长春地铁7号线列车运行对沿线某精密仪器场区的振动预测

倪景峰，李 莉

（长春市轨道交通集团有限公司，长春 130000）

随着城市轨道交通线网密度的增加，地铁车辆在运营过程中对周围环境的影响日益凸显，特别对于地铁沿线已布置的既有精密仪器，其振源与精密仪器的位置关系、传递介质有着直接关系[1-5]。在可研阶段，精密仪器所在区域的振动影响对线路选择至关重要，因此在地铁未运营前就需对评估区域进行振动预测。针对列车振动对目标场区的影响问题，刘卫丰等结合现场振动实测，对北京地铁4号线列车运行引起的振动对北京大学物理实验室内精密仪器的影响问题进行了研究，并对地铁4号线隧道内浮置板轨道的减振效果进行了探讨[6]；李宇东等以西安地铁2、6号线交叉通过钟楼案例为背景，提出通过数值计算与现场测试相结合进行复杂交通环境下古建筑微振动响应的预测方法，并给出应用实例[7]。以上研究均对列车运营状态下目标场区的振动影响提出了预测方法。

前期研究通过在长春地铁1号线及2号线[8-9]分别选取了地质条件、线路条件及轨道条件均较为类似的4处断面进行了振动加速度、振动速度及振动位移的测试，分析了在相同地质条件下，不同埋深，不同水平距离的振动对地表结构的影响，以期判断7号线[10-13]运营状态下车辆运行对某精密仪器厂区的振动影响是否合理，并为今后高敏感区的振动预测提供技术参考。

1 测试概况

预测区为7号线盾构区间下穿一汽地块，在K25+300位置邻近一汽冲压车间，区间外轮廓与车间最小水平距离约为50 m，区间覆土为16.5 m，车间内的压力机等精密仪器对振动较为敏感。结合预测目标的特征，应满足VC-A曲线规定的振动测度限值，同时依据GB 50868—2013《建筑工程容许振动标准》，考虑振动加速度及振动位移的控制标准，线路运营开通后应满足以下振动限值见表1。

表1 振动测试内容及限值Table 1 Contents and limits of vibration test

1.1 测试仪器

本次振动测试采用的仪器设备主要有振动传感器(见图1)和激光测距仪(见图2)。振动采集设备为INV9580A无线数据采集仪，是一种双通道24位双核分布式采集仪，采集器与传感器一体化设计，支持仪器内部的数据不间断采集与存储，可以通过选择不同档位实现不同量程的振动位移、振动速度及振动加速度采集，频响范围为0.17～100 Hz。

图1 测试用振动传感器 Figure 1 Vibration sensor for testing

图2 测试用激光测距仪 Figure 2 Laser rangefinder for testing

1.2 测试断面

本次振动测试选取了长春轨道交通1号线、2号线3个测试断面，测试区间均为盾构隧道区间，具体测试信息见表2。

表2 振动测试断面和地质情况Table 2 Vibration test section and geological conditions

1.3 测点布置

根据相关标准以及以往测试经验，同时结合现场的实际道路、建筑的实际布局，最终选取了以下位置布置振动传感器测点：

1)近轨隧道地表中心线0 m位置；

2)距离近轨隧道地表中心线25 m位置；

3)距离近轨隧道地表中心线50 m位置。

其中，近轨侧为双线线路中靠近传感器一侧的隧道中心正上方，远轨侧为双线线路另一股线路，同一断面处的近轨、远轨侧轨道结构相同。典型断面布置情况如图3所示，不同测试断面及预测断面的相对埋深位置关系如图4所示。

图3 水平距离测点布置 Figure 3 Layout of horizontal distance measuring points

图4 普通轨道测试断面区间隧道埋深 Figure 4 Buried depth of common track test section tunnel

2 测试结果及分析

给出了各断面在地铁通过时不同测点位置的10次有效测试结果，通过将时程结果转化至频域，得到各个测点在频域上的振动位移、振动速度及振动加速度结果。通过将振动位移(P-P)、振动速度及振动加速度的频域结果与给定的限值进行对比，分析各个测点的振动情况。其中振动加速度幅值为10～50 Hz内的最大值统计结果；振动速度峰值为4～80 Hz内的最大值统计结果；振动位移幅值为1～10 Hz内的最大值统计结果。选取每次列车通过时程内各个评价指标的最大值，并将10次测试获得的样本进行统计分析。

