温州市域铁路高架线环境振动源强试验研究

罗 伟

（1.中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063；2.铁路轨道安全服役湖北省重点实验室，武汉 430063）

1 研究背景

在城市轨道交通振动环境影响评价专题中，振动影响预测是一项重要的内容，而振动源强的准确取值则是决定振动影响预测结果的关键，在市域铁路中同样如此。

根据《环境影响评价技术导则 城市轨道交通》(HJ453—2018)[1]，振动源强的获取可采用类比测试、资料调研两种途径，或采用二者相结合的方法，其中类比测试要求线路在道床类型、无缝线路类型、地质条件、车辆条件、运行速度等与预测线路相同或相近，且列车应处于正常运行状态，列车运行速度应在预测断面设计速度的75%～125%范围内。在实际的环评操作中，振动源强的获取一般有两类[2]：一类是采用既有参考源强，来源包括相关文献专著、规范，如《城市轨道交通振动和噪声控制简明手册》《北京市地铁噪声与振动控制规范》(DB11/T 838—2011)等；另一类是通过在当地运营线路进行类比测试确定。在我国城市轨道交通环境影响评价中，目前80%以上的报告书采取了引用既有参考源强的方法[2]，主要采用了《城市轨道交通振动和噪声控制简明手册》中的振动源强。

如前所述，在我国城市轨道交通环境影响评价专题中，振动源强的获取比较依赖既有资料，而市域铁路由于在我国起步较晚，当前并没有相关的既有资料可供选用。温州市域铁路 S1线是“国家战略新兴产业示范工程”，承担了市域铁路先行先试、示范引领、复制推广的功能[3-5]。以此为依托，笔者与所在的团队开展了市域铁路环境振动源强的试验研究，以期为我国市域铁路的环评工作提供参考。

2 现场实测

2.1 断面概况

选择温州市域铁路S1线非减振地段4个典型断面进行测试，各断面概况如表1所示。

表1 各测试断面概况Table 1 Overview of each test section

2.2 测点布置

《环境影响评价技术导则 城市轨道交通》(HJ453—2018)要求，城市轨道交通高架线振动源强测点位于地面距线路中心线7.5 m处。考虑到市域铁路桥梁结构较城市轨道交通存在一定的差异[6]，市域铁路轮轨振动自桥梁到地面的传递模式尚不清楚，因此除了在地面布置测点外，在桥上也布置了测点(见图1)，以便完成对市域铁路振动源强测点布置原则的深化研究，具体测试内容为桥面、地面的垂向加速度。

图1 测点布置示意Figure 1 Layout of measurement points

2.3 测试仪器

采用24位精度INV3630V智能信号采集仪。桥面测点采用INV 9828 型中低频加速度传感器，频响范围 0.2～2 500 Hz，量程 10g(见图2)；地面测点采用941B型测振仪，加速度档频响范围0.25～80 Hz，量程 2g(见图3)。所用加速度传感器均由具备资质的第三方机构检定及校准合格。

图2 桥面振动传感器现场安装Figure 2 Site installation of bridge deck vibration sensor

图3 地面振动传感器现场安装Figure 3 Site installation of ground vibration sensor

2.4 数据采集

试验期间，4个断面的加速度采集情况如表2所示。根据《环境影响评价技术导则 城市轨道交通》(HJ453—2018)，轨道交通环境振动源强测试要求采集不少于5次列车通过的数据。表2中每个样本对应一次列车通过时段，除DK1+800、DK3+500地面未采集数据外，现场获取的加速度样本数符合《环境影响评价技术导则 城市轨道交通》(HJ453—2018)的相应规定。

表2 各断面加速度样本数Table 2 Quantities of acceleration signal samples of each section 组

2.5 测试指标

根据《环境影响评价技术导则 城市轨道交通》(HJ453—2018)、《城市区域环境振动测试方法》(GB10071—88)[7]的相关要求，测试指标采用列车通过时段VLz的最大值，即VLz,max，分析的频率范围为1～80 Hz。计权标准推荐采用ISO 2631-1：1997，而考虑到现行《城市区域环境振动标准》(GB10070—88)[8]仍在沿用ISO 2631-1：1985的计权标准，因此同时给出采用ISO 2631-1：1985计权标准的VLz,max计算值。

3 结果分析

3.1 离群值剔除

在数据整理过程中发现，桥面、地面测点的VLz,max计算值存在一些离群值，但整体上符合正态分布，图4所示为DK1+390断面桥面测点VLz,max计算值的分布情况。

