地铁折返线环境振动试验研究

欧阳康淼，尹 京，杨宜谦

(1.北京东直门机场快速轨道交通有限公司，北京 100027;2.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京 100081)

随着我国城市化建设的快速发展，交通环境振动对科研单位和高等院校的精密仪器、振动敏感设备的影响越来越大［1-5］。北京地铁15号线一期计划先后下穿京包铁路、地铁13号线、荷清路、清华大学东配楼东侧停车场至清华东站。清华东站为侧式站台，站后设折返线，终点邻近清华大学东配楼。折返线岔心纵向距东配楼东南角245 m，隧道壁横向距东配楼东南角56 m。为预测地铁折返线对东配楼内精密仪器的振动影响，分别选取隧道埋深、工程地质和隧道结构等条件类似的已运营地铁10号线劲松站和大兴线天宫院站折返线进行地面振动类比测试。本文主要对比分析两条折返线行车产生的地面振动及其传递规律。

1 试验场地概况

北京地铁10号线劲松站位于朝阳区东三环劲松桥南侧主路旁，其折返线隧道结构和地质条件与15号线清华东站折返线较为接近，但地面三环主路昼间交通流量较大，主要为小客车和公交车。大兴线天宫院站位于大兴区新源大街与天府路交汇处，车站南侧为地面车辆段，折返线埋深较浅，且存在延伸至地面的较大纵坡，但地面基本无公路交通，环境较为安静。两条折返线具体隧道参数和地质条件与15号线折返线的比较见表1。

2 测点布置和测试工况

2.1 劲松站折返线

北京地铁10号线劲松站折返线现场测试共选取6个断面，测试内容包括垂向和水平向振动加速度、速度、位移。具体测点位置见图1，位置依次为:

断面①，岔心断面，距地铁西侧隧道壁55 m处地表面;

断面②，断面①沿线路纵向向南115 m处地表面;

断面③，断面②沿线路纵向向南130 m处地表面;

断面④，断面③沿线路纵向向南30 m处地表面;

断面⑤，断面④沿线路纵向向南30 m处地表面;

断面⑥，断面④远离线路向西横移30 m处地表面。

图1 10号线劲松站折返线振动地面测点布置

其中，断面③距折返线岔心纵向距离245 m，横向距隧道壁55 m，相当于清华大学东配楼东南角距清华东站折返线岔心距离，为重要对比测点。

现场测试数据共计160组，主要分为4种工况:

工况1，10号线地铁侧向过岔(含三环路交通)，共计76组数据;

表1 折返线隧道参数和地质条件比较

工况2，10号线地铁直行过岔(含三环路交通)，共计76组数据;

工况3，无地铁列车条件下三环路交通，共计6组数据;

工况4，无过车条件下环境振动，共计2组数据。

2.2 天宫院站折返线

北京地铁大兴线天宫院站折返线现场测试共选取6个断面，测试内容包括垂向和水平向振动加速度、速度、位移。具体测点位置见图2，位置依次为:

断面①，岔心断面，距岔心约60 m处地表面;

断面②，断面①沿线路纵向向南115 m处地表面;

断面③，断面②沿线路纵向向南130 m处地表面;

断面④，断面③靠近线路向东横移50 m处地表面;

断面⑤，断面③沿线路纵向向南60 m处地表面;

断面⑥，断面③远离线路向西横移30 m处地表面。

其中，断面③距折返线岔心纵向距离245 m，横向距隧道壁约55 m，相当于清华大学东配楼东南角距清华东站折返线岔心距离，为重要对比测点。

现场测试数据共计88组，主要分为3种工况:

工况1，大兴线地铁侧向过岔，共计41组数据;

工况2，大兴线地铁直向过岔，共计41组数据;

工况3，无过车条件下环境振动，共计6组数据。

3 测试数据分析

3.1 劲松站折返线

实测10号线劲松站折返线断面③处垂向振动加速度主频为4～23 Hz，东西水平向振动加速度主频为7～25 Hz，南北水平向振动加速度主频为5～25 Hz。

图2 大兴线天宫院站折返线地面测点布置(单位:m)

从图3～图5三个方向实测结果可以看出，同一趟列车侧向过岔和直行过岔时，两者在断面③处的振动加速度1/3倍频程曲线很接近;距离越远，中心频率30 Hz以上高频振动衰减相对低频振动更为明显，因此地铁列车侧向过岔和直行过岔引起的高频振动差异通过较大距离的衰减后，两者差异更小。

