地铁列车进出站对换乘站振动影响实测分析

冯青松，廖春明，张 凌，刘庆杰

( 华东交通大学铁路环境振动与噪声教育部工程研究中心，南昌330013)

随着我国城市轨道交通的快速发展，城市地铁线路不断密集，两条或多条地铁线路交汇的换乘站频繁出现。基于绿色交通概念，地铁换乘站可提高土地资源利用率，方便乘客换乘，提高地铁交通网的运输效率，并能缓解地面交通压力和空气污染问题，同时车站内可进行物业开发，利用其商业价值，提高经济效益。换乘站有着许多的优点，但由于车站内地铁列车进出站频繁，其振动激励通过轨道、道床传到站台，再经由楼板传到站厅层及工作人员办公区，工作人员长期暴露于振动环境中易影响工作甚至生理健康[1]。

目前国内外学者对地铁振动问题进行了一系列研究。刘维宁等[2]明确给出了交通环境振动的一般强度、频率与传播特征，并且分析了12 个影响振动的主要因素，总结国内正在研究的8 个方向和面临的3个问题。张谦等[3–5]根据波数展开法推导列车进出站时所引起的柱面纵向振动和轴向激励作用下的出平面波的振动响应。高伟等[6]建立了地下多层岛-侧式交叠式换乘站模型，对比分析不同工况下商场楼板振动规律。Ma 等[7]、张逸静等[8]分析了列车通过轨道时所引起的土层振动。冯青松等[9]基于实测振动数据采用大质量法进行多点激励，分析了双振源激励对上盖建筑物楼板振动的影响。陈艳明等[10]基于下沉式车辆段实测数据分析了下沉式地铁车辆段咽喉区的振源特性与地铁振动沿盖板和不同楼层的传播规律。崔聪聪等[11]建立高铁地铁综合交通枢纽车站模型，从时域和频域的角度分析了地铁列车激励下南昌西站的振动特性。Tao 等[12]基于实测分析了地铁列车对上盖物业建筑内部振动与噪声特性的影响及振动传递规律。周凌宇等[13]基于现场实测分析了列车运行所引起的振动与噪声对地铁车站站厅层的影响。目前地铁列车进出站引起的车站结构振动响应研究多停留于理论研究与模型仿真阶段，相关的地铁换乘站的振动现场实测研究较少，并且已有文献中的地铁车站多为单线车站，结构简单，目前少有关于复杂地铁换乘车站的振动特性研究。

本文基于广州某地铁换乘车站内的各层楼板的现场实测数据，分析在不同行车工况下的地铁换乘站各楼板的振动特性，为地铁换乘站振动精准预测及振动控制提供指导。

1 试验概况

1.1 换乘站概况

换乘站位于广州地区某两条线路交汇处，呈十字交叉型，共两层，负一楼由地铁A号线与站厅层及办公区共用，站台类型为侧式站台，上下行线路之间为设备夹层，两侧式站台之间通过负二层通道换乘。地铁B号线在负二层，站台类型为岛式站台，此换乘站也是地铁B 号线终点站。根据资料显示，地铁A号线走向为东南至西北，车站总长为195.5 m，站台有效宽度为3.8 m，线路西南端为明挖区段；地铁B号线总长为291.32 m，站台有效宽度为12 m。地铁车站办公区也设置在负一楼，在换乘站东北角。

1.2 测点布置及仪器选用

本次测试中采集仪采用德国Head 公司SQuadrigaⅢ数据采集仪，采用ArtemiS 数据采集分析软件分析数据，采用941B 加速度传感器和DH610V加速度传感器，如图1所示。

图1 振动测试设备

在换乘站测试中主要布置了3个测试断面。共选取9 个测点S1～S9。S1～S4测点位于负一楼垂直于地铁A 号线列车运行方向，分别距离地铁A 号线线路中心线5.3 m、9.3 m、13.3 m 及17.3 m，S1、S3测点位于柱脚；S2、S4测点位于梁跨中位置；S5～S8测点位于负二楼垂直于地铁B 号线列车运行方向，因测试期间，地铁B 号线列车进站出站都在下行线上运行，因此，测点S5设置于下行线玻璃墙旁；测点S6位于柱脚，在负一楼测点S1正下方；测点S7位于负二楼站台中部；测点S8位于框架柱旁，S5～S8分别距B号线下行中心线1.7 m、3.7 m、7.7 m及11.7 m。测点S9位于负一楼办公区休息室内，休息室是平时供工作人员休息、就餐的场所。振动测点的位置及数量能准确反映地铁列车进出站时楼层的振动特性，S1～S8每个测点处放置两个方向的拾振器(Z为垂直方向，X为顺轨方向)，测点S9处仅放置Z方向的拾振器，测点布置如图2所示。

图2 测点布置图

A 号线路车型为L 型列车，编组为4 组，总长70 m；B 号线路车型为B 型列车，编组为6 组，总长120 m。在负一楼和负二楼测点处各自独立进行测试，在处理数据时，将地铁列车进出站同一时刻的振动加速度数据进行归纳整理，每个测点处测了22组的数据，根据波形完整、无干扰无畸形的原则，分别选取10 组列车进、出站有效车次进行时域、频谱、1/3倍频程加速度级分析及Z振级分析。

