地鐵運(yùn)行引起的環(huán)境振動(dòng)變化規(guī)律及其主要成因分析

蘇立勇，鄔玉斌，滕忻利，曾欽娥，劉 巍，宋瑞祥

(1.北京城市快軌建設(shè)管理有限公司,北京 100028; 2.北京市科學(xué)技術(shù)研究院城市安全與環(huán)境科學(xué)研究所,北京 100054;3.北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司,北京 100082)

引言

伴隨著地鐵建設(shè)的迅速發(fā)展,線網(wǎng)不斷加密,越來越多的線路不可避免地近距離穿越城市中心區(qū)域,而地鐵運(yùn)行所帶來的振動(dòng)污染問題也逐漸凸顯,對(duì)周圍居民的生活、工作產(chǎn)生不可忽視的影響,關(guān)于地鐵振動(dòng)引起的投訴也日益增多。為減少地鐵運(yùn)行引起的鄰近建筑物室內(nèi)振動(dòng)問題,建設(shè)單位和設(shè)計(jì)單位在工程建設(shè)階段根據(jù)振動(dòng)控制需求采取相應(yīng)等級(jí)的振動(dòng)控制措施,運(yùn)營單位在運(yùn)營階段根據(jù)振動(dòng)超標(biāo)量采取相應(yīng)的控制措施減小振動(dòng)的影響[1-2]。

影響地鐵環(huán)境振動(dòng)的影響因素較多,包括車輛參數(shù)、軌道參數(shù)、傳播路徑等。目前,對(duì)于地鐵振動(dòng)影響控制更多的集中于減小由輪軌相互作用引起的振動(dòng)向下部基礎(chǔ)及周圍建筑物傳遞,包括減振軌道[3-4]、傳播路徑隔振[5]及建筑物被動(dòng)隔振[6],其中,軌道減振措施作為最直接有效的方法在實(shí)際工程中更是被廣泛應(yīng)用[7-9],如減振扣件[10]、鋼彈簧浮置板軌道[11]、梯形軌枕等。車輛作為地鐵運(yùn)行振源的產(chǎn)生主體[12],其對(duì)環(huán)境振動(dòng)值的影響也不可忽略。當(dāng)車輪狀態(tài)發(fā)生變化時(shí),改變了車輪與軌道的相互作用關(guān)系,文獻(xiàn)[13]明確了車輪多邊形會(huì)對(duì)輪軌力產(chǎn)生影響;文獻(xiàn)[14-15]表明車輪不圓順幅值的增大和階數(shù)的提高均會(huì)增大輪軌垂向作用力。然而,輪軌作用力的變化會(huì)進(jìn)一步影響輸入至軌道及其下部基礎(chǔ)的振動(dòng)能量,從而也會(huì)影響環(huán)境振動(dòng)值。因此,對(duì)于地鐵引起的環(huán)境振動(dòng)控制,除考慮減少振動(dòng)向鋼軌下部基礎(chǔ)的傳遞,還應(yīng)從車輛狀態(tài)對(duì)環(huán)境振動(dòng)值的影響出發(fā),考慮減少鋼軌能量輸入來控制地鐵引起的環(huán)境振動(dòng)。

本文采用現(xiàn)場實(shí)測法,對(duì)不同列車通過時(shí)地表及隧道壁的垂向振動(dòng)特性進(jìn)行分析,對(duì)比分析不同車次、不同斷面的源強(qiáng)振動(dòng)結(jié)果,分析地鐵運(yùn)行引起的環(huán)境振動(dòng)變化規(guī)律,探究地鐵車輛狀態(tài)對(duì)地表振動(dòng)水平的影響,并對(duì)比分析車輪鏇修前后的地表振動(dòng),為地鐵振動(dòng)控制提供參考。

1 線路概況及測點(diǎn)布置

1.1 線路概況

選取北京地鐵某線路具有代表性的3個(gè)斷面進(jìn)行測試,各測試斷面的參數(shù)如表1所示。該線路列車采用8節(jié)編組A型車,線路區(qū)間為盾構(gòu)隧道,軌道均采用彈性長枕。

