城市地铁地下轨道振动对周边建筑的影响分析

张开伟,杨灵杰,王世淼,李 辉,聂庆科,智学美

(1.河北双诚建筑工程检测有限公司，河北 石家庄 050031;2.河北建设勘察研究院有限公司，河北 石家庄 050031;3.西部战区空军勘察设计院，四川 成都 610041)

1 引 言

地铁地下线路在运营过程中产生的主要环境影响为环境噪声振动，准确预测列车运营过程中产生的环境振动影响是城市地铁线路环境影响评价的关键[1-5]。通常人们对于地铁轨道振动对周边建筑物的影响的研究方法主要是采用现场测试、受力分析、有限元软件建模模拟分析相结合的方法[6]。现场测试工作，一般针对既有普通及纵向轨道的钢轨、道床、隧道壁及周边建筑物采用现场实时监测的方法来研究城市地铁地下轨道运营期间引起周边环境振动的衰减曲线、影响范围及分布规律，通过获得的大量数据建立起经验及半经验公式，使用这些总结公式对运营期城市地铁轨道交通线路对周边建筑物振动影响的预测和评估[7，8]。近几年来，我国很多专家学者也对此进行了大量的实测研究分析。金学健等[9]对位于近距离隧道轨道列车同时运行引起的环境振动进行了研究，建立了近距离平行隧道-地基平面有限元模型，对不同列车荷载组合、不同隧道间距及不同隧道埋深下的地面振动响应特点和规律进行了拟合计算，得到了基于双列车荷载作用下的地面振动预测公式；魏鹏勃等[10]进行了地面线路城轨列车引起的自由场地振动分析模型，对模型中不同影响因素进行计算分析，分析列车运行作用于道碴上的力对周边环境的影响；谢咏梅等[11]就城市轨道交通地下线路振动环境影响分析问题展开了深入的研究，分析了地下线路对周边环境振动的影响。以上研究对纵向轨枕减振道床轨道的消振分析均未进行，基于此，笔者结合某城市地铁项目，实际监测了普通整体道床轨道、纵向轨枕减振道床轨道的钢轨、道床、隧道壁等监测点及周边建筑物在轨道不同距离监测点，得到振动数据，并对大量的监测数据进行了梳理研究，分析了纵向轨枕减振道床轨道实际减震效果，提出了周边建筑物减震的措施。

2 原理分析

依据《城市区域环境振动测量方法》进行数据采集及数据处理[1]，并采用普通整体道床轨道与纵向轨枕轨道隧道壁振动最大Z振级差值来评价减振效果，即有无隔振装置情况下的加速度级之差[9]。其计算公式为：

(1)

式中：L1为振动加速度级；a2R为没有隔振装置时的响应；a2为有隔振装置时的响应。

当L1≥0时，隔振系统起作用；当L1≤0时，隔振系统没有衰减作用[2]。对式(1)进行变换，引入基准加速度a=10-6m/s2，得到：

分析列车通过时段振动噪声物理量为最大Z振级VLZmax。结合《城市区域环境振动测量方法》及《机械振动与冲击人体暴露于全身振动的评价》,采用铅垂向计权网络进行计算，计算1～80 Hz范围内铅垂向计权网络的Z振级，分析列车通过时的最大Z振级(VLZmax)[3]。评价轨道交通减振轨道的铅垂向减振效果时，采用减振轨道与普通整体道床轨道隧道壁测点的VLZmax的差值ΔVLZmax[13,14]。

3 监测设备及测点布设

3.1 监测设备

本次振动测试设备采用东方振动和噪声研究所生产的振动主机及传感器，主要仪器设备及加速度传感器技术指标如表1及表2所示。

表1 测试主要仪器设备

表2 加速度传感器技术指标

3.2 测点布设

3.2.1 普通整体道床测点

作为对比的普通整体道床轨道的测点有钢轨垂向振动加速度、道床振动加速度、隧道壁垂向振动加速度与列车速度，普通整体道床轨道的具体振动测点与纵向轨枕轨道测点基本相同，具体布置如图1所示[12]。

3.2.2 纵向轨枕轨道道床测点

为正确反映纵向轨枕轨道的减振效果，纵向轨枕轨道测点选取了铺设纵向轨枕轨道的断面进行振动测试，并选取了隧道形式、线路条件、列车类型、载重、列车速度等工况基本相同的普通道床的断面进行对比振动测试，从而得到纵向轨枕轨道减振的效果[13，14]。具体布置如图2所示。

图1 普通整体道床轨道测点布置示意图及实景Fig.1 Arrangement schematic diagram and actual view at the measuring points of the ordinary monorail bed track

图2 纵向轨枕轨道测点布置示意图及实景Fig.2 Arrangement schematic diagram and actual view at the measuring points of the vertical sleeper track

3.2.3 周边建筑物测点布设

结合项目特点，对需监测建筑物共布置8个振动测点，距离右线线路中心水平距离分别为10 m、15 m、20 m、35 m、40 m、45 m，建筑物卧室和客厅内各布设一个监测点。具体测点位置如图3所示。

