地铁上盖物业咽喉区道岔段振动测试与分析

邹林志 ， 杜麒麟，黄 涛， 唐 剑，徐 鸿

(1.西南交通大学 地球科学与环境工程学院，成都 610000;2.中铁二院工程集团有限责任公司 环境科学研究院，成都 610000;3.西南交通大学 土木工程学院，成都 610000)

城市的发展离不开交通的建设，地铁作为城市交通的主力军，不仅减少了公路运输压力，也给城市经济发展带来了活力。在兴建城市轨道交通的同时，人们也正积极的探索如何解决停车场的占地与城市用地紧张的矛盾。由此，地铁上盖物业[1]成为了当下一个集约化用地的典范。而“地铁上盖物业”，顾名思义就是指和地铁入口、出口相连的一些建筑物。通常在车站、车辆段、停车场五百米的范围以内具备宽阔通道、商业设施或者其他的公共设施等相连接在一起的物业叫作地铁上盖物业。这种模式早已在世界上的多个国家应用与发展。目前，国内多个大中型城市[2-3]也正积极的探索适合本区域的地铁上盖物业的发展模式。

然而，众所周知的轨道交通三大污染问题：噪声、振动、电磁辐射，其中居民生活反响最大的就是振动问题。地铁停车场上盖物的推广应用使得振动问题更加突出。已知地铁停车场咽喉区属于道岔较多，线路复杂的区域。车辆进出库时，车辆轮轨的撞岔，与钢轨产生较大激励。因此，相比库内线，道岔段的振动更容易降低建筑物内人的居住舒适度，削弱建筑的适用属性[4-5]。目前，国外关于地铁停车场上盖物业振动的研究，基本集中于利用工程措施改变结构本身的自振频率和结构刚度，达到减振降噪的作用。也有通过实验模拟分析列车运行时的振动力学特性及传播规律[6～9]。在国内研究中也是如此，面临实地研究不足，缺乏试验数据，地铁车辆运行时建筑振动的预测模型不适用等情况[10-11]。并且从工程应用角度考虑，由于地铁停车场地下双层空腔结构的建筑形式，以及道岔分布密集，车辆通过道岔段时，车辆和轨道系统的耦合振动[12-13]，经钢轨通过扣件和道床传到线路基础，再由周围阻尼较小钢筋混凝土介质传递到地面层；再加上振源距离部分上盖建筑距离较近，导致地铁停车场上盖建筑的振动仍有超过标准限值的风险。

故本文以地下双层型地铁停车场的咽喉区道岔段断面为研究对象，通过行车测试，研究了地铁停车场道岔段的环境振动大小及规律，分析传统的振动预测模型[14]适用性，为今后的地铁地下类停车场上盖物业的开发建设提供了参考。

1 地铁地下停车场工况

本次测试主要为我国某城市地下双层地铁停车场地面层，负一层及负二层。该地铁地下停车场约占用土地81 000m2，工程地上部分由上盖物业、白地开发及地铁运行控制中心(OCC)三部分组成。地下部分为双层地铁停车库。地铁停车场出入线道床形式均为整体道床，采用50kg/m钢轨，通过使用GJ-III型减振扣件及阻尼钢轨的措施达到减振降噪的效果。其中，上盖物业一期工程部分地块临近道岔咽喉区。

2 测试仪器及点位布置概况

本次测试仪器主要采用一台目前国内先进的24位数据采集系统、六个INV891-2型拾振器(实际测试时应多准备两个可用于备用或同位对比测试)、一台计算机、DASP工程分析软件及其它配套线路。利用其具有1/3倍频程分析功能的振动测量仪器特点，测量和分析0～200 Hz频率范围内的各个1/3 倍频程中心频率的振级。因测试目的是研究该地下双层型地铁停车场上盖物业的振动规律及特点，所以我们采用了对比测试法，即地铁停车场各层道岔与直线段测点的纵向对比以及各横断上中下三层地面的振级。具体测点布置及方如下：此次测试车辆采用地铁A型车，6节编组，如图1所示。为模拟车辆运行最不利条件，试验将测试负一二楼列车同时进出库的情况。为了消除随机误差[15]，记录车辆出入10趟次的数据，测试及分析对象均为地铁停车场各楼层地面铅垂向的振动情况。如图2所示，本方案在咽喉区轨道正上方布设2处监测断面，其中一处位于道岔段，为了进行对比，另一处位于工况类似的直线段。分别对每个断面的地面层，负一层，负二层设振动监测点位，每个点位布置两个探头，一个位于钢轨外30cm处，一个位于方形水泥支撑柱(近轨方向)，共布设2个监测断面，6处监测点，如图2、图3、图4所示。根据地铁出入库行车规范要求：咽喉区车速不得高于10km/h，因此车辆处于低速状态，车辆试验运行速度需与日常要求一致，为6km/h。

