场地振动响应与地铁运行速度的变化特征分析

刘必灯，邬玉斌，宋瑞祥，何蕾，张婧

（北京市劳动保护科学研究所，北京 100054）

引言

城市轨道交通是解决人口集中型城市拥堵和高效出行的最有效方案之一，这得益于其高效安全、节能省地且污染小的优点。据中国城市轨道交通协会发布的2018年年报[1]，截止2018年年末，全国35个城市已开通轨道交通，总运营里程超5700km，在建线路里程超6300km，2018年度全国累计完成客运量达210亿人次；以北京和上海为例，两座城市轨道交通总运营里程数分别达713和785km，日均客运量均超过1000万人次。高峰时段全国平均发车间隔为265s，平均日运营时长16.6h，平均车公里能耗仅4.09kW·h，运营效率高、安全且能耗低。现阶段轨道交通线路以地铁为主，如北京轨道交通713km的总运营里程中地铁里程达617km。这说明地铁在城市集约化发展进程中扮演着越来越重要的角色。地铁在带来便利的同时，对沿线居民住宅及敏感建筑造成的环境振动与噪声污染问题[2、3]也不容忽视，处理失当将会直接影响宜居城市建设历程。但是，随着地铁建设的迅猛发展，其运行引起的振动污染问题越来越凸显，如北京市西直门地铁线路150m处的五层居民楼内振动能明显被人感知，且长时间振动会致室内家具移位[4]；北京地铁某线路运行致使沿线某单位宿舍楼长期实测振动超过80dB，引起了市政府的高度关注。

地铁运行所致的振动与噪声受诸如列车结构形式及运行模式、轨道结构及减振措施、隧道结构等多种因素的影响。列车运行模式主要与轮轨—道床—隧道结构的耦合振动有关，同时也和列车通过速度变化引起的轮轨相互作用强烈程度有关。随着列车运行的速度越来越高，在有限的列车运行区间内，列车加减速越来越频繁，例如北京某最高设计时速160km的线路，从0～100km时速加速距离仅为40m。因此研究在有限区间内列车运行引起的隧道结构和场地土振动随列车运行速度的影响意义重大，这将为线路减振设计、线路近距离物业开发时场地上建筑布局具有重要的指导价值。本研究对北京市某地铁线路速度快速增加行车区间段的隧道结构和场地土振动进行实测分析，初步揭示场地振动响应与地铁列车运行速度的变化特征，将为后期减振措施建议、工程场地上建筑结构功能区划分提供依据。

1 现场试验

北京市有关科研所于2019年对北京市某地铁车站附近不同车速断面处线路道床、轨道、隧道结构、场地土进行了竖向振动测试，以了解地铁运行车速对外环境振动影响规律。该测试区段为普通整体道床，未采用轨道减振措施，轨道系统采用1435mm标准轨距和60kg/m钢轨，车辆形式为B型车6节编组、轴重14t，隧道埋深30～33m。地铁隧道内振动测试工作采用24h不间断连续测量，在350m范围内布设了3个车速70～90km/h的测试断面，共获取了超过250组轨道—道床—隧道壁振动数据。场地土振动测试工作在列车活动频繁的晚高峰时段开展，在350m范围内布设了4个车速70～90km/h的测试断面，共获取了超过20组场地土振动数据，测点布设见图1，其中T1测点位置为明挖区间隧道位置、T2、T3为盾构区间隧道位置。研究分析了3个隧道测试断面中洞壁测点的250次列车通过振动时程数据，这三个测点相距分别为220m和130m，列车通过车速分别为70km/h、80km/h、90km/h，测点位于距轨面高约1.9m处，加速度计通过底座强力磁铁吸附在用AB胶粘贴于洞壁的L型铁支架上，见图2（a）。同时还分析了4个场地土测试点的20次列车通过时程，这四个测点相距分别为100m、150m和100m,列车通过车速分别为70km/h、75km/h、85km/h、90km/h,测点位于隧道中心线两侧20m范围的场地土上，加速度计固定在坚硬地面上，当为非硬化地面时先打钢钎以实现传感器和地面稳固接触，以达到和硬化地面相似的测点布设条件，见图2（b）。

图1 测点布置示意图

图2 测点示意图

测试中采用了8344型压电加速度计[5]和INV3062T型采集仪，传感器经TMS9110D便携式振动校准器现场校准。8344型加速度计具有测量范围大、灵敏度高且噪声小等特点，其技术特点见表1。3062T型采集仪具有4个24位高精度AD采集通道，动态范围保证值达110dB，采样率可达51.2kHz且频率分辨率误差小于0.01%，量程可选10V/1V/0.1V，误差小于0.05mVrms（@±10V），总谐波失真为-70dB。9110D型振动校准器可实现5～10 000Hz、幅值最大20g的调频式校准，5～10Hz和10～10 000Hz加速度校准精度分别达5%和3%。加速度计现场校准结果与其出厂标定值一致，偏差小于±0.01dB，试验中其参数采用出厂值。