图3 劲松站断面③垂向加速度1/3倍频程曲线

图4 劲松站断面③东西水平向加速度1/3倍频程曲线

图5 劲松站断面③南北水平向加速度1/3倍频程曲线

图6 列车侧向过岔时劲松站各测点垂向加速度比较

图7 列车直行过岔时劲松站各测点垂向加速度比较

图6、图7分别给出了列车侧向过岔、直行过岔时各断面测点垂向加速度1/3倍频程曲线比较，并从中选取中心频率 5 Hz，10 Hz，20 Hz，40 Hz，80 Hz 的垂向加速度值绘制随距离变化的衰减曲线，如图8所示。从三个图中可以看出:断面①列车通过产生的高频振动明显;断面②处高频振动衰减很大，而中低频振动衰减相对较小;断面③、断面⑤由于距岔心较远，列车已停车折返，过岔和制动产生的振动传递到这里时已大幅衰减，实测此处的振动水平接近地铁无过车时环境振动水平。

图8 列车直行过岔时劲松站各测点垂向加速度的衰减

3.2 天宫院站折返线

实测大兴线天宫院站折返线断面③处垂向振动加速度主频为4～25 Hz，东西水平向振动加速度主频为7～30 Hz，南北水平向振动加速度主频为7～33 Hz。

从图9～图11三个方向实测结果可以看出，同一趟列车侧向过岔和直行过岔时，两者在断面③处的振动加速度1/3倍频程曲线很接近，中心频率30 Hz以上两者差异更小。

图9 天宫院站断面③垂向加速度1/3倍频程曲线

图10 天宫院站断面③东西水平向加速度1/3倍频程曲线

图11 天宫院站断面③南北水平向加速度1/3倍频程曲线

图12、图13分别给出了列车侧向过岔、直行过岔时各断面测点垂向加速度1/3倍频程曲线衰减比较，并从中选取中心频率 5 Hz，10 Hz，20 Hz，40 Hz，80 Hz的垂向加速度值绘制随距离变化的衰减曲线，如图14所示。其基本衰减规律与劲松站折返线分析结果相似，但在断面③附近振动略微增大，这主要有3点原因:

1)劲松站折返线相对较短，列车很快制动并折返，而天宫院站折返线较长，制动区间距离断面③更近。

2)天宫院站折返线为上坡，岔心断面隧道埋深约为15.3 m，断面③处隧道埋深约为10.7 m。

图12 列车侧向过岔时天宫院站各测点垂向加速度比较

图14 列车直行过岔时天宫院站各测点垂向加速度的衰减

3)天宫院站折返线隧道一直延伸出地面，列车过岔和制动产生的振动将会沿着隧道壁纵向传递，而劲松站折返线隧道末端并未延伸到断面③。

4 结论

1)劲松站折返线距岔心纵向距离245 m的断面③处地面垂向振动加速度主频为4～23 Hz，东西水平向为7～25 Hz，南北水平向为5～25 Hz;大兴线天宫院站折返线断面③处垂向振动加速度主频为4～25 Hz，东西水平向为7～30 Hz，南北水平向为7～33 Hz。

2)同一趟列车侧向过岔和直行过岔时，两者在断面③处的振动加速度1/3倍频程曲线很接近;中心频率30 Hz以上两者差异更小，这主要是因为距离越远高频振动衰减相对低频振动更为明显。

3)断面①列车通过产生的高频振动明显;断面②高频振动衰减很大，而中低频振动衰减相对较小;断面③、断面⑤由于距岔心较远，列车已停车折返，过岔和制动产生的振动传递到这里时已大幅衰减，实测此处的振动水平接近地铁无过车时环境振动水平。

［1］ 杨宜谦，尹京，刘鹏辉，等．清华大学精密仪器环境振动影响评价［J］．桂林理工大学学报，2012，32(3):360-365．

［2］ GENDREAU M，AMICK H．Micro-vibration and noise［M］//HWAIYU Geng．Semiconductor manufacturing hand book，New York:McGraw-Hill，2005．

［3］ 于梅．精密仪器环境振动测量和评价方法的研究［J］．振动与冲击，2010，29(8):214-216，253．

［4］ 马蒙，刘维宁，丁德云，等．地铁列车振动对精密仪器影响的预测研究［J］．振动与冲击，2011，30(3):185-190．

［5］ 马莉，宣言，马筠，等．地铁隧道不同轨道结构形式对建筑物的仿真分析［J］．铁道建筑，2011(1):110-113．