2 站台振动响应分析

2.1 负一楼振动分析

本节测试了多组地铁A号线列车进、出车站时所引起的地面垂向、水平振动加速度数据，选取其中一组典型数据进行对比。图3至图6给出了负一楼柱边测点S1与梁跨中测点S3在列车进、出站时垂向、水平加速度时域与频谱曲线，可知：

图3 列车进站时垂向加速度时程与频谱

图4 列车进站时水平加速度时程与频谱

图5 列车出站时垂直加速度时程与频谱

图6 列车出站时水平加速度时程与频谱

(1)在列车进站制动工况下，测点S1和S3的垂向加速度峰值分别为0.079 m/s2和0.054 m/s2，水平加速度峰值分别为0.048 m/s2和0.023 m/s2，垂向加速度幅值明显大于水平加速度，进站工况下列车一开始所引起的垂向、水平振动加速度最大，随着车速逐渐降低，振动加速度幅值逐渐减小，在列车最后停止前那一段时间，振动加速度经历短暂骤增再减小的过程。测点振动加速度幅值随着与线路中心线垂直距离增大而明显降低。

(2)在列车出站启动工况下，测点S1和S3的垂向加速度峰值分别为0.19 m/s2和0.126 m/s2，水平加速度峰值分别为0.08 m/s2和0.063 m/s2，垂向加速度幅值显著大于水平加速度，且列车出站启动所引起的振动加速度明显大于列车进站制动所引起的振动加速度，列车出站启动时所引起的垂向、水平振动加速度在前几秒内经历较小骤增然后减小的过程，再随着列车速度增大而逐渐增加到峰值。

(3)列车进、出站工况下，测点S1和S3垂向振动响应在频谱上主要分布在25 Hz～50 Hz 和90 Hz～140 Hz频段上；其水平振动响应主要分布在90 Hz～120 Hz 频段，测点振动响应随距线路中心线的增大而减小，垂向振动响应幅值显著大于水平向。

2.2 负二楼振动分析

图7 至图10 给出了地铁B 号线列车在进、出站工况下负二楼门边测点S5和柱边测点S8垂向、水平加速度时域与频谱曲线，可知：

图7 列车进站时垂向加速度时程与频谱

图8 列车进站时水平加速度时程与频谱

图9 列车出站时垂向加速度时程与频谱

图10 列车出站时水平加速度时程与频谱

(1)在列车进站制动工况下，测点S5和S8的垂向加速度峰值分别为0.107 m/s2和0.045 m/s2；水平加速度峰值分别为0.034 m/s2和0.019 m/s2，垂向加速度幅值略大于水平加速度，负二楼垂向加速度大于负一楼垂向加速度，负二楼水平加速度大于负一楼水平加速度。列车出站启动工况下，测点S5和S8的垂向加速度峰值分别0.166 m/s2和0.081 m/s2；水平加速度峰值分别为0.039 m/s2和0.035 m/s2，垂向加速度大于水平加速度，负二楼垂向、水平加速度小于负一楼。

(2)进站制动工况下各测点的垂向、水平加速度振动响应在频谱上主要分布在25 Hz～50 Hz 和100 Hz～140 Hz 两频段上。出站启动工况下，垂向、水平振动响应主要分布在75 Hz～150 Hz频段上，测点的垂向振动响应峰值随着到振源距离的增大而向低频偏移，测点S5水平振动响应在主频段小于测点S8的振动响应，在其它频段大于测点S8的振动响应。

3 Z振级分析

3.1 竖向振动衰减规律

为研究换乘站振动沿柱方向衰减规律，采集负二楼地铁B 号线列车出站工况下测点S1和S6的垂向、水平加速度，采用1/3 倍频程及插入损失进行分析。

振动加速度级记为La，单位为分贝（dB）。

其中：a为振动加速度有效值，m/s2；a0为基准加速度，a0=10-6m/s2。

图11 为两测点的垂向、水平1/3 倍频程图，可知：同楼层测点垂向振动加速度级大于水平加速度级，且振动加速度级在不同中心频率处大小、趋势相同；负二楼测点S6在4 Hz～31.5 Hz频段加速度级递增，在31.5 Hz～50 Hz频段略微衰减，在50 Hz～100 Hz频段加速度级逐渐增加并在100 Hz出现峰值，垂向最大加速度级为77.06 dB，水平最大加速度级为73.53 dB，之后逐渐降低。负一楼测点S1垂直、水平加速度级在4 Hz～80 Hz频段增加，在80 Hz以后减小，在中心频率80 Hz处出现最大值，垂向最大加速度级为59.58 dB，水平最大加速度级为53.64 dB。

