西安地铁2号线永宁门区段列车运行振动对其上部文物影响实测分析

岳 海

(西安市轨道交通集团有限公司， 710018， 西安∥高级工程师)

西安地铁2号线是西安市首条开工建设、首条通车的城市轨道交通线路，一期工程于2011年9月16日投入运营，其中途径钟楼、西安城墙永宁门和安远门。众所周知，钟楼、永宁门(南门)、安远门(北门)均为国家重点文物保护单位，多年来，国家有关部门和行业专家高度关注西安地铁文物保护问题，运营振动就是其核心问题之一。当前，2号线已运营多年，准确认识和评价2号线运营振动对文物本体的影响，分析振动的传播规律及与运营速度的关系，不仅对文物保护有重要的意义，对后期地铁建设也有重要的指导价值。本文基于此，拟通过现场监测手段来分析西安地铁2号线运营振动的传播规律以及对西安城墙永宁门的影响。

1 西安地铁2号线下穿永宁门工程振动监测

西安地铁2号线下穿西安城墙永宁门区段平面位置关系如图1所示。2号线左右线分别从永宁门瓮城东西两侧的城门洞下绕行通过，绕行线路曲线半径为350 m，地下隧道顶埋深约17.4～18.5 m。对永宁门城墙区段的振动监测工作情况如下：

1) 振动监测仪器。本次振动监测使用了2台振动数据采集仪，型号分别为INV3060A和DH5910。监测开始前，陕西省技术质量监督局授权认可的陕西省计量科学研究院对监测仪器进行了检定，检定测试过程中，监测仪器使用状态良好。

2) 测点布置。在永宁门区段上部古建筑的城墙、城楼及新增海墁裂缝处共布置10个振动监测点。1～8号测点布设位置如图2所示。9、10号测点位于墙体正中央。同时，为了研究振源处振动响应大小及永宁门区段浮置板道床的减振效果，在该区段隧道内进行布点监测(见图3)。测点11～13和14～16分别位于普通道床与浮置板道床的钢轨、道床和隧道壁上。

图1 西安地铁2号线下穿西安城墙永宁门区段平面图

图2 西安地铁2号线永宁门区段上部古建筑测点布置图

图3 西安地铁2号线永宁门区段隧道内测点布置图

3) 监测工况及时间。为了研究地铁列车不同运行速度对城墙、城楼及裂缝处的振动影响程度，于2019年1月18日凌晨00：30—04：00期间(路面交通最稀少)，上、下行线电客车均分别以57 km/h、55 km/h、50 km/h、45 km/h和40 km/h 5种运行工况匀速通过永宁门区段，在每一种工况下，电客车往返共6次通过该区段。

2 振动监测结果及分析

2.1 永宁门区段隧道振动监测结果及分析

2019年1月23日对该区段进行振动监测，其中浮置板段监测断面里程为YCK14+180.000，普通段监测断面里程为YCK14+131.020，均采用信号触发采样，触发通道为铁轨通道，采样频率为5 120 Hz，采样时长为50 s。对采集到的时域振动信号进行选择，选择原则为：波形完整，无明显畸变；信噪比高，无工频干扰或工频干扰不严重。

分析时，对时域波形应先预检，去掉奇异项、修正零线飘移、趋势项等误差；当需滤波时，根据具体情况合理设置低通、高通的滤波截止频率或带通的通频带宽，以确保数据分析的准确性和真实性。图4为隧道内轨道上振动信号的典型时程曲线图和频谱图。由图4可见，列车整列通过测点断面所需时间约为9 s，列车运行速度约为50 km/h。

a) 加速度时程曲线图

b) 频谱图

表1具体实测结果的统计分析表。由表1可知：

1) 普通道床钢轨、道床、隧道壁水平向和垂直向的振动加速度幅值分别在184.13～273.12 m/s2、0.61～0.94 m/s2、0.50～0.70 m/s2和1.04～1.20m/s2之间；钢弹簧浮置板道床钢轨、道床、隧道壁水平向和垂直向的振动加速度幅值分别在152.50～205.30 m/s2、4.107.10 m/s2、0.28～0.42 m/s2和0.69～0.87 m/s2之间。由轮轨运动产生的振动传递至道床、隧道壁时有很大程度的衰减，其中隧道壁水平向振动较垂直向的小。