表1 B&K 8344型压电晶体加速度传感器技术指标

振动基本评价指标采用了最大Z计权振动加速度级VLZmax，其含义是规定测量时间T内，Z计权振动加速度级VLZ的最大值，单位为dB。其中VLZ是按GB/T 13441.1规定的计权因子[6]修正后得到的振动加速度级VAL，单位为dB；VAL是指加速度与基准加速度之比的以10为底的对数乘以20，基准加速度取10-6m/s2。

2 试验结果分析

表2列出了隧道壁及地面振动的最大Z振级随不同列车通过车速时的变化特点，图3给出了3个隧道壁测点振动随列车车速变化的最大Z振级变化图，图4给出了4个地面测点振动随列车车速变化的最大Z振级变化图。从图3、图4和表2中可看出，无论是最大值、最小值还是平均值，区间隧道里洞壁结构竖向振动的最大Z振级随列车通过车速增加而增加，车速达90km时平均值达到79dB；地面测点竖向的最大Z振级也随列车通过车速增加而增加，当隧道中列车通过车速达90km时其上方场地土振动达71.9dB。整体而言，无论是隧道壁振动还是隧道外地面振动都表现出竖向振动与列车通过车速的正相关性。从隧道壁和场地土最大Z振级随列车车速增加的增幅来看，其增幅都远大于《环境影响评价技术导则-城市轨道交通》（HJ 453—2018）[7]中关于振级随速度修正的“导则模型”计算值，分析原因，这可能与所选的几个测试断面处于明挖矩形区间隧道和圆形盾构区间隧道交界区，其振动源强特征本身的差异性有关。从初步测试结果看，利用导则模型进行低速预测高速振动量时会偏于不安全。同时，也应指出，该研究的结果还需进行更多工况的试验和更多测试数据的支撑，后期将开展这方面的深入研究。

表2 测点振动实测最大Z振级

图3 不同隧道洞壁测点振动随车速变化图

图4 不同地面测点振动随车速变化图

另外，由于列车通过车速为70km/h的测线位于明挖矩形区间隧道中，其T1洞壁竖向振动较小，S1洞外地面振动较大，这可能与明挖矩形区间隧道自身结构体量较大，能较好的抑制振动有关；列车通过车速为90km/h的T3测点位于盾构区间隧道中，其T3洞壁竖向振动较大，S4洞外地面振动较小，洞壁到地面振动表现为衰减特征。

图5给出了4个场地土测点振动随列车车速变化的多组数据算术平均1/3倍频程变化图，该1/3倍频程考虑了人体计权因子[6]。

图5 不同地面测点振动频谱随车速变化图

从图5可看出，近隧道地面场地土振动频率成分主要集中在25～125Hz之间，通过车速为70km/h的S1测点和75km/h的S2测点平均1/3倍频程卓越频率为80Hz，通过车速为85km/h的S3测点和90km/h的S4测点平均1/3倍频程卓越频率为63Hz。总体而言，地铁运行诱发地面振动卓越频率随着车速增加有降低的趋势。但应该注意到，从地面测点振动10～25Hz中频段振级来看，车速为70～75km/h时振级值要显著大于车速85～90km/h时振级值。因此，可以认为在10～25Hz的中频段地铁运行诱发地面振动随车速增加而降低，在25～125Hz的中高频段地铁诱发地面振动随车速增加而增加。

3 结语

对北京市某地铁不同车速断面处线路的隧道洞壁及其上部场地土进行了竖向振动测试，分析了地铁运行车速对环境振动的影响规律。在350m范围内布设了3个隧道洞壁测点和4个场地土测点，车速从70km/h逐渐增加到90km/h，获取了超过250组隧道洞壁连续测试振动数据和超过20组场地土连续测试振动数据。分析表明：

（1）隧道壁振动和场地土竖向振动与列车通过车速表现为明显的正相关性，隧道洞壁结构竖向最大Z振级随列车通过车速增加而增加，车速达到90km时平均值达到79dB；地面测点竖向最大Z振级也随列车通过车速增加而增加，车速达90km时其上方地面振动达到71.9dB。

（2）列车通过车速为90km/h的盾构区间隧道洞壁竖向振动大于地面振动，洞壁到地面振动表现出明显的衰减特征。

（3）地铁运行诱发地面振动频率成分主要集中在25～125Hz，随着车速增加测点振动平均1/3倍频程卓越频率从80Hz逐渐降低至63Hz。在10～25Hz的中频段地铁运行诱发地面振动随车速增加而降低，在25～125Hz的中高频段地铁诱发地面振动随车速增加而增加。

该研究仅给出了初步分析结果，其相关结论还需经过后期多工况补充测试数据的验证，列车通过车速与外环境振动强度的定量关系还需进行深入研究。