图11 楼层1/3倍频谱

采用分频段插入损失比分析楼层竖向振动衰减，分频段插入损失比公式为

式中：ηi为负二楼与负一楼第i个1/3 倍频段的插入损失比；Ti为负二楼第i个1/3倍频段振动加速度级；Bi为负一楼第i个1/3倍频段振动加速度级。

图12 为负二楼与负一楼分频段插入损失比垂向、水平对比，可得：在4 Hz～6.3 Hz 和50 Hz～63 Hz 频段上，垂向加速度插入损失比大于水平加速度，在8 Hz～50 Hz 和63 Hz～200 Hz 频段上，垂向加速度插入损失比小于水平加速度，垂向最大插入损失比为0.25，水平最大插入损失比为0.29。

图12 负二楼-负一楼插入损失比

3.2 横向振动传播规律

为掌握地铁换乘站各楼层振动分布情况，基于实测数据分析地铁振动沿楼板的传播规律。图13分别为负一楼、负二楼各测点的垂向振级随距离的变化曲线。Z 振级分析中，通过将测试数据按ISO2631/1—1997规定的频率计权曲线Wk计权修正得到Z振级。

图13 Z振级拟合曲线

对负一楼、负二楼的Z振级进行线性拟合，结果如表1 所示。y为Z 振级，x为到振源距离。可得：Z振级拟合曲线公式的拟合度分别为0.78 和0.83，拟合良好，其中负一楼截距为88.05，负二楼截距为82，列车引起的振动响应随着垂直轨向距离的增加而线性衰减，负一楼振源所引起的振动线性衰减率为0.3 dB∙m-1，负二楼振源所引起的振动线性衰减率为0.91 dB∙m-1，负二楼楼板振动衰减比负一楼楼板快，沿柱方向水平振动衰减大于垂向振动衰减。

表1 加速度级拟合公式

4 办公室振动响应分析

为分析地铁A号线列车进出站工况下办公区休息室的振动特性，鉴于影响人体舒适度的频率范围在0～80 Hz 频段上，对实测数据进行频谱、1/3 倍频程分析时只考虑前80 Hz以下。图14为地铁A号线上行线出站启动、下行线进站制动工况及背景振动的时程图，通过选取典型的各10趟地铁列车进站和出站时段上所引起的振动及背景振动，采用1/3倍频程进行分析，图15为相对应的1/3倍频程图。可知：

图14 休息室振动加速度时域图

图15 休息室1/3倍频程图

(1)列车出站工况下所引起的办公室休息区振动加速度峰值为0.005 m/s2，列车进站工况下的振动加速度峰值为0.006 6 m/s2，背景振动加速度峰值为0.001 2 m/s2，其振动加速度大小特征相似于站台测点处。

(2)进出站时的加速度级大小相似，2 Hz～4 Hz的振动加速度级主要是背景振动造成的，其为地铁车站内机器设备正常工作所产生的，列车进出站引起的振动主要频率范围在20 Hz～50 Hz 和63 Hz～80 Hz 频段，进站工况下的主要振动频率在31.5 Hz或80 Hz处，峰值为44.98 dB～47.69 dB，出站工况下在80 Hz 上出现最大振动加速度级，为45.18 dB～48.73 dB。进站工况下的平均振级为64.12 dB，出站工况下的平均振级为60.87 dB，小于标准GB 10070－1988《城市区域环境振动标准》中对于线路两侧文教区所规定的振动限值70 dB，满足规范要求。

5 结语

(1)同层地铁列车进出站工况下测点垂向加速度大于水平加速度；出站工况下的振动加速度幅值大于进站工况下；负一楼楼板振动响应大于负二楼地板振动响应。列车进站制动工况下，加速度先骤增到峰值再逐渐减小，最后有小段加速度小幅度骤增再减的过程；列车出站启动工况下，一开始加速度有小段增大再骤减、再逐渐增大到峰值的过程，进出站时列车加速度分两个阶段。在频谱上，无论哪种工况，其振动响应主要频段为20 Hz～50 Hz和80 Hz～150 Hz。

(2)列车引起的振动响应随着垂直轨向距离的增加而线性衰减，负一楼振源引起的振动的线性衰减率为0.3 dB∙m-1，负二楼振源引起的振动的线性衰减率为0.91 dB∙m-1，负二楼楼板振动衰减比负一楼楼板快，沿柱方向水平振动衰减大于垂向振动衰减。

(3)办公区休息室的加速度级在列车进出站时大小相似，2 Hz～4 Hz 上的振动加速度级主要由地铁车站内机器设备正常工作时发生的振动所导致的，列车进出站引起的振动响应主要集中在20 Hz～50 Hz 和63 Hz～80 Hz 频段，进站工况下在31.5 Hz或80 Hz处有最大值，为44.98 dB～47.69 dB，出站工况下在80 Hz处出现最大振动加速度级，为45.18 dB～48.73 dB。进站工况下的平均振级为64.12 dB，出站工况下的平均振级为60.87 dB，小于标准GB 10070－1988《城市区域环境振动标准》中对于线路两侧文教区所规定的振动限值70 dB，满足规范要求。