表1 西安地铁2号线永宁门区段隧道内不同测点的振动加速度监测结果统计表

2) 钢弹簧浮置板道床处的振动加速度幅值大于普通道床，这是由于钢弹簧浮置板道床特殊的减振构造，使得浮置板的振动较为剧烈，这种振动主要由轨道传递到车体，进而使得地铁列车运行产生的振动通过浮置板的隔振后传递到隧道壁上的振动量大大减少，相比普通道床，隧道壁水平向和垂直向振动加速度幅值分别能减小45.1%和29.2%。这表明钢弹簧浮置板道床对减小隧道壁、土体及隧道上方敏感建筑物的振动响应有显著效果。

2.2 永宁门区段城墙振动监测结果及分析

永宁门区段城墙各测点不同工况下的水平向、垂直向振动速度幅值及变化规律如图5～6所示。由图5～6可知：

1) 永宁门区段城墙在地铁列车单独运行时，不同运行工况下的水平向振动速度最大幅值仅为0.035 mm/s，随着列车运行速度的变化，水平向振动变化规律不明显。所有监测点均满足GB/T 50452—2008《古建筑防工业振动技术规范》容许振动标准(水平向0.15 mm/s)的要求。

2) 永宁门区段城墙在地铁列车单独运行时，不

图5 西安地铁2号线永宁门区段城墙各测点水平向振动速度

图6 西安地铁2号线永宁门区段城墙各测点垂直向振动速度

同运行工况下的垂直向振动速度最大幅值仅为0.035 mm/s，随着列车运行速度的增加，垂直向振动速度有一定的增加。所有监测点测检结果均满足国家文物局给出的振动速度建议值(垂直向0.15～0.20 mm/s)。

2.3 永宁门区段城楼振动监测结果及分析

永宁门区段城楼各测点不同工况下的水平向、垂直向振动速度幅值及变化规律如图7～8所示。

图7 西安地铁2号线永宁门区段城楼各测点水平向振动速度幅值最大值

图8 西安地铁2号线永宁门区段城楼各测点垂直向振动速度幅值最大值

由图7～8可知：

1) 永宁门区段城楼在地铁列车单独运行时，不同运行工况下的水平向振动速度最大幅值仅为0.083 mm/s，随着列车运行速度的增加，城楼水平向振动速度有一定的增大。所有监测点测检结果均满足GB/T 50452—2008容许振动标准(水平向0.19 mm/s)的要求。

2) 永宁门城楼在地铁列车单独运行时，不同运行工况下的垂直向振动速度最大幅值仅为0.047 mm/s，随着列车运行速度的增加，垂直向振动速度有一定的增加，但变化较小。所有监测点测检结果均满足国家文物局给出的振动速度建议值(垂直向0.20 mm/s)。

3) 随着地铁列车运行速度降低，城楼各监测点的振动速度响应幅值均有不同程度的减弱。其中，当地铁列车运行速度由57 km/h降至50 km/h时，城楼二层监测点振动响应降低程度相对明显，如进一步降速则影响不大。

3 结论和建议

1) 钢弹簧浮置板道床的减振效果较好。相比普通道床，其隧道壁水平向和垂直向振动加速度幅值分别能减小45.1%和29.2%。这表明钢弹簧浮置板道床对减小隧道壁、土体及隧道上方敏感建筑物的振动响应有显著效果。

2) 在地铁列车单独运行，57 km/h速度工况下，各监测点的振动速度幅值最大，城楼水平向为0.083 mm/s，垂直向为0.047 mm/s；城墙水平向为0.035 mm/s，垂直向为0.035 mm/s。振动速度最大值为规范控制标准的1/5～1/3，由此可见，地铁列车运行产生的振动对文物的影响是有限的。

3) 随着地铁列车运行速度增大，永宁门区段上部文物本体的振动速度有一定的增大，但增加效果不明显。因此，通过减速方案来改善地铁列车运行振动对文物的影响，其意义不大。