交通振動產(chǎn)生地表局部放大現(xiàn)象原因進(jìn)行分析研究。

本文研究城市軌道交通不同運(yùn)行速度對地面振動的影響，選擇了兩種不同的道床條件，對某城市軌道交通運(yùn)營線路進(jìn)行不同速度跑車試驗研究，分析比較不同道床條件下城市軌道交通運(yùn)行速度變化時地面振動的衰減特性及頻率特征，為后續(xù)進(jìn)一步對城市軌道交通振動噪聲治理研究提供參考依據(jù)。

1 現(xiàn)場測試試驗

選擇了三個測試區(qū)間，分別為B 型鋼彈簧浮置板、A 型鋼彈簧浮置板和雙層非線性扣件減振道床三種類型，列出跑不同車速分別測地面不同位置的振動加速度，如表1 所示。行車需滿足以下要求：采用“拉風(fēng)箱”式行車方式，在各截面里程前后各200m 范圍內(nèi)保持勻速通過，5 種勻速運(yùn)行速度包括10km/h、20km/h、40km/h、60km/h 和70km/h，每種運(yùn)行速度運(yùn)行5 次，完成該區(qū)間測試任務(wù)。

表1 測試截面參數(shù)

地面振動測試主要測試隧道中心線正上方地面0m 垂向和橫向加速度，15m 垂向加速度，30m 垂向加速度，其示意圖如圖1 所示。

圖1 地面加速計位置圖

測試系統(tǒng)由高精度NI 便攜式振動噪聲采集儀、PCB 加速度傳感器組成，加速度傳感器量程為0.5g，測試前使用加速度校準(zhǔn)儀對傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)工作，振動分析頻率為4～200Hz。

2 不同速度下地面振動分析

2.1 A 型鋼彈簧浮置板地面振動分析

測量截面曲線半徑R=450m，圖2、圖3 和圖4 分別為不同速度運(yùn)行條件下地面距離隧道正上方0m、15m、25m 垂向振動振動加速度1/3 倍頻程頻譜圖，不同速度地面振動總振級如圖5 所示。圖中“10km/h”代表時速為10km/h 車通過時地面的振動水平，其它類同。表2 為各速度段隧道壁加速度總振動級。

表2 地面各速度段總振動加速度級 單位：dBZ

圖2 地面0m 處垂向振動1/3 倍頻程頻譜圖

圖3 地面15m 處垂向振動1/3 倍頻程頻譜圖

圖4 地面25m 處垂向振動1/3 倍頻程頻譜圖

圖5 地面不同速度總振級圖

由圖2 至圖5 分析可知：該斷面上方地面0m 和15m 處測點垂向振動加速度Z 振級的1/3 倍頻程圖變化趨勢大致一致，在8Hz 和50Hz 處有共振峰值。該斷面地面振動在50～125Hz 頻段處于下降趨勢。該斷面上方地面15m 處的垂向振動大于0m 處的垂向振動，0m 處垂向振動大于橫向振動。垂下振動方向存在局部放大現(xiàn)象。

2.2 B 型鋼彈簧浮置板地面振動分析

測量截面曲線半徑R=350m。圖6、圖7 和圖8 分別為測試截面不同速度運(yùn)行條件下地面距離隧道正上方0m、15m 和30m垂向振動振動加速度1/3 倍頻程頻譜圖，不同速度地面振動總振級如圖9 所示。圖中“10km/h”代表時速為10km/h 車通過時地面的振動水平，其它類同。表3 為各速度段隧道壁加速度總振動級。

表3 地面各速度段總振動加速度級 單位：dBZ

圖6 地面0m 處垂向振動1/3 倍頻程頻譜圖

圖7 地面15m 處垂向振動1/3 倍頻程頻譜圖

圖8 地面30m 處垂向振動1/3 倍頻程頻譜圖

圖9 地面不同速度總振級圖

由圖6 至圖9 分析可知：該斷面上方地面0m 和15m 處測點垂向振動加速度Z 振級的1/3 倍頻程圖變化趨勢大致一致，在50Hz 處有共振峰值。該斷面地面振動在50～200Hz 頻段處于下降趨勢。該斷面上方地面15m 處的垂向振動大于0m 處的垂向振動，該區(qū)間同樣存在地面振動局部放大現(xiàn)象。

在以上兩個測試斷面的分析中發(fā)現(xiàn)，地面上距離隧道中心15m 位置的振動較隧道正上方0m 位置大。從振動頻譜特性上分析，主要是由于地面振動在50Hz 的振動峰值增大造成的。從振動傳播特性上分析，列車振動經(jīng)道床結(jié)構(gòu)傳遞到隧道結(jié)構(gòu)上，再由隧道結(jié)構(gòu)向周圍地層傳播。這種振動的傳遞與隧道結(jié)構(gòu)和地層之間的接觸狀態(tài)也有很大關(guān)系。一般來說，隧道結(jié)構(gòu)與地層相比，起主導(dǎo)作用的還是地層條件。取決于地層是軟土，還是洪沖積地層，還是軟硬互層的風(fēng)化巖石。地層與隧道結(jié)構(gòu)的動態(tài)剛度差異決定著列車振動波由隧道傳遞到地層的頻率組成和強(qiáng)弱。同時，在0m 和15m 等近場測點位置，線路不同振源應(yīng)視為復(fù)雜的三維源，所以地面15m 位置出現(xiàn)振動放大作用，是由線路條件與隧道周圍巖層地質(zhì)條件相互作用所造成的振動放大現(xiàn)象。