图1 负一层现场Fig.1 Negative floor site

图2 测点设置平面图Fig.2 Layout of measuring points

图3 测点设置横断面图Fig.3 Cross-sectional profile of measuring point

图4 测点设置纵断面图Fig.4 Longitudinal section profile of measuring point

3 地铁停车场测试数据分析

3.1 数据处理及评价标准

首先，我们对此次采集的数据进行编辑滤波，得到各测点的加速度时程图，进一步对时程数据进行快速傅里叶变换得到振动频谱，依照我国《城市区域环境振动测量方法》(GB10071-88)，振动加速度级的计算公式[16]：

式中：a——振动加速度有效值，m/s2;

a0——基准加速度，a0=10-6m/s2;

计算得到振动加速度级。

本文将依照数据的完整性、无明显畸变、信噪比高、无工频干扰或工频干扰不严重的原则，各测点选取10个有效数据，各有效数据截取时长为列车完全通过测点所需时间。分析其时域及4～200Hz频率范围内的振动频谱[17]分布情况。在结果数据处理时需要去掉误差较大的值，并将有效的数据做算术平均，以减小数据误差。

结合《城市轨道交通引起建筑物振动与二次辐射噪声限值及测量方法标准》(JGJ/T170—2009)，将处理得到的建筑物振动加速度级按 Z 计权因子[18]修正后可得到的Z振级值，进而可计算的分频振级均方根值，即总振级值。这样可在时域和频域内研究分析地铁地下停车场的环境振动情况。

表1 振动影响区域分类及建筑物室内振动限值Tab.1 Classification of vibration affect area and indoor vibration limits of buildi (dB)

已知该地铁上盖物业计划修建住宅、商业混合，根据标准中城市轨道交通沿线建筑物室内振动限值，该地区应按照格1中二类建筑物室内振动限值执行，即昼间4～20Hz频率范围内采用1/3倍频程中心频率上按不同因子修正后的最大加速度振级不超过70dB，夜间不超过67dB。因此，此次试验中地铁车辆无论是通过直线段还是道岔段所引起的地面层振动均未不得超过标准限值，如果超过相关限值，未来的地铁停车场应增加相关减振措施，以保证在未来的地铁运行过程中对此断面区间上开发的居住、商业混合区的居民生活工作影响较小，满足国家的相关标准。

3.2 地面背景振动

图5 道岔段地面背景振动时程曲线Fig.5 Background vibration course curve of turnout section

图6 试测地面振动加速度时程曲线Fig.6 Test ground vibration acceleration course curve

首先，为了确保现场的试验环境良好，无其他干扰，试验时停止现场一切施工及其他车辆运行，并测试了地面层背景环境振动，并记录了一趟次负一层单独行车入库时，地面层振动的加速度时程图。根据国内多个地铁车辆段振动的测试经验分析，一般在无列车通过，无其它人为因素影响的状态下地面环境振动的加速度幅值一般0.005～0.01 m/s2之间居多,相比有列车通过时的加速度值会存在数量级的差别。如图5所示，地面振动加速度幅值集中于0.008m/s2内，时程曲线波形呈均匀，无杂波及不规整波形现象[19]。而如图6所示，当车辆通过负一层测点时，地面振动明显，证明测试条件良好。

3.3 各横断面对比分析

3.3.1 道岔段横断面分析

表2 道岔段横断面各测点VLzmax与总振级值Tab.2 VLzmax and the total vibration level value of the measuring points in turnout section (dB)

由于该停车场的空腔结构，负二层的轨道铺设于地基层[20]，使得振动传递的规律更加复杂多样化。通过分析研究，地下双层地铁停车场车辆运行所引起的振动存在一定的规律。如表2所示，负二层的总振级最小为51.0dB，负一层的总振级最大为69.0dB，地面层为65.7dB。振动从负一层传递到地面层的插入损失值为3.3dB。地下负一层含有相关运营管理人员的工作区域，因此，负一层轨道增加相应的减振措施或控制车辆速度，可以改善工作区内人体感知情况，减少地铁停车场建筑的结构病害[21]。

图7 停车场道岔段横断面对比折线Fig.7 Comparison of turnout cross section vibration of parking lot

如图7地铁停车场道岔段横断面对比折线所示，道岔段横断面各测点VLzmax也同样存在负二层的值最小，负一层的值最大的规律，其主振频率为25～100Hz之间。在4～200Hz内，负一层各倍频程中心频率振动加速度级均大于地面层各中心频率振动加速度级。值得注意的是，在频率4～16Hz之间，负二层的振动加速度级均大于负一和地面层。这一点也辅助性的证明了地铁停车场建筑振动的复杂性。