表1 各測試斷面參數(shù)Tab.1 Parameters of all measurement sections

1.2 測點(diǎn)布置

為分析列車運(yùn)行引起的振動(dòng)變化規(guī)律及成因,分別對(duì)隧道壁和鄰近建筑地表的振動(dòng)展開現(xiàn)場測試。分別在3個(gè)斷面的隧道壁安裝測點(diǎn),測點(diǎn)布置位置如圖1(a)所示,垂向距軌面距離為1.9 m,所采用的加速度計(jì)型號(hào)為LC0130T,適用頻率范圍為0.5～1 000 Hz。由于振動(dòng)由隧道壁傳遞至地表,振級(jí)變化主要受傳播路徑上巖土參數(shù)的影響,僅選擇其中一斷面(斷面3)鄰近建筑物的地表振動(dòng)分析,所選擇的建筑物距線路中心線最近距離為27.7 m,根據(jù)GB10070—1988《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》,測試傳感器安裝于建筑物室外0.5 m以內(nèi),采用的加速度傳感器型號(hào)為B&K8344,靈敏度為2 500 mV/g,適用頻率范圍為0.2 Hz～3 kHz,地表測點(diǎn)位置如圖1(b)所示。測試過程中采用最高采樣頻率51.2 kHz、24位高精度的INV 3062T型數(shù)據(jù)采集儀,采樣頻率為2 048 Hz。

圖1 現(xiàn)場測點(diǎn)位置布置(單位:m)Fig.1 Layout of on-site measurement points(unit:m)

2 結(jié)果分析

2.1 振動(dòng)數(shù)據(jù)分析方法

文中列車運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)主要面向鄰近建筑物內(nèi)人體舒適度,因此采用鉛錘向計(jì)權(quán)加速度級(jí)作為分析指標(biāo),即Z振級(jí),它主要反映1～80 Hz范圍內(nèi)的振動(dòng)能量對(duì)人體的影響。Z振級(jí)計(jì)算公式如下

VLz=10lg(∑100.1×(VLi+Δi))

(1)

式中,VLi為第i個(gè)1/3倍頻程中心頻帶的加速度級(jí),計(jì)算公式為VLi=20lg(arms/a0);arms為第i個(gè)頻段范圍的加速度有效值;a0為加速度基準(zhǔn)值,取1×10-6m/s2;Δi為相應(yīng)中心頻率處的Z計(jì)權(quán)因子。

根據(jù)加速度時(shí)程數(shù)據(jù),采用一定的時(shí)間積分間隔可獲得列車通過時(shí)隨時(shí)間變化的Z振級(jí),本文采用的時(shí)間積分間隔為1 s,通過統(tǒng)計(jì)列車通過時(shí)間段內(nèi)所測得的Z振級(jí)最大值,即可獲得最大Z振級(jí)。

2.2 鄰近建筑地表振動(dòng)特性分析

首先,對(duì)斷面3對(duì)應(yīng)的鄰近建筑地表兩個(gè)測點(diǎn)連續(xù)20趟列車通過的最大Z振級(jí)進(jìn)行分析,結(jié)果如圖2所示。

圖2 地表測點(diǎn)最大Z振級(jí)Fig.2 VLZmax of ground measurement point

由圖2可以看出,20趟列車通過時(shí)地表2個(gè)測點(diǎn)的振動(dòng)值均表現(xiàn)出一定的離散性,測點(diǎn)1的最大值為72.8 dB,最小值為58.2 dB,最大值與最小值的差異為14.6 dB,離散程度大,平均值為69.4 dB。雖然平均值滿足標(biāo)準(zhǔn)GB10070—1988規(guī)定的“居民、文教區(qū)”晝間限值(70 dB),但仍有10趟車的振級(jí)超過了70 dB,在所采集的20趟車中占比達(dá)到了50%,類似地,測點(diǎn)2的占比為30%。

進(jìn)一步對(duì)1 d內(nèi)不同車次通過時(shí)地表測點(diǎn)的最大Z振級(jí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同車次地表測點(diǎn)最大Z振級(jí)Fig.3 VLZmax of ground point with different trains’ pass-by

由圖3可以看出,地表測點(diǎn)的振級(jí)隨列車編號(hào)變化差異顯著,部分列車通過時(shí)引起的振級(jí)明顯較大,如M7、M8、M9、M14車次1 d內(nèi)運(yùn)行產(chǎn)生的振級(jí)最大值分別為80.5,81.7,74.6,76.5 dB,對(duì)應(yīng)車次的最小值分別為76.8,76.8,71.9,73.5 dB,其余各次車輛的最大值在60～70 dB范圍內(nèi)變化,各次車通過時(shí)最大值與最小值的差值在1.6～11.8 dB。