图4 DK1+390断面桥面测点VLz, max计算值分布(离群值剔除前)Figure 4 Calculation value distribution of VLz, max at bridge deck measurement point of section DK1+390 (before outlier removal)

考虑到列车轮对踏面随机不平顺、轨面随机不平顺的客观存在，由轮轨相互作用诱发的桥梁、地面振动响应具有一定的随机性，因此适当剔除样本数据中的离群值是必要的。本研究采用奈尔(Nair)检验法对统计离群值进行剔除(见图5)，剔除水平α*取0.01。该检验法适用于样本量3≤n≤100的情形，检验方法详见GB/T 4883—2008[9]。图6所示为剔除离群值后DK1+390断面桥面测点VLz,max计算值的分布情况，可见此时计算值的分布更加集中。

图5 DK1+390断面桥面测点VLz, max离群值判断结果Figure 5 Judgment results of VLz, max outliers at bridge deck measurement point of section DK1+390

图6 DK1+390断面桥面测点VLz, max计算值分布(离群值剔除后)Figure 6 Calculated value distribution of VLz, max at bridge deck measurement point of section DK1+390 (After outlier removal)

3.2 测点选择

振动源强参考值测试，要求实测数据应具备足够的稳定性、可靠性。为了定量讨论在不同车次列车通过条件下各测点测试结果的稳定性、可靠性，做出样本数据各中心频率的均值及标准差，计算各中心频率振级的离散系数CV如下：

式中，SD为标准差，MN为均值。

图7～9为各测点频域离散系数分布，离散系数越大，数据的稳定性和可靠性越差[10]。可以看到，在80%以上的频率范围内，地面测点数据的离散系数较桥上测点的值要大。1～80 Hz范围内地面测点的离散系数普遍大于3%，局部范围达5%以上，桥上测点的离散系数普遍小于 3%。因此，振动源强参考值的测试建议采用桥面测点。

图7 DK1+390断面离散系数频域分布Figure 7 Frequency domain distribution of discrete coefficient of section DK1+390

3.3 统计分析

对 4个断面桥面测点的加速度样本进行统计分析，VLz,max的统计值如表3所示。

图8 DK3+500断面离散系数频域分布Figure 8 Frequency domain distribution of discrete coefficient of section DK3+500

图9 DK23+100断面离散系数频域分布Figure 9 Frequency domain distribution of discrete coefficient of section DK23+100

由表3可以看到：

1) 4个断面桥面测点VLz,max测试结果的离散系数较小(最大不超过1.5%)，数据的稳定性、可靠性较高。

2) 列车运行速度的影响：对比DK1+390和DK1+800两直线断面，列车运行速度差值为15 km/h，桥面测点VLz,max均值相差4.8 dB；在DK3+500断面测试期间，列车运行速度分为91 km/h和106 km/h两档，速度差值为15 km/h，桥面测点VLz,max均值相差3.2 dB。

3) 曲线半径的影响：对比DK3+500、DK23+100两曲线断面，当列车运行速度相近时，由曲线半径差值700 m引起的桥面测点VLz,max差值为4.4 dB。

4) 计权标准的影响：采用ISO 2631—1:1985计权标准，振动源强VLz,max的计算值较采用ISO 2631—1:1997计权标准小2～4 dB。

4 结论与建议

1) 相比而言，桥面测点的测试结果较地面测点的结果具有更高的稳定性、可靠性。因此，对于市域铁路高架线，振动源强参考值测试建议采用桥面测点。

2) 在本次温州市域铁路S1线环境振动源强测试中，各断面桥面VLz,max测试结果的稳定性、可靠性较高，可供市域铁路新建线路环评工作者参考。

3) 采用 ISO 2631—1:1985计权标准，振动源强VLz,max的计算值较采用ISO 2631—1:1997计权标准小2～4 dB。

4) 温州市域铁路S1线高架直线地段，开行市域动车组，在列车匀速95 km/h通过工况下，环境振动源强测试结果如下：采用 ISO 2631—1:1997计权标准时为94.1 dB，采用ISO 2631—1:1985计权标准时为90.6 dB。

5) 关于列车运行速度对振动源强的影响：对比DK1+390、DK1+800两直线断面，以及DK3+500断面测试期间两档通过速度工况，列车运行速度差值为15 km/h时，桥面测点VLz,max均值相差3～5 dB。

6) 关于曲线半径对振动源强的影响：对比DK3+500、DK23+100两曲线断面，当列车运行速度相近时，由曲线半径差值700 m引起的桥面测点VLz,max均值相差4.4 dB。