地铁运行时轨道-隧道-地层振动实测与分析*

黄 强， 姚湘静， 黄宏伟， 葛世平

(1. 同济大学地下建筑与工程系 上海, 200092)(2. 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室 上海, 200092) (3.上海申通地铁集团有限公司地铁维护保障中心 上海, 201102)

引 言

近年来，我国城市轨道交通建设快速发展，运营里程持续增加。与此同时，地铁运行引起的环境振动问题引起了人们的日益关注，并成为国内外研究的热点。地铁线路常穿过城市中心，两侧高楼林立，地下管线繁多，列车运行引起的振动直接影响着建筑物安全、精密仪器的正常使用和居民的日常生活[1]。另外，地铁振动还可能通过影响周围的软弱地层，威胁到地铁列车的运行安全[2]。

现场实测可以真实了解场地的振动规律，并为理论分析和数值模拟提供验证依据，在实际中常被采用。例如，栗润德等[3]研究了地铁引起的地面振动及其对精密仪器的影响，其研究结果表明地面振动存在一个“等振频率”，大于“等振频率”的范围，地面振动主要受距离的影响。闫维明等[4]对北京地铁1号线地表振动进行了测试，提出了地面振级的经验预测公式，发现距离隧道一定处地表存在振动放大区。楼梦麟等[2]对上海地铁运行引起的地面振动进行了实测，认为地铁运行引起的地面振动频率主要集中在40～90 Hz，其中60～80 Hz高频成分对应的振级最大，同时也发现地表振动在衰减过程中存在回升区。王田友[5]对上海地铁1号线实测后认为地铁引起地面振动频率在20～80 Hz，加速度振级高频部分衰减明显大于低频部分，地铁所致隧道正上方振级在70～75 dB。袁扬等[6]对小半径曲线段地铁线路的地面振动进行了测试，结果表明，在曲线段距离隧道50m内，水平振动是竖向振动强度的2～5倍，水平加速度频率的主要成分在30～120 Hz。此外，文献[7-8]对地表列车运行周围临近建筑物的影响进行了实测，认为列车引起的振动频率在30～120 Hz，车速对地面振动有影响，地面振动随着离振源距离增加呈波动衰减。刘鹏辉等[9]对不同轨道结构下地铁隧道振动进行了测试，发现地铁振动源频谱呈宽频带特性，钢轨的加速度频谱以630～1 000 Hz为主。

可以看出，现场实测作为一种了解地铁环境振动的重要手段被广泛采用。尽管目前对地铁列车引起的环境振动有诸多的现场测试，但这些测试都只在地表或是隧道内部进行，鲜有对隧道周围地层也进行实测，因而无法有效把握列车振动全过程的传播规律。基于此，笔者以上海饱和软土地铁隧道为例，对地铁列车运行引起的轨道-隧道-地层-地表振动全过程进行现场测试，分析地铁振动在不同监测对象中的振动特征，特别是在周围饱和软黏土中的传播规律，可为理论分析和数值计算提供参照。

1 现场实测简介

1.1 测点布置

为测试地铁运行引起的隧道结构及周围软黏土的振动响应，现以上海地铁9号线三期醉白池站-松江南站区间隧道为背景，在隧道内部及周围土层中布置加速度传感器，测点都位于同一个横断面内，水平距离为0～30 m。测试区段地铁线路位于一缓和曲线上(相邻圆曲线半径R=450 m)，场地开阔，远离市中心，周围有民宅、企事业单位，建筑物主要为砖混结构。距离测试地点30多米，基本可忽略建筑物对现场振动测试的影响，现场平面图如图1所示。

图1 测试场地线路平面图(单位：m)Fig.1 Plan of the measured metro line (unit: m)

现场测试对象为轨道结构(钢轨和道床)、隧道壁、周围土层和地表。隧道内和周围地层加速度计测点布置如图2和图3所示。隧道内部布置5个加速度计，分别位于钢轨腰部、钢轨底上部、钢轨底下部、道床及隧道壁，采样频率为5 kHz。周围土层内共布置26个测点，分别距隧道中心0，4.6，9.3，12.4，15.5 m，竖向平行排列布置，加速度计的采样频率为2 000 Hz。地表布置5个加速度计，分别距隧道中心线0，5，10，20，30 m，加速度计的采样频率为300 Hz。隧道周围土层从上至下依次为：①1杂填土；②1粉质黏土；③1淤泥质粉质黏土；④1淤泥质黏土；⑤1黏土；⑤2砂质粉土；⑦2粉细砂。

图2 隧道内部测点布置Fig.2 Measurement points inside the tunnel

图3 土层内及地表加速度计布置图(单位：m)Fig.3 Arrangement of accelerometers in the soil layers and on the ground surface (unit: m)