綜上所述,單一的以20趟車的平均值為評(píng)價(jià)指標(biāo)判斷地鐵運(yùn)行引起的地表振動(dòng)是否滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求會(huì)存在一定誤差,需綜合分析不同車次引起的振動(dòng)水平,以判斷是否有車輛出現(xiàn)顯著異常狀態(tài),從而導(dǎo)致地表的振動(dòng)水平超標(biāo),方可采取有效的振動(dòng)控制措施,而不是單一的分析軌道狀態(tài)及其減振措施對(duì)地表環(huán)境振動(dòng)的影響。

2.3 隧道內(nèi)源強(qiáng)振動(dòng)特性及影響因素分析

由于輪軌相互作用引起的振動(dòng)經(jīng)過長距離傳播至地表,受土體等傳播介質(zhì)的衰減影響,同時(shí)地表振動(dòng)信號(hào)受周圍環(huán)境的影響,導(dǎo)致所采集的地表振動(dòng)加速度信號(hào)難以有效反映車輛和軌道狀態(tài)信息。當(dāng)傳播路徑一致時(shí),地表振動(dòng)水平隨源強(qiáng)的大小而變化。為分析車輛狀態(tài)和軌道狀態(tài)對(duì)環(huán)境振動(dòng)的影響,首先對(duì)1 d內(nèi)不同列車通過引起的隧道壁振動(dòng)水平進(jìn)行分析,圖4為1 d內(nèi)不同列車通過斷面1時(shí)隧道壁的最大Z振級(jí)。

圖4 不同列車通過時(shí)斷面1隧道壁的最大Z振級(jí)Fig.4 VLZmax of tunnel wall points at section1 with different trains’ pass-by

由圖4可以看出,不同列車通過時(shí)隧道壁振級(jí)水平差異顯著,在72.3～94.5 dB范圍內(nèi)波動(dòng),最大值與最小值的差異為22.1 dB,標(biāo)準(zhǔn)差為7.1 dB,離散程度較大。由于短時(shí)間內(nèi)軌道表面狀態(tài)尚未發(fā)生顯著變化,因此,可認(rèn)為振級(jí)差異的變化主要受車輛狀態(tài)影響,如車輛載重、車輪狀態(tài)、車輛運(yùn)行速度波動(dòng)等。

通過對(duì)同一天不同車次振級(jí)水平變化規(guī)律分析發(fā)現(xiàn),所采集的120趟列車中,有部分列車通過時(shí)隧道壁振級(jí)顯著增大,以隧道壁右側(cè)測點(diǎn)為例,其中80趟列車通過引起的隧道壁振級(jí)分布在72.3～85 dB內(nèi),變化范圍為12.7 dB,平均值為77.6 dB,標(biāo)準(zhǔn)差為3.8 dB;而剩余40趟列車通過時(shí)隧道壁振級(jí)分布在85.1～94.5 dB,變化范圍為9.4 dB,平均值為90.6 dB,標(biāo)準(zhǔn)差為2.7 dB,相比另外80趟列車,引起的振動(dòng)水平平均增大了13.0 dB,已經(jīng)超過了中等減振措施的控制效果[1]。同時(shí),這40趟列車的分布表現(xiàn)出明顯的周期性,由于地鐵線路每天投入運(yùn)營車輛的編號(hào)及順序是固定的,可推斷出引起該斷面隧道壁振級(jí)顯著增大的原因主要為其中的5輛列車存在異常狀態(tài)。

為分析線路及軌道變化對(duì)隧道壁振動(dòng)的影響,分別從振級(jí)較大的40趟車(以下簡稱“異常車輛”)及振級(jí)較小的80趟(以下簡稱“普通車輛”)中選取2輛車,對(duì)這4輛車通過3個(gè)斷面時(shí)隧道壁振級(jí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果分別如圖5、圖6所示。3個(gè)斷面測試日期分布在一周內(nèi),測試期間所選擇車輛的車輪未進(jìn)行鏇修,鋼軌未進(jìn)行打磨。

圖5 “異常車輛”不同斷面隧道壁最大Z振級(jí)Fig.5 VLZmax of tunnel wall points in different sections induced by ‘a(chǎn)bnormal vehicles’

圖6 “普通車輛”不同斷面隧道壁最大Z振級(jí)Fig.6 VLZmax of tunnel wall points in different sections induced by ‘normal vehicles’