图3 周边建筑物振动测点布置Fig.3 Vibration measurement point arrangement of surrounding buildings

3.2.4 采集安装要求

现场振动传感器采用磁座及胶水安装，安装前清除表面污迹。测试时将电缆线固定，以防止由于电缆屏蔽层和绝缘材料间的磨擦产生电荷而引起噪声。采集设备采用无人值守的智能化采集系统，根据预设程序自动触发、采集、存储。

4 测试数据分析

该地铁线路是河北某城市线路网中的东西向骨干线。在设计阶段为了降低列车运行对周围环境的振动影响，地铁线路轨道采用普通道床技术和先进的纵向轨枕轨道技术相结合的铺设方式，线路自试运行以来给民众带来了极大的便利，但临近地铁的附近居民也反映振动较大，运营期间会影响正常作息。当地轨道公司为了解决这一问题委托笔者对地铁运营期间引起的振动对周边环境的影响进行了调查和测试，通过测试数据为地铁运营方制定消除对周边建筑影响的方案提出针对性的客观数据支持。为正确反映纵向轨枕轨道的减振效果，测试分别选取了隧道形式、线路条件、列车类型、载重、列车速度等工况基本相同的纵向轨枕轨道的断面及普通道床的断面进行了对比振动测试，得到纵向轨枕轨道减振的效果，同时对居民居住的具体房屋进行振动监测。

4.1 普通整体道床轨道及纵向轨枕轨道测试数据对比分析

地铁运营期列车通过时，普通整体道床及纵向轨枕轨道的钢轨、道床、隧道壁铅垂向振动加速度典型时域波形和频谱如图4和图5所示。

图4 普通整体道床及纵向轨枕轨道道床不同监测部位时域波形Fig.4 Time-domain waveform diagram of different monitoring parts of ordinary monorail bed and longitudinal sleeper track bed

图5 普通整体道床及纵向轨枕轨道道床的不同监测部位频谱Fig. 5 Spectrogram of different monitoring parts of ordinary monolithic bed and longitudinal sleeper track bed

图4显示运营列车在通过监点时，普通整体道床及纵向轨枕轨道的钢轨、道床、隧道壁铅垂向各传感器通道捕捉到的时域波形图中各监测点曲线振动形态基本一致，不同监测点振动幅值由钢轨经过道床向隧道壁逐渐衰减，测点之间衰减幅度以接近10-1～10-2进行衰减，普通整体道床的各个部位测点振动幅值是纵向轨枕轨道振动幅值的2～2.5倍，由此也可见纵向轨枕轨道在振动源头，且振幅幅值离散分离度纵向轨枕轨道比普通整体道床大，纵向轨枕轨道较普通整体道床更强，易于在震源源头实施减震措施。

从图5我们可以看出在频率域内普通整体道床及纵向轨枕轨道的钢轨、道床、隧道壁铅垂向各传感器通道捕捉到的频率域谱图中各监测点曲线振动形态随着与震源距离的不同差异也较大，纵向轨枕轨道单峰峰谱较普通整体道床更为突出和丰富，对于多频段集中异常反应要强，同时道床和隧道壁振动异常反应敏感度要远高于普通整体道床。各个监测点单峰峰谱由钢轨经过道床向隧道壁逐渐衰减，不同部位测点之间衰减幅度以10-1/2～10-1进行衰减，普通整体道床的各个部位测点单峰峰谱是纵向轨枕轨道振动幅值的2～3倍，纵向轨枕轨道单峰峰谱集中聚集幅度比普通整体道床大，纵向轨枕轨道多个共振中心频率在频率域谱图中更容易获得。在频率域谱图中，纵向轨枕轨道振动规律性较普通整体道床更好识别，易于抽取和界定共振频率。

按照规范要求进行垂向计权网络计算，得到最大Z振级(VLZmax)，将5趟列车通过时整体道床轨道不同监测点的最大Z振级(VLZmax)进行算术平均，得到的整体道床轨道不同监测点的最大Z振级(VLZmax)，具体监测值如表3所示。

表3 普通整体道床及纵向轨枕轨道道床各测点 VLZmax

从表3中可以看到，普通整体道床的最大Z振级(VLZmax)都要高于纵向轨枕轨道的最大Z振级(VLZmax)，且最大Z振级衰减速度纵向轨枕轨道要高于普通整体道床。按照《机械振动与冲击人体暴露于全身振动的评价》计权方法，普通整体道床轨道与纵向轨枕轨道隧道壁VLZmax以及纵向轨枕轨道相对于普通整体道床轨道的隧道壁振动差值ΔVLZmax如表4所示。