3.3.2 直线段横断面分析

通过分析直线段横断面各层的地面振动情况，我们发现停车场地面振动的传递呈现出一种新的规律：随着楼层的增高，各楼层地面的总振级也随之增大。三者中，地面的总振级最大为63.6dB，负一层总振级为59.8dB；负二层的总振级最小，为53.6dB。

表3 直线段横断面各测点VLzmax与总振级值Tab.3 VLzmax and the total vibration level value of the measuring points in straight line section (dB)

同样，如表3所示，各楼层的VLzmax也随着楼层数的增大而增大，其主振频率在25～100Hz之间。其中，地面层在分频50Hz上出现最大值61.7dB；负一层在分频31.5Hz上出现最大值54.0dB；而负二层则在分频63Hz上出现最大值：45.5dB。如图8所示，在频率4～10Hz内，负二层各中心频率上的振动加速度级均大于其他楼层，10～31.5Hz内，负一层各中心频率振动加速度级均大于地面层及负二层，31.5～125Hz间地面层各中心频率振动加速度级大于其他楼层的各中心频率振动加速度级。

图8 停车场直线段横断面对比折线Fig.8 Comparison of cross-sectional vibration in the line section of the parking lot

3.4 各层振动情况对比分析

3.4.1 地面层道岔段与直线段对比分析

图9 停车场地面道岔段直线段倍频程关系折线Fig.9 The octave curves of the straight line section segment of turnout section of the parking lot

当负一层，负二层同时行车运行时，地面层道岔段的总振级为65.7dB，直线段的总振级为63.6dB，两者差值为2.1dB，道岔段的振动强于直线段的振动。另外从如图9停车场地面层1/3倍频程关系折线中可知，在4～31.5Hz间，直线段地面振级均大于道岔段的振级；在31.5～200Hz间，道岔段地面振级均大于直线段的振级。道岔段地面的倍频程中心频率50Hz处出现Z振级最大值62.2dB，而直线段地面的倍频程中心频率31.5Hz处出现Z振级最大值56.0dB。由此可见，道岔段与直线段地面的振级均低于标准限值，对人体的影响不大，不会降低上盖物业的使用功能。

3.4.2 负一层道岔段与直线段对比分析

如图10负一层的1/3倍频程关系折线所示，当上下地铁辆车以相同时间出发，相同的速度同时出入库时，负一层道岔段的总振级为69.0dB，直线段的总振级为59.8dB，两者间出现9.2dB的较大差值。从整个负一层地面振动倍频程频率4～200Hz分析，道岔段各响应频率上的振级均大于直线段各响应频率上的振级。道岔段在1/3倍频程50Hz处出现最大值为64.0dB，直线段在31.5Hz处出现最大值：54.0dB。

图10 停车场负一层道岔段直线段倍频程关系折线Fig.10 Octave relation curve of the straight line section of turnout section in the parking lot negative floor

3.4.3 负二层道岔段与直线段对比分析

负二层为地基层。经测试分析，负二层道岔段地面振动总振级为58.5dB，直线段为53.6dB。负二层道岔段地面在倍频程中心频率40Hz处出现最大振动加速度级：51.0dB，直线段则在较大的63Hz处出现最大振动加速度45.5dB。车辆通过道岔和直线段所引起的负二层地面(建筑地基层)振动加速度级差值较小，在频率0～50Hz间，负二层道岔段的振动加速度级均超过直线段振动加速度级。然而，如图11所示，随着频率的增加，当中心频率范围在50～200Hz间时，道岔段的振动加速度级小于直线段的振动加速度级。整体分析，负二层的振动对楼层影响贡献较小。

图11 停车场负二层道岔段直线段的关系折线Fig.11 Octave relation curve of the straight line section of turnout section in the parking lot negative second-floor

3.4.4 传统模型适用性分析

《环境影响评价技术导则 城市轨道交通》(HJ453—2008)中的模型主要适用于预测地铁正线运行所引起的周围环境的地面振动情况。通过运用建筑物类型修正CB以及距离修正CD，对停车场地面层振动进行预测计算。由此所得的预测值与地下双层型地铁停车场的顶层地面的振动情况差异较大。说明该预测模型式不在适用此类情况。因此，相应的模型应该尽快研究开发，以便未来的地铁上盖物业的开发做参考。

4 结 论

目前，地铁停车场上盖物业的环境振动问题主要与停车场内的地基、结构、轨道、车辆以及上部开发建设的房屋使用类型、大小、结构等密切相关。而此次测试的亚洲最大地下双层地铁停车场，以其独特的地下双城建筑结构，较大的建筑面积以及上部预开发的上盖物业，使得它的特殊性与研究价值尤为突出。通过对该地下双层地铁停车场道岔段与直线段两个纵断面的测试数据分析，研究结论如下。