2.1 各断面加速度指标

表3给出了每次速度有效测试10～50 Hz最大值的均值统计结果，所有统计结果满足标准限值。图5 给出了不同断面、不同测点位置的加速度最大值样本的均值及标准差。

表3 各断面10～50 Hz加速度最大值的平均值Table 3 Mean of maximum acceleration of each section between 10 Hz and 50 Hz m/s2

由图5可以看出，不同水平距离条件下，2号线两个测试断面的加速度在25 m测点处最大，说明在某一水平距离范围内，10～50 Hz频带内的加速度最大值随着距离的增加并不呈现一致的衰减特征，甚至会出现放大区域；对比断面2及断面3，在同一线路间隔较小的两个测试断面，地层条件基本一致，此时埋深越大，地表振动加速度越小。

图5 10～50 Hz加速度最大值样本统计结果 Figure 510～50 Hz acceleration maximum samples statistical results

然而，对比1号线的两个测试断面，在远场处，埋深更大的浮置板轨道测试断面4的加速度统计结果甚至高于断面1的振动加速度响应。因此，在通过经验对比预测敏感目标振动响应时，埋深的变化也需要重点考虑。

2.2 各断面速度指标

表4给出了每次速度有效测试4～80 Hz最大值的均值统计结果，所有统计结果满足标准限值。图6给出了不同断面、不同测点位置的速度最大值样本的均值及标准差。

表4 各断面4～80 Hz速度最大值的平均值Table 4 Mean of maximum velocity of each section between 4 Hz and 80 Hz m/s

由图6可以看出，不同水平距离条件下，2号线两个测试断面的加速度在25 m测点处仍出现放大现象；对比断面2及断面3，除了25 m测点处，埋深较大的断面2地表速度较小。断面1的振动速度统计结果随着距离增加衰减明显。断面4的振动速度衰减并不显著，这是由于浮置板轨道存在较低频的自振频率，对地表振动响应导致低频振动放大，在4～80 Hz内的最大值往往出现其自振频率处，同时随着距离增加低频振动衰减较慢，因此断面4的速度随着距离增加衰减并不明显。

图6 4～80 Hz速度最大值样本统计结果 Figure 6 Statistical results of maximum samples of 4–80 Hz velocity

2.3 各断面位移指标

表5给出了每次位移有效测试1～10 Hz最大值的均值统计结果，所有统计结果满足标准限值。图7给出了不同断面、不同测点位置的位移最大值样本的均值及标准差。

表5 各断面振动1～10 Hz位移最大的平均值Table 5 Mean of maximum vibration displacement amplitude of each section between 1 Hz and 10 Hz μm

由图7可以看出，4个测试断面1～10 Hz内位移的统计结果均表现为一致的衰减特征，且随着距离增加衰减幅度下降。

图7 1～10 Hz位移最大值样本统计结果 Figure 7 Statistical results of maximum samples of 1–10 Hz displacement

3 目标振动影响预测评价

根据7号线区间对应的精密仪器区位置(水平距离50 m，埋深16.5 m)，结合前面的类似地质条件下，不同埋深不同距离的加速度、速度与位移统计分析结果，分别采用断面1~断面2线性内插经验类比预测(方法1)、断面2~断面3线性内插经验类比预测(方法2)，及断面1~断面3线性外推经验类比预测(方法3)，给出敏感目标所在位置及对应测试点的加速度、速度与位移预测结果，如图8所示。

图8 预测结果对比 Figure 8 Comparison of prediction results

显然通过线性内插获得的预测结果具有较强的一致性，且所有预测指标均未超过标准限值。采用线性外推方法的预测数据与内插获得的速度及位移预测结果相差接近一倍。

4 结论

通过现场测试分析长春轨道交通1、2号线相似断面的振动传播规律，预测分析长春轨道交通7号线对沿线精密仪器场区的影响。

1)地质条件一致情况下，不同埋深条件下，行车振动加速度影响随着埋深增加而逐渐降低；在某一水平距离范围内，行车振动加速度及速度有放大区域；不同断面，位移响应的统计结果随着距离的增加一致降低。

2)类比测试结果，采用不同方法对敏感目标的振动响应进行了预测。预测结果显示，加速度、速度与位移预测值未超标准限值，且采用内插方法获得的预测结果具有较强的一致性。因此，在类比预测敏感目标环境振动响应时，应充分考虑类比断面的可参照性，并推荐采用内插方法进行振动预测。