加速度计的测试方向定义如下：隧道纵向为X向；隧道横断面水平向为Y向；竖直方向为Z向。隧道内钢轨底部测点测试方向为Z向，钢轨腰部为Y向，隧道壁和道床为Z和Y两个方向，土层中测点则为Z，Y，X三个方向。

1.2 地铁振动评价标准

由于地铁振动的频率范围较宽，不能只考虑加速度峰值，应对其整个时程进行评价。根据《城市区域环境振动标准》(GB10071-88)[10]，采用振动加速度振级评价地铁列车运行引起的振动，加速度振级的计算公式如下

(1)

其中：ae为不同频率下计权修正后得到加速度有效值，计算公式如下

(2)

其中：ai为第i个中心频率下的加速度有效值；Ci为第i个中心频率对应的计权修正值，当不需考虑计权修正时，Ci为零；aref为基准加速度，10-6m/s2。

上述振动加速度有效值即为加速度均方根值，按下式计算

(3)

其中：T为时长；a为任一时刻的加速度。

对于离散的加速度时程数据，则用频域幅值谱各离散频率的加速度有效值计算，即采用第i个中心频率所在频带内m个离散点的加速度值求得

(4)

2 振动实测结果

测试段地铁列车为6节编组，A型车，每节车长22.8 m，时速约50～60 km/h，列车驶过测点时间约8～10 s。地铁采用UIC60钢轨，“科隆蛋”减振扣件，现浇整体式道床。每个测点采集21组振动加速度数据，通过统计21组加速度数据的峰值及其振级，最后得到每个测点的加速度平均峰值和振级，同时，对加速度时程数据进行频谱分析。

2.1 钢轨-隧道振动规律

在本研究中，Z向、Y向、X向加速度分别表示为aX,aY和aZ；对应的振级分别为IZ,IY和IX。

钢轨、道床、隧道壁Z向和Y向的加速度平均峰值与振级如表1所示。钢轨、道床和隧道壁的振级属于工程振动，不需要考虑人体的感受，这里不对其振级计权考虑。从加速度统计结果看，钢轨的振动以Z向为主，但由于测试段位于曲线段，Y向振动也较明显。钢轨振动传至道床时加速度振幅急剧减少，Z向加速度从112.54 m/s2降至0.184 m/s2，两者相差几个数量级。由于道床和隧道连接为整体，故振动由道床传至隧道壁时，振动强度只有轻微的降低，Z向加速度由0.18 m/s2降至0.11 m/s2。同时，Y向加速度由0.20 m/s2变为0.105 m/s2，两者相差不大。与加速度峰值变化规律类似，由钢轨传至道床时加速度振级也会急剧减少，Z振级由140.42 dB降至89.21 dB，Y振级由135.06 dB降至88.26 dB，下降幅度分别高达37%和35%。从道床传至隧道壁时，加速度振级只有轻微减少。选择其中有代表性加速度实测数据，钢轨、道床、隧道壁的Z向加速度时程如图4所示。

表1隧道内部测点加速度平均峰值及振级

Tab.1Averageaccelerationpeakandaccelerationlevelofmeasurementpointsinthetunnel

测点aZ/(m·s-2)IZ/dBaY/(m·s-1)IY/dB钢轨上139.340141.63钢轨下112.540140.42道床 0.18489.21 0.20088.260隧道壁0.11084.21 0.10583.600钢轨腰103.070135.060

图4 隧道内部测点Z向加速度时程Fig.4 Time history of vertical acceleration of measurement points in the tunnel

2.2 隧道周围地层振动规律

由于周围土层内部测点较多，这里只给出隧道正下方1#测点及隧道一侧A024测点的结果，测点加速度平均峰值及振级如表2所示。可以看出，在隧道正下方，土层的振动以Z向为主，X向与Y向振动加速度则较接近。在隧道侧向近处，如A024侧点，土体仍以Z向振动为主，但Y向加速度明显增大，表明Y向振动在隧道侧面较为明显，这可能和线路为曲线段有关。需要提到的是，在隧道正下方，Z向加速度理应随着深度增加而减少，但表2中2#测点垂向加速度小于3#测点，这可能是2#测点位于不同土层交界面上，测试误差导致。对比隧道近处土层和隧道壁的加速度值，发现土层中Z向加速度振幅值有所增加。给出隧道下方测点的Z向加速度时程曲线，如图5所示。

表2土层测点加速度平均峰值和振级

Tab.2Averageaccelerationpeakandaccelerationlevelofmeasurementpointsinthesoillayers

测点加速度/(m·s-2)振级/dBaZaYaXIZIYIX1#0.2870.0720.07995.383.885.42#0.1350.0970.09291.487.288.83#0.1670.0710.07392.284.685.2A0240.2960.1860.03595.592.879.8