由圖5、圖6中可以看出,同一車次連續(xù)2 d通過同一斷面的振動(dòng)值基本保持穩(wěn)定,如圖5(a)所示,異常車輛A1連續(xù)2 d通過斷面1的振級(jí)差異僅為1.2 dB,通過斷面2的差異僅為0.4 dB,其他車輛的振級(jí)分布情況類似。由此表明,所采集的正常車輛和異常車輛的振動(dòng)數(shù)據(jù)是可靠的,短時(shí)間內(nèi)車輪和軌道狀態(tài)尚未發(fā)生明顯變化,其振動(dòng)水平的微小差異主要來源于車輛載重、車速微小波動(dòng)等因素。對(duì)比圖5、圖6同一列車通過不同斷面的振級(jí)值可以發(fā)現(xiàn),不同斷面的振級(jí)差異顯著,通過斷面1的振級(jí)明顯大于斷面2和斷面3,斷面2與斷面3的振級(jí)變化無明顯規(guī)律,差異較小。

進(jìn)一步對(duì)比圖5和圖6中“異常車輛”和“普通車輛”通過不同斷面振級(jí)水平的差值可以發(fā)現(xiàn),異常車輛引起的不同斷面振級(jí)差更為顯著。對(duì)比斷面1和斷面2的振動(dòng)水平,異常車輛A1通過斷面1的振級(jí)水平比斷面2大10.7 dB,異常車輛A2通過兩斷面的振級(jí)差為10.4 dB,而普通車輛A3為7.1 dB,明顯減小,普通車輛A4僅為5 dB,僅為異常車輛的1/2。雖然斷面1和斷面2的速度存在差異,但根據(jù)振級(jí)的速度修正公式20lg(V/V0)[16],斷面1和斷面2對(duì)應(yīng)速度引起的振級(jí)變化在2 dB以內(nèi),遠(yuǎn)小于上述“異常車輛”引起的2個(gè)斷面的振級(jí)差,表明速度變化并不是影響2個(gè)斷面振級(jí)變化的主要因素。對(duì)比斷面2與斷面3的振動(dòng)水平,異常車輛A1、A2通過斷面3的振動(dòng)水平明顯大于斷面2,平均大4.2 dB,而普通車輛A3和A4通過斷面2和斷面3的振動(dòng)水平則無明顯規(guī)律,平均差異在2 dB以內(nèi)。

不同斷面的軌道狀態(tài)、線路形式存在差異,由表1可知,3個(gè)斷面的軌道形式均為彈性長枕,線路形式均為直線,雖然列車通過不同斷面時(shí),列車載客量發(fā)生變化,但文獻(xiàn)研究表明,列車載客量的變化對(duì)振動(dòng)源強(qiáng)的影響并不顯著[17],且本文上述同一天不同時(shí)間列車通過時(shí)的振級(jí)標(biāo)準(zhǔn)差遠(yuǎn)小于不同斷面的振級(jí)差。因此,對(duì)于同一列車而言,不同斷面隧道的振級(jí)差異主要來源于軌道狀態(tài),包括鋼軌表面狀態(tài)及鋼軌下部基礎(chǔ)狀態(tài)。同時(shí),“異常車輛”“普通車輛”通過不同斷面的振級(jí)差呈現(xiàn)非線性變化,表明列車運(yùn)行引起的環(huán)境振動(dòng)水平,還與車輛-軌道的相互作用關(guān)系有關(guān),“異常車輛”與軌道之間的相互作用關(guān)系與“普通車輛”與軌道的相互作用關(guān)系存在差異,導(dǎo)致不同車輛通過不同斷面時(shí)的振級(jí)差變化顯著。

2.4 車輪鏇修前后振動(dòng)特性分析

為改善該地鐵運(yùn)行引起的地面鄰近建筑物振動(dòng)超標(biāo)問題,地鐵運(yùn)營公司對(duì)前述所分析的“異常車輛”進(jìn)行車輪鏇修,其中M14車次鏇修前后列車各車輪的徑跳值如圖7所示。徑跳值即車輪最大半徑與最小半徑的差值[18],可直接反映車輪不圓順情況,鐵路維修標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[19],當(dāng)車輪的徑跳值達(dá)到0.5 mm便需要進(jìn)行維修。從圖7中可以看出,鏇修前多數(shù)車輪呈現(xiàn)了不圓特征,64個(gè)車輪中有34個(gè)車輪的徑跳值超過了0.5 mm,占比達(dá)到了53.1%,約22%的車輪徑跳值超過1.0 mm,其中在Mp2-1車輪徑跳值最大,達(dá)到1.6 mm。鏇修后的各車輪的徑跳值均在0.2 mm以下,平均徑跳值為0.06 mm。

圖7 M14車次不同車輪鏇修前后的徑跳值Fig.7 Radial run-out amplitude of M14’s different wheels before and after wheel re-profiled