表4 普通整体道床轨道和纵向轨枕轨道的隧道壁监测点VLZmax和ΔVLZmax

从表4可知，按照《机械振动与冲击人体暴露于全身振动的评价》计权得到的普通整体道床轨道隧道壁VLZmax平均值为84.1 dB；纵向轨枕轨道隧道壁VLZmax平均值为72.6 dB，两者差值ΔVLZmax为11.5 dB。可以看出纵向轨枕轨道隧道壁监测点最大Z振级在源头就要比普通整体道床轨道低约13.6 %，说明纵向轨枕轨道减震效果明显。

4.2 周围建筑物振动测试

测试建筑物在距离地铁轨道约45 m处。地铁试运营期间，该建筑物内住户在列车通过时可以感觉到居室地板有振动，建筑物外墙个别区域也出现墙皮脱落现象，这种振动已经影响到了住户的正常睡眠及正常生活。因此该住户找到地铁运营方提出了自己的诉求，地铁运营方非常重视该情况，同时也想弄清该振动是否由运营地铁引起，基于此，委托笔者对该建筑物前方距离轨道不同间距的地表及建筑物本身进行振动监测，通过调取设计文件和实地核对了解到，该住户区域的地铁轨道采用普通整体道床轨道技术进行铺设，且该建筑物涉及到红线拆迁问题，距离地铁轨道较近，结合现场具体实际情况布设了共计8个监测点，通过测试设备分别采集了地铁左线及右线列车通过时的振动数据，选取其中典型的5趟车数据作为分析依据。列车通过时，该建筑物内部卧室及客厅监测点垂向振动加速度典型时域波形如图6所示，卧室及客厅监测点垂向振动加速度典型频率域谱如图7所示。

从图6及图7可以看出，该建筑居室监测点的时域波形图和频率域谱图和上述在普通整体道床轨道获得的监测曲线形态接近，其振动幅值及单峰峰谱约为震源部位监测数据的1/2，符合振动能量衰减规律，通过振动传播速度计算出在振动异常时间段，其振动形态和列车在普通整体道床轨道隧道壁的振动形态一致，时间吻合，判断该建筑物室内振动源确实与地铁运营相关。

图6 周围建筑物卧室及客厅时域波形Fig.6 Time domain waveform of bedroom and living room in a surrounding building

图7 周围建筑物卧室及客厅频谱Fig.7 Spectroscopy of bedroom and living room in a surrounding building

表5 列车通过时各点最大Z振级

Table 5 MaximumZ-vibrnation level at each point when the train passing

车次监测部位最大Z振级/dB10 m15 m20 m35 m40 m45 m客厅卧室171.279.075.872.170.071.476.975.6271.979.578.173.771.072.278.676.7371.779.677.673.670.372.578.076.1471.779.778.173.371.272.978.175.6573.580.578.973.571.172.578.677.0平均值72.279.878.273.570.972.578.376.4

按照《机械振动与冲击人体暴露于全身振动的评价》垂向计权网络计算得到的最大Z振级(VLZmax)，将5趟列车通过时的VLZmax进行算术平均，得到列车分别通过线路时建筑物附近各测点的VLZmax，结果如表5所示。

从表5中计权得到的各测点VLZmax平均值可以看出，各测点最大Z振级不尽相同，各测点的共振现象差别较大，依据《城市轨道交通引起建筑物振动与二次辐射噪声限值及其测量方法标准》关于各测点的振动限值要求可知，建筑物室内监测点监测值已经远超过限值(规范限值范围：昼间为70 dB，夜间为67 dB)，建筑物室内客厅及卧室监测点最大Z振级接近普通整体道床隧道壁监测点的最大Z振级，说明该建筑物产生了共振，基于实际监测数据，同时地铁也正处于联运调试阶段，建议地铁运营方从震源源头采取措施进行减震，在该建筑物区段采用先进的纵向轨枕轨道技术进行铺设处理，施工完毕后又进行了二次监测，获得了如表6所示的监测数据。

从表6可以看出，通过采用纵向轨枕轨道技术进行铺设施工处理消振措施后，各监测点的监测值已经低于规范限值，对比表5、表6可知，最大Z振级ΔVLZmax的降低幅度范围在13.5～19.2 dB之间，比前述普通整体道床轨道与纵向轨枕轨道隧道壁监测点之间ΔVLZmax的数值11.5 dB大，减震效果更为明显。

表6 采取消振措施后列车通过时各点最大Z振级

5 结 论

通过以上对地铁运营期间普通整体道床轨道、纵向轨枕轨道及周边建筑监测点的振动监测结果进行分析，得到以下认识：

1)纵向轨枕轨道较普通整体道床轨道减震和消振效果明显，且随着距离不同，减震效果变化很大，纵向轨枕轨道最大Z振级在源头要比普通整体道床轨道低约10.0 %以上，采用纵向轨枕轨道减震技术可以有效在源头减震。

2)纵向轨枕轨道与普通整体道床轨道对周边建筑物的振动影响不同，普通整体道床轨道比纵向轨枕轨道对周边建筑物的振动影响更大，考虑设计难度及经济因素，二者因地制宜相互结合会对地铁线路设计产生更好的效果。