地铁地下线路诱发振动现场测试与数值仿真研究

李继伟，李生鹏，徐炳进，章文菁，刘文芳

(1. 广州城市职业学院 城市建设工程系，广东 广州 510405；2. 广州地铁集团有限公司 运营事业总部 ，广东 广州 511430)



地铁地下线路诱发振动现场测试与数值仿真研究

李继伟1，李生鹏2，徐炳进1，章文菁1，刘文芳1

(1. 广州城市职业学院 城市建设工程系，广东 广州 510405；2. 广州地铁集团有限公司 运营事业总部 ，广东 广州 511430)

摘要：面对交通问题日益突出，城市轨道交通作为一种高效解决手段被大力推广，在极大方便居民生活的同时，也带来了诸多问题，其中振动问题特别受重视，投诉也较多。本文依托国内某城市地铁地下线路进行了振动测试与仿真研究，主要对该城市地铁1号线区间隧道(即地下线路)进行了现场测试，对轨道结构振动进行了振动特性分析，并对比了GJ-Ⅳ型扣件相对于原有的Ⅰ型扣件的减振效果，同时进行了仿真模拟分析研究。

关键词：地铁；环境振动；振动测试；数值模拟

自上世纪始，城市交通状况越来越严峻，尤其是近十几年来，交通引起的环境污染已成为现代社会主要的公害之一[1,2]。面对交通问题日益突出，城市轨道交通作为一种高效解决手段被大力推广，在极大方便居民生活的同时，也带来了诸多问题，其中振动问题特别受重视，投诉也较多[3,4]。

在城市地下轨道交通系统中，运行的列车由于车轮与轨道间的相互作用，在钢轨上产生了振动能量；该振动能量通过道床等轨道支承构造传递至隧道结构，引起隧道结构及其周围岩土的振动；该振动再经过周围土体和岩石传递到临近建筑物的基础，进一步沿柱、墙、梁、地板和楼板进行传播，诱发建筑物产生二次振动；进而引起楼地面以及位于其上的人和仪器设备的振动[5-7]。

城市轨道交通振动对周边的环境有着显著影响，如对建筑物的结构安全、精密仪器设备的正常使用、人类的日常生活和人体健康都会造成不容忽视的影响，虽然不会出现地震时所产生的类似直接破坏，但依然能引起结构物的局部振颤和人体的明显感觉。同时，虽然其振动幅度较小，但由于其具有长期性、周期性和反复性的特点，其对建筑物的安全和使用寿命依然有较大影响，甚至可能达到破坏的程度。

综上所述，面对交通问题日益突出，城市轨道交通作为一种高效解决手段被大力推广，在极大方便居民生活的同时，也带来了诸多问题，其中振动问题特别受重视，投诉也较多。振动参数数据的重要性及获取的相对困难，使其获取成为城市轨道交通领域被广泛关注和热点研究的课题之一，获得性能更优、效果更好、精度更高的城市轨道交通振动参数数据是关键问题和研究重点。同时，在高精度振动数据的基础上，如何更好地减振降噪也日益受到关注。

一、城市轨道交通诱发振动数据检测对象描述

于2012年11月选取国内某城市的地铁1号线，线路全长21.72公里，其中地下线14.33公里，地面及高架线7.39公里，全线共设车站16座，其中地下车站11座，地面及高架车站5座。对地下线路选取了代表点进行了测试。其正常运营列车为B型车，列车由6节车厢编组，转向架间距12.6m，轴距2.3m，最大轴重14t，测试截面分别位于里程为k13+041处和里程为k15+722处。

道床系统为原有的Ⅰ型扣件道床系统和更换后的GJ-Ⅳ型扣件道床系统，其中Ⅰ型扣件属于中等减振扣件，承轨板、底座与橡胶圈硫化为一整体，橡胶圈受剪，橡胶圈抗拉力大于150kN，该扣件适用于60kg/m钢轨的减振地段枕式整体道床，采用ω弹条，扣件节点的垂直静刚度为(10～15)kN/mm。扣件系统如图1所示；更换后的GJ-IV型属于谐振式浮轨扣件系统，具有结构简单、重量轻、施工方便、低刚度、减振效果可达12dB(Z)以上和扣件防爬阻力≥11.5kN等特点，适用于60kg/m钢轨隧道内、U型结构及地面枕式整体道床等多种工况，如图2所示。

图1　Ⅰ型扣件系统图

图2GJ-Ⅳ型扣件系统图

振动测试主要是指列车在正常运营条件下，分别测试列车通过以上两种道床系统时的振动指标，包括钢轨振动、道床振动、隧道壁振动和地面振动等；车厢内噪声测试主要是指列车正常运营条件下，在隧道内和高架线路上测试列车通过各种道床系统时的噪声环保指标，包括车厢的噪声和地面噪声。

