地铁运行引起邻近隧道振动实测分析*

黄江华，李西峰

（1.浙江华东工程安全技术有限公司，浙江 杭州310014；2.郑州大学 水利科学与工程学院，河南 郑州450001）

1 概述

近年来，随着我国经济的快速发展，各城市的地铁线路的增多，地铁也产生了一些负面影响，地铁运行引起的振动会影响地面和建筑物，进而影响地铁周边的工作和生活[1]。地铁线路的增多，往往造成多条地铁隧道的净距越来越小，这致使地铁列车运行对相临隧道的振动问题愈发突出。因此明确列车振动荷载对相临近距离隧道的影响对保障隧道长期运营过程的安全性和稳定性具有重大意义[2-6]。

以郑州地铁为例，通过统计各测点的加速度峰值、加速度振级以及频域数据，分析了地铁荷载对邻近隧道的振动传播规律，为本地区地铁运行引起的振动评价提供了参考。

2 现场测点布置和振动信号预处理方法

2.1 测点布置

郑州某在建地铁隧道与已经运行的地铁隧道距离仅2.4m。选取在建隧道417 环位置，共布置了四个测点，每个测点可以对隧道竖直向、横向和径向进行加速度采集。测点1 位于靠近运营地铁一侧的拱腰位置，测点4 位于远离运营地铁一侧拱腰处。由于现场道床已铺设无法测拱底处，因此将测点设于隧道的最低处，测点2 位于靠近运营地铁一侧隧道与道床交界处，测点3 位于远离运营地铁一侧隧道于道床交界处，具体测点布置如图1。

图1 测点布置示意图

2.2 振动信号预处理

在现实条件下进行振动监测时，由于周围较复杂的测试环境，测试信号往往参杂了大量噪声污染，使得信噪比下降，因而需要对实测振动信号进行预处理，以保证数据的准确和真实。

本文通过Matlab 实现最小二乘法的计算，构造出趋势项，并在实测信号中去除。并运用五点三次平滑法对实测数据进行了四次数据平滑处理，提高信噪比，使波形更加光滑。根据曾宇等对地铁振动信号的信号小波降噪参数的研究，采用Symlets A 4 阶小波作为小波基，经过3层小波分解，基于无偏似然估计阈值和软阈值进行去信号去噪。

3 实测信号结果与分析

3.1 实测加速度时域分析

根据采集的实测结果，经过数据预处理后，分别得到测点1-测点4 在的加速度峰值见表1，各测点振级值见表2。

表1 各测点三个方向峰值加速度峰值（m/s2）

表2 各测点三个方向振动加速度级（dB）

通过表1 和表2 可以看出，运营列车对近距离隧道的振动影响主要为竖直向和水平向振动，纵向振动影响较小，竖直向振动在隧道底部的影响较大，其余方向均随着水平距离的增加而不断衰减。各点的振级变化与峰值加速度变化趋同，在处于净距最小处的近侧拱腰处水平振级最大，随着距离的增大水平方向的振级逐渐减小；运营地铁列车产生的竖直振动对于近距离隧道的底部影响更大，在交接处取得最大振级；在远侧隧道随着距离的增加而衰减；纵向振级远小于竖直向和水平向振级。

3.2 实测加速度频域分析

对预处理后的时域数据，选取Hanning 窗来减少时域信号截断的泄露，利用Matlab 软件采用快速傅里叶变换（FFT 变换）得到各测点的频率幅值，并绘制出测点1～测点4 三个方向的频谱曲线见图2 所示。

通过图2 可以看出，隧道壁的振动频率主要在100Hz以内，100Hz 以上的高频段随着距离的增加衰减明显。隧道壁不同位置处区别不大，各方向的优势频率大多集中在50～80Hz。地铁列车引起相临隧道在竖直向、水平向和纵向三个方向上的加速度影响具有相似的优势频率成分。各点在1～100Hz 的三分之一倍率频程如图3。

图2 频率曲线

图3 1/3倍率频程

通过图3 可知，隧道任意位置的拾取点在竖直向、水平向和纵向的振动响应的三分之一倍率频程的变化趋势基本是一致的，总体来看振级最大的频率主要分布50～100Hz内，在5Hz 以内逐步增加，然后在5～10Hz 以内有小幅下降，之后逐渐上升在60Hz 左右达到峰值后逐渐下降。

4 结论

本文通过对郑州地铁隧道进行了现场测试，记录了由运营地铁引起的隧道加速度振动时程。利用预处理的相关理论方法，对实测数据进行了预处理绘制出了加速度时程曲线，并计算得到了振动加速度级的变化曲线，绘制了傅里叶频谱图，分析了地铁振动在相临隧道的传播和衰减规律，得到以下结论：

（1）地铁列车引起的相临隧道的振动以竖直向和水平向为主，纵向加速度则明显较小；近运营隧道侧的振动大与远运营侧，随着距离的增加，振动整体呈现明显的衰减趋势；竖直向振动最大位置在隧道的底部位置，水平向振动受水平距离影响较大，最大位置处于水平距离最近的拱腰处，且随着水平距离的增加振动有明显的缩小，纵向振动由于隧道变形刚度较大而明显低于其他方向振动。

（2）振动加速度级变化规律与振动加速度相同，最大振级由水平向振动在拱腰处产生，其余位置竖直向振级均为优势方向，纵向振级则明显较小，各方向振级均在70dB 以下。

（3）振动三个方向的频率主要在50～100Hz，优势频率集中在50～80Hz，隧道不同位置区别不大。三分之一倍率频程在隧道壁不同位置在竖直向、水平向和纵向的变化趋势是相似的，5Hz 以内的振动较弱，在60Hz 处振动最强，主要振动在50～80Hz。