2.3 雙層非線性扣件減振道床地面振動分析

測試截面曲線半徑為R=450m。圖10、圖11 和圖12 分別該截面不同速度運(yùn)行條件下地面距離隧道正上方0m、15m 和30m 垂向振動振動加速度1/3 倍頻程頻譜圖，不同速度地面振動總振級如圖13 所示。圖中“10km/h”代表時速為10km/h 車通過時地面的振動水平，其它類同。表4 為各速度段隧道壁加速度總振動級。

表4 地面各速度段總振動加速度級 單位：dBZ

圖11 地面15m 處垂向振動1/3 倍頻程頻譜圖

圖12 地面30m 處垂向振動1/3 倍頻程頻譜圖

由圖10 至圖13 分析可知：頻譜曲線：該斷面上方地面0m、15m 和30m 處測點垂向振動加速度Z 振級的1/3 倍頻程圖變化趨勢大致一致，在50Hz 處有共振峰值。該斷面地面振動在50～200Hz 頻段處于下降趨勢?？傉窦壷担涸摂嗝嫔戏降孛?m 處的垂向振動大于15m 和30m 處的垂向振動，0m 處垂向振動大于橫向振動。地面振動振級均低于《城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)》（GB10070-88） 規(guī)定的限值。

圖10 地面0m 處垂向振動1/3 倍頻程頻譜圖

圖13 地面不同速度總振級圖

3 三種道床形式地面振動預(yù)測

由上文分析結(jié)果可知，不同跑車速度情況地面振動多隨速度變化呈現(xiàn)二次或三次多項式關(guān)系變化，即可結(jié)合實際運(yùn)行需要和節(jié)能環(huán)保要求，利用以下關(guān)系式求出最合理的運(yùn)行速度。因此，進(jìn)一步構(gòu)建了三種道床形式地面振動預(yù)測模型，并對其進(jìn)行誤差分析。

其中：L為列車以速度V 運(yùn)行時地面A 振級，dBZ；V 為列車實際運(yùn)行速度，km/h；V為參考速度，V=50km/h。

表5 A 型鋼彈簧浮置板區(qū)間地面振動預(yù)測模型誤差統(tǒng)計表

表6 B 型鋼彈簧浮置板區(qū)間地面振動預(yù)測模型誤差統(tǒng)計表

表7 雙層非線性扣件減振道床區(qū)間地面振動預(yù)測模型誤差統(tǒng)計表

在日常生活中，由于個體的差異導(dǎo)致對列車引起振動的主觀感受特別敏感，當(dāng)需要采用列車限速手段控制列車振動時，以上關(guān)系即為不同道床結(jié)構(gòu)列車以不同速度運(yùn)行時地面振動預(yù)測模型，通過設(shè)定所要實現(xiàn)的目標(biāo)振級，可反推可達(dá)到該振級的最優(yōu)運(yùn)行速度。

4 總 結(jié)

通過現(xiàn)場試驗研究，對城市軌道交通不同車速引起的地面振動特性進(jìn)行了研究，主要得出以下結(jié)論：（1） 列車以不同速度在A 型鋼彈簧浮置板、B 型鋼彈簧浮置板及雙層非線性扣件減振道床上運(yùn)行時，在地面距離軌道中心線分別為0m、15m 及30m 3 個振動測量位置上，地面振動振級均低于《城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)》 （GB10070-88） 規(guī)定的限值（70dBZ）。（2） 從試驗結(jié)果可知，B 型鋼彈簧浮置板對應(yīng)的地面振動值最小，且列車在B 型鋼彈簧浮置板上跑車速度在10～70km/h 范圍內(nèi)的5 個試驗速度運(yùn)行時，地面振動值的大小與列車運(yùn)行速度變化關(guān)系不大，主要是由于道床減振量大，使得車速在一定范圍內(nèi)變化時地面振動大小對其不敏感。另外A 型鋼彈簧浮置板及雙層非線性扣件減振道床兩種道床對應(yīng)地面振動值的大小與車速相關(guān)性較大。（3） 城市軌道交通運(yùn)行速度對沿線環(huán)境振動的影響隨車速、隧道埋深、距離軌道距離遠(yuǎn)近差異而不同。列車以不同速度在A 型鋼彈簧浮置板及B 型鋼彈簧浮置板截面運(yùn)行時，在3 個地面測點位置，地面振動響應(yīng)最大的為15m 位置，地面振動出現(xiàn)了局部放大現(xiàn)象。A 型鋼彈簧浮置板地面振動在8Hz 和50Hz 處存在共振峰值、B 型鋼彈簧浮置板地面振動在16Hz 和50Hz處存在共振峰值，且列車運(yùn)營速度由10km/h 到60km/h 范圍內(nèi)均存在這種現(xiàn)象。列車以不同速度在雙層非線性扣件減振道床上運(yùn)行時，該測量截面地面振動測試在0～30m 的3 個測點位置，地面的振動隨距離軌道中心線的增加呈衰減趨勢，符合一般振動傳播衰減規(guī)律。（4） 通過多工況分析，得到不同道床、不同車速情況城市軌道交通運(yùn)行時對地面振動的影響，為后續(xù)進(jìn)一步對城市軌道交通振動治理研究提供了參考。