图5 隧道正下方测点Z向加速度时程Fig.5 Time history of vertical acceleration of measurement points below the tunnel invert

根据隧道周围土层中26个测点的加速度平均峰值及计权加速度振级(土体振动属于环境，采用计权)，绘制出隧道周围土层Z向加速度和加速度振级等值线图，如图6、图7所示。土层的加速度呈弧形辐射状向外衰减，隧道周围30 m范围内的Z向加速度幅值为0.002～0.300 m/s2。Z向加速度最大值在隧道正下方，加速度振幅基本随着离隧道距离增加而衰减，局部有放大效应。在离隧道15 m范围，Z向振级在68～96 dB，距离隧道30 m时，Z向振级可降至58 dB。

图6 周围地层Z向加速度等值线Fig.6 Contour of vertical acceleration in the soil layers

图7 周围地层Z向加速度振级等值线Fig.7 Contour of vertical acceleration level in the soil layers

2.3 地表振动规律

地表横向布置5个测点，得到地表测点的加速度平均峰值和振级如表3所示。从实测的地表加速度看，地表Y向加速度幅值大于Z向，比值可达2～3倍，与文献[6]中曲线段振动测试结果一致，表明曲线段会使得地表水平振动明显大于垂向振动。可见，对于曲线段，只用竖向振级来评价环境振动是不够的。随着测点远离隧道水平距离增加，Z向和Y向的加速度峰值快速衰减。对比地表的加速度振级，随着水平距离的增加，振级呈下降的趋势，但30 m处振级比20 m处的稍大，表明在20～30 m地表会有一个加速度放大区，振级在20～30 m先增加再衰减，这种现象在一些振动监测现场中也发现过[2,4,6-8]。地表振动中的局部放大现象与波传播过程中振动叠加效应有关，导致在远离隧道中心方向上地表振动响应并非单调衰减，而是以波浪形衰减。这种衰减规律与隧道埋深、振动荷载频率、体波波速与瑞利波速不同等因素都有关。另外，可以发现，隧道正上方地表测点Z，Y振级分别为93.4和97.6 dB，大于隧道壁的84.2和83.6 dB，可见，地层振动传至地表时加速度振级还会有增大的现象。

表3地表测点加速度平均峰值及振级

Tab.3Averageaccelerationpeakandaccelerationlevelofmeasurementpointsonthegroundsurface

测点aZ/(m·s-2)aY/(m·s-2)IZ/dBIY/dBA010.1820.25993.3697.62A020.1330.13492.3091.43A030.0340.06979.7985.08A040.0020.00755.8063.67A050.0030.00957.0566.95

3 地铁全过程振动中的频率特征

对不同测点加速度时程曲线进行频谱分析，得到地铁振动传播过程中的振动频率特征，以Z向为例，频谱曲线如图8所示。可以看到，列车振动从钢轨、道床、隧道壁传至到周围土层时，振动频率高频成分不断衰减，到y=15.5 m处(测点A052)，Z向振动主频已降至30 Hz左右。同样，Y方向频谱曲线也有类似规律。综合而言，钢轨振动主频在50～350 Hz，1 000～1 400 Hz，以高频振动为主；道床和隧道壁主频在30～500 Hz，为中频振动；周围土层主频在20～200 Hz。振动传播中高频成分衰减快于低频成分，在土层中仍进一步衰减，到距离隧道15.5 m的A052处，中心频率降至31.5 Hz附近，当传至地表时，振动主频会降至20～80 Hz。

图8 Z向加速度频谱曲线Fig.8 Frequency spectrum of vertical acceleration

4 结 论

1) 钢轨加速度以垂向振动为主，曲线段水平向振动也较为明显。振动经扣件传至道床时会极大地衰减，加速度振级下降高达37%。振动从道床传递至隧道壁时振动强度只有轻微下降，差别不大，此时隧道结构的Z向和Y向加速度也差别不大。

2) 隧道近处周围土层仍以Z向振动为主，特别是隧道下方区域，Z向振动较X，Y向要大得多；隧道侧向和顶部，随着离隧道距离增加，Z向振动减弱，隧道侧向水平向振动表现更为明显。振动加速度以弧形辐射状向外衰减，隧道的正下方和正上方区域是振动比较剧烈部位。

3) 地层振动传至地表过程中，地表的振级有所增大，可能与地表边界面的反射有关。本研究中地表Y向振级大于Z向，这与测试段为曲线段有关，在离隧道中心约20～30 m范围内存在加速度放大区。

4) 钢轨的振动频率较宽，以中高频为主，主频在50～1 400 Hz；道床和隧道壁的振动主频为30～500 Hz，周围地层中振动主频进一步衰减，主频在20～200 Hz，传至地表时衰减至20～80 Hz。

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