二、振动测试数据采集过程简述

(一)钢轨相对道床的变形测试

D2-轨脚垂直方向(LVDI)D3-轨脚横向(LVDI)LVDI传感器D4-轨脚垂直方向(LVDI)左轨D5-轨脚垂直方向(LVDI)D4-轨脚垂直方向(LVDI)D6-轨脚横向(LVDI)

图3地下线路的位移传感器布置横断面图

钢轨相对道床的变形通过位移传感器进行测量，选取两个钢轨扣件跨度的1/2处作为测试位置。每个测量断面使用6个记录通道，其中4个用来测量钢轨两边相对道床的垂向变形、2个用来测量钢轨相对道床的横向变形，位移传感器布置如图3所示。

(二)轨道振动测试

测试内容包括：(1)测量左右钢轨轨脚的垂向振动及轨腰的横向振动；(2)测量轨道中央混凝土道床的垂向和横向振动。钢轨振动测量使用500g的加速度传感器，混凝土道床的振动测量使用5g的加速度传感器。轨道振动的测试位置选取在钢轨扣件跨度1/2处，加速度传感器的位置如图4所示。

右轨加速度计左轨A1(500g)-轨脚垂直A2(500g)-轨脚垂直A7(5g)-道床垂向A8(5g)-道床横向道床A5(500g)-轨腰横向A4(500g)-轨脚垂向

图4地下线路的轨道加速度传感器布置横断面图

(三)隧道壁振动测试

测试位置选取在与轨道振动测试同截面处，利用固定在隧道壁上的加速度传感器测量隧道壁的垂向和横向振动，测点距离道床平面距离1.5米，使用5g的加速度传感器，加速度传感器布置如图5所示。

(四)地面振动测试

在隧道上方的地面或地面建筑物内选择测点，布置低频高灵敏度型加速度传感器。根据现场实际情况，在两种不同轨道结构测试断面的上方地面分别布置1个垂向和1个横向加速度传感器，布置如图6所示。

左轨右轨排水沟隧道壁垂向-A9(5g)隧道壁横向-A10(5g)

图5　地下线路的隧道壁加速度传感器布置横断面图

图6地下线路的地面加速度传感器布置横断面图

(五)车厢内噪声测试

列车在运行过程中产生难以避免的噪声，其主要噪声源有轮轨接触碰撞噪声、激励噪声等。利用麦克风测量车厢内的噪声，麦克风布置在距车厢底面高1.2m的位置，如图7所示。

MMdriver1.2m1.2m

图7地下线路的车厢内噪声测试位置示意图

三、基于现场实测数据的振动动力特性分析

(一)钢轨振动

利用振动速度级对钢轨的振动情况进行评价，图8和图9分别为更换前Ⅰ型扣件和更换后GJ-Ⅳ型扣件系统的钢轨的横向和垂向振级速度级图。

图8　地下线路的钢轨垂向振级速度级图

图9地下线路的钢轨横向振级速度级图

从图8和图9可知， GJ-Ⅳ型扣件比Ⅰ型扣件在垂向上振动更大，横向振动相差不大。

(二)道床及隧道壁振动

道床和隧道壁的垂向Z振级直接影响隧道上方地面和建筑物的振动水平。因此，对道床和隧道壁Z振级的测试和分析，用Z加权加速度级dB(Z)表示，在数据分析时，选取的频率范围是(1～250)Hz。

85807570656055道床垂向道床横向隧道壁横向隧道壁垂向更换之前T型扣件更换之后GJ-IV型扣件加速度总振动速级B(Z)(ref6E-8m/s2)

图10　地下线路的道床及隧道总Z振级图

从图10所示可知，在道床及隧道壁上的减振效果明显，特别是隧道壁上在垂向及横向上均减振分别高达9dB(Z)和7.8 dB(Z)。

(三)地面振动

该测试分为地面测试和3楼室内地面测试两部分，在楼下地面和3楼住户家中地面分别布设1个麦克风、1个垂向和1个横向加速度传感器。

从表2.3所示可知，在地面和路线经过的3楼房间内测试振动时，更换后的GJ-Ⅳ扣件比更换前的Ⅰ型扣件减振效果明显，特别是地面上的垂向减振效果达6.1 dB(Z)，3楼房间内的横向减振达8.2 dB(Z)。

四、基于数值仿真模拟手段的振动动力特性分析

(一)插入损失分析

插入损失即普通和新型扣件条件下轨道结构同一拾振点振动加速度级之差，图11给出了道床、隧道壁和地表各点的插入损失。

频率(Hz)302520151050-5加速度级(dB)110100点1点2点3点4点5点6点7点8点9点10

图11各拾振点插入损失图

由图11可知，各拾振点插入损失总体变化规律相同，在10Hz时各拾振点最大值为28dB，在40Hz到50Hz范围内有第二个峰值，达到30dB，且各拾振点的插入损失均为正值，即新型扣件—GJ-Ⅳ型扣件相对普通扣件—Ⅰ型扣件起到了减振效果。