典型“異常車輛”車輪鏇修前后地表的振動(dòng)加速度時(shí)程曲線如圖8所示,3輛典型“異常車輛”進(jìn)行車輪鏇修前后的地表的最大Z振級(jí)對(duì)比結(jié)果如圖9所示。

圖8 鏇修前后建筑物附近地表測點(diǎn)垂向加速度時(shí)程曲線Fig.8 Time history curve of vertical acceleration of ground point close to building before and after wheel re-profiled

圖9 鏇修前后建筑物附近地表測點(diǎn)最大Z振級(jí)Fig.9 VLZmax of ground point close to building before and after wheel re-profiled

由圖8可以看出,鏇修前后,地表鄰近建筑物測點(diǎn)的振動(dòng)加速度幅值存在明顯差異,鏇修后的地表垂向加速度明顯減小,加速度峰值由0.183 m/s2降低至0.025 m/s2,有效值由0.039 m/s2降低至0.0053 m/s2。由圖9可以看出,鏇修后的列車M8通過產(chǎn)生的振級(jí)最大值降低了20.9 dB,車次M9和M14分別降低了10.2和12.8 dB。表明車輪狀態(tài)不圓順是引起隧道壁和地表振動(dòng)異常增大的重要因素之一,對(duì)“異常車輛”的車輪進(jìn)行鏇修可有效改善地鐵運(yùn)行引起的地表振動(dòng)問題。

對(duì)車次M8鏇修前后地表測點(diǎn)加速度進(jìn)行頻譜分析,結(jié)果如圖10所示。

圖10 車輪鏇修前后地表測點(diǎn)的加速度1/3倍頻程曲線Fig.10 1/3 octave spectrum of acceleration of ground point before and after wheel re-profiled

由圖10可以看出,鏇修前后該測點(diǎn)的Z振級(jí)頻率分布特征基本一致,但車輪鏇修后,中心頻率為40～80 Hz頻段范圍內(nèi)的分頻Z振級(jí)明顯降低,最大降低了約21.8 dB,其余頻段Z振級(jí)降低了14.7～17.9 dB。在1～20 Hz范圍及160～200 Hz,車輪鏇修后振動(dòng)加速度值變化相對(duì)較小,1～20 Hz范圍內(nèi)各頻帶平均降低約3.5 dB,160～200 Hz范圍內(nèi)各頻帶平均降低約7 dB。

3 結(jié)論

通過某地鐵不同列車通過時(shí)隧道壁及鄰近建筑地表的垂向振動(dòng)加速度展開現(xiàn)場實(shí)測及統(tǒng)計(jì)分析,對(duì)比分析1 d內(nèi)不同車次通過時(shí)隧道壁的振動(dòng)值變化規(guī)律,分析地鐵鄰近建筑地表振動(dòng)離散程度大的原因,探究了地鐵車輛狀態(tài)對(duì)地表振動(dòng)水平的影響,得出以下主要結(jié)論。

(1)不同列車通過時(shí)地表測點(diǎn)的最大Z振級(jí)差異最大達(dá)到14.6 dB,雖然20趟列車引起的振級(jí)平均值滿足標(biāo)準(zhǔn)需求,但仍有30%～50%的振級(jí)超過了70 dB,應(yīng)進(jìn)一步綜合分析車輛變化引起的振動(dòng)水平。

(2)隧道壁振級(jí)受運(yùn)行車輛狀態(tài)影響顯著,同一天不同列車通過產(chǎn)生的振級(jí)差異最大達(dá)到22.1 dB,且振動(dòng)值隨列車車次的變化規(guī)律具有明顯周期性,所采集的120趟列車中有40趟列車引起的振動(dòng)顯著較大,隧道壁測點(diǎn)振級(jí)平均為90.6 dB,比其余車列車增大了12.9 dB,為當(dāng)天運(yùn)行車輛中的5輛車存在異常。

(3)同一列車通過不同斷面時(shí),隧道壁測點(diǎn)的振級(jí)差異顯著,且“異常車輛”引起的兩個(gè)斷面振級(jí)差超過10 dB,而“普通車輛”引起的兩個(gè)斷面振級(jí)差為5～7 dB,說明振動(dòng)水平不僅與軌道狀態(tài)有關(guān),還與車輛-軌道相互作用關(guān)系有關(guān)。

(4)對(duì)引起隧道壁振動(dòng)較大的“異常車輛”進(jìn)行車輪鏇修后,有效改善了地表振動(dòng)問題,典型“異常車輛”通過產(chǎn)生的地表振級(jí)最大值降低了20.9 dB,主要降低了50～80 Hz頻段范圍內(nèi)的振動(dòng)。