4.1 道岔段横断面上，振动无明显规律。负一层的地面振动最大；而直线段横断面上，振动则呈现随楼层的增高而增大的规律。

4.2 车辆引起的道岔段地面层振动大于直线段地面层振动。因此，咽喉道岔段的减振和隔振防护很重要。

4.3 该地铁停车场为地下双层的空腔结构，车辆通过测点时所引起的地面层和负一层的振动均大于负二层(底基层)的振动，且差值较大。

4.4 道岔段地面层的主振频率和直线段地面层的主振频率较低，一般振动频率的高、中、低频定义是相对的，在隔振设计中，通常6～100Hz的振动定义为中频振动。根据《机械振动与冲击 人体暴露于全身振动的评价要求》(GB-13441-2007)人体健康、舒适与感知考虑频率为0.5～80Hz。我们所测试的主振频率基本在30～50Hz，并且综合考虑VLmax未超过标准限制，所以判断列车通过时引起的地面振动对停车场建筑中人体不利影响较小。

4.5 在分频4～12.5Hz内，负二层的振级大于其它层地面振级，而低频振动对精密仪器设备易产生影响和损坏。因此，负二层应注意地铁运行设备的相关保护和维护等措施。

4.6 预测模型及中的各项修正值不适用于地下双层型的地铁停车场的地面振动预测相关要求，模型无法预测，今后需对该类型区域振动情况需进一步深入研究，建立适用性较高的模型。

参考文献：

[1] 汪益敏,曾泽民,邹 超,等.地铁车辆段试车线列车振动影响的试验研究[J].华南理工大学学(自然科学版),2014，42(12):1-8.

[2] LOPES P,COSTA P A,FERRAZ M, ea al.Numerical modeling of vibrations induced by railway traffic in tunnels: From the source to the nearby building [J].Soil Dynamic and Earthquake Engineering,2014,61-62:269- 285.

[3] 何 蕾,宋瑞祥，邬玉斌,等.车速对车辆段上盖物业振动影响的实测分析[J].建筑结构,2015,45(19):96-99.

[4] 王 媛,曹广忠,匡如华.深圳地铁轨道减振性能测试与分析[J].铁道标准设计，2013,(7):29-32.

[5] 徐 会,唐 扬.地铁车辆段上盖开发中减振降噪措施应用综述[J].环境与发展，2016,(6):6-10.

[6] FAN Y,KAI W,YAN C S,The research on environment vibration due to subway with rail pads of frequency-dependent stiffness[J]. Applied.mechanics and materials.2014,580- 583:1153-1160.

[7] SHENG Z,WEN B W,ZONG Z W,et al.Effect of periodic pil row in subway vibration lsolation[J].Procedia Engineering. 2017,199:302-309.

[8] Bing Q Z.Comfortable quality analysis of subway station vibration induced by multiple trains[J].Applied Mechanics and Materials. 2014,580-583:1178-1183.

[9] Kirxhner F,Rosenhouse G,Zimmels Y. Attenuation of noise and vibration caused by underground trains,using soil replacement[J]. Tunnelling and Underground Space Tec- hnology.2006,21(5):561-567.

[10] 刘维宁,马 蒙,王文斌.地铁列车振动环境响应预测方法[J].中国铁道科学，2013,34(4)：110-116.

[11] 谢伟平,赵 娜,何 卫,等.地铁上盖物业振动舒适度分析[J].土木工程学报，2013,46(6):90-95.

[12] 楼梦麟,贾宝印,陆秀丽,等.地忒振动下基础隔振效应的实测与分析[J].同济大学学报(自然科学版),2011,39(11): 1623- 1628.

[13] LOPES P,COSTA P A,CALCADA R,et al.Influence of soil stiffness on building vibration due to railway traffic in tunnels:Numerical study[J]. Computers and Geotechnics,2014:277- 291.

[14] HJ453-2008,环境影响评价技术导则-城市轨道交通 [S].

[15] XING Y,QIAN H,PENG Y C,et al.The present situation and progress of vibration environment test technology[J].Advanced Materials Research.2014,986-987:1696-1699.

[16] GB10071-1988,城市区域环境振动测量方法 [S].

[17] ZHOU Y,PAN H,WANG Y F.Testing and analysis on subway station structure under dynamic vibration loads[J].Advanced Materials Research.2013,716:648-652.

[18] JGJ/T170—2009,城市轨道交通引起建筑物振动与二次辐射噪声限值及测量方法标准[S].

[19] SANAVEI M,MAURYA P,MOORE J A. Meas-urememnt of building foundation and ground-borne vibrations due to surfa-ce trains and subways[J].Engineering Structures.2013, 53:102-111.

[20] 李 妍,耿传智.地铁停车场上盖开发的轨道结构选型[J].交通与运输，2013,(7):130-132.

[21] MA X F,FENG N N,WANG G B,et al.Study on vibration reduction method for a subway station in soft ground[J]. Shock and Vibration.2017,2017,(14):1155-1164.