(二)传递损失分析

传递损失表征的是同一次计算或测试中，两个不同采样点之间的加速度级差值，图12给出了新型扣件条件下道床至地表原点之间的传递损失图。

1/3倍频率(Hz)11010080706050403020100-10加速度级(dB)

图12新型扣件条件下道床至地表原点传递损失图

由图12可以看出：道床至地表原点的传递损失整体变化幅度较大，在20Hz以下，传递损失较小；在20～80Hz范围内传递损失较大，达70dB。该频率范围是新型扣件的主要工作频率范围，对振动起到了明显的衰减作用。

(三)Z振级传递插入损失

各个拾振点的加速度级对比如图13所示。

加速度级(dB)7570656055504540353012345678910拾振点普扣新扣

图13各拾振点加速度级柱状对比图

从图13分析可知， GJ-Ⅳ型扣件相比Ⅰ型扣件有明显的减振效果。

各个拾振点的Z振级差值即插入损失，见表2所示。

从表2分析可知，采用GJ-Ⅳ型扣件相较于Ⅰ型扣件，其Z振级差值即插入损失最大10.79dB，最小为6.42dB，有明显的减振效果。

表2　各拾振点Z振级及插入损失表

12111098765Z振级插入损失值(dB)拾振点01234567891011

图14各拾振点Z振级插入损失图

从以上的分析可知：

①各拾振点插入损失总体变化规律相同，在10Hz时各拾振点最大值为28dB,在40Hz到50Hz范围内有第二个峰值，达到30dB，且各拾振点的插入损失均为正值，即新型扣件—GJ-Ⅳ型扣件相对普通扣件—Ⅰ型扣件起到了减振效果；

②道床至地表原点的传递损失整体变化幅度较大，在20Hz以下，传递损失较小；在20～80Hz范围内传递损失较大，达70dB。该频率范围是新型扣件的主要工作频率范围，对振动起到了明显的衰减作用；

③采用GJ-Ⅳ型扣件相较于Ⅰ型扣件，其Z振级差值即插入损失在地表原地有最大值10.79dB，距地表右18m点处有最小值6.42dB，有明显的减振效果。

五、结束语

地铁交通以众多优点，成为了解决交通问题的一种有效途径，但其诱发的振动问题对沿线周边居住环境的影响越来越引起各方重视。本文依托国内某城市地下线路，进行了现场地铁振动实测数据分析，主要包括钢轨振动、道床振动、隧道壁振动和地面振动的数据分析；同时进行了数值模拟分析，主要包括插入损失分析、传递损失分析和z振级传递插入损失分析。从实测数据分析和数值模拟分析，均可以得出更换后的GJ-Ⅳ型扣件相较于更换前的Ⅰ型扣件，减振效果显著提高。

参考文献：

[1] 胡振文,刘良军,毕丽红. 智能交通导论[M]. 长沙:中南大学出版社，2003.

[2] 李继伟. 城市主次干路的路段行程时间估计与预测方法研究「D].吉林长春:吉林大学，2012.

[3] 范蓉平，孟光，孙旭等.基于心理声学响度分析的高速列车车内噪声评价闭[J]. 振动与冲击，2005,24(5):46-52.

[4] 周云.交通荷载对周边建筑的振动影响分析「D].江苏:浙江大学，2005.

[5] 袁俊. 城市轨道交通隔振减振机理及措施研究[D]. 西安：西安建筑科技大学，2010.

[6] NKurzwell L.G.Ground-borne noise and vibration from underground rail system [J]. Journal of Sound & Vibration,1979,66(3):363-370.

[7] 关歆莹，刘超. 地下铁道的振动及其控制措施的研究[J].震灾防御技术,2011,6(1):77-84.

(责任编辑夏侯国论)

收稿日期：2016-05-20

基金项目：博士后基金项目 (城市轨道交通振动动力特性及减振降噪技术研究)

作者简介：李继伟，男，广州城市职业学院城市建设工程系讲师，博士。

中图分类号：U492.4

文献标识码：A

文章编号：1674-0408(2016)02-0005-06

Research on Field Test and Numerical Simulation of Subway Induced Vibration

LI Ji-wei1，LI Sheng-peng2，XU Bing-jin1，ZHANG Wen-jing1，LIU Wen-fang1

(1. Department of Urban Construction Engineering, Guangzhou City Polytechnic, Guangzhou 510405, China;2. Operation Department, Guangzhou Metro Group Co. ltd., Guangzhou 511430, China)

Abstract：With the rapid development of metro, the vibration induced by metro is also being concerned by more and more people. This paper carried out a vibration test and simulation study on the subway line in a Chinese city. The traditional detection means and data are analyzed. In order to further improve effect of urban rail transit vibration, underground lines of that city is tested on site, and the simulation study on vibration of urban rail traffic by using MIDAS-GTS finite element software is conducted.

Key words：subway; environmental vibration; vibration measurement; numerical simulation