黄土地区高速铁路路基环境振动现场测试分析

张永福,李 斌,白广明,罗贯霄,范祥辉,刘 花,张文强

(1.兰州交通大学土木工程学院,兰州 730070； 2.杨凌职业技术学院交通与测绘工程分院,陕西咸阳 712100；3.中铁一局集团有限公司,西安 710054)

近年来，随着高速铁路的快速发展，高速铁路给人们的日常生活带来了诸多便利，但同时也产生了一些负面影响，如环境振动。高速列车引起的沿线环境振动问题已经受到越来越多部门和学者的重视。美国联邦铁路运输部门通过分析振动的传播规律和铁路的环境振动源，对高速铁路引起的振动和噪声提出了新的评估方法。马莉[1]结合项目“武广高速铁路联调联试长沙南站振动噪声试验”，研究了高速列车通过高架车站时对候车厅环境的影响。夏禾等[2]实测了北京地铁5号线高架桥上运行列车对周边的环境振动，得出地面横向振动的衰减规律。马利衡等[3]通过现场试验和数值分析的方法，分析了沪宁城际高速铁路路堤段的周边地面振动特性。李小珍等[4]在津秦高铁32 m简支梁桥区段对桥上列车高速运行时引起的地面振动进行了现场试验研究。陈洪运等[5]利用试验研究和数值分析的方法，研究了高铁滨海北站路基段的环境振动特性和衰减规律。王祥秋等[6]测试分析了武广高铁金沙洲路段的环境振动以及周围建筑物的二次振动。马骙骙，李斌等[7-8]通过建立列车-轨道-地基系统模型，结合宝兰高铁实测数据，分析研究了覆盖层厚度和覆盖层与下卧层模量比对地面振动的影响规律。随着我国深入实施《中长期铁路网规划》(2016—2030)及新时代西部大开发战略，西北黄土地区的高速铁路建设迎来了广阔的发展前景，黄土地区的铁路环境振动问题也比较突出[9]。纵观国内外学者对铁路环境振动问题的研究，针对黄土地区高速铁路路堤段和路堑段环境振动的现场测试及两者的对比分析较少。

因此，以宝兰高铁K933+110处路堤段和K1002+170处路堑段为工程背景，现场实测高速列车通过路堤和路堑时的周边地面垂向振动响应，并将响应数据从时域、频域和振级方面进行对比分析与评价，以期为黄土地区高速铁路路基段隔振减振机理的建立和减振措施的研发提供帮助。

1 试验概况

1.1 线路特征与列车条件

宝兰高铁线路全长400.644 km，设计速度为250 km/h，轨道结构形式为CRTSⅠ 型双块式无砟轨道。路堤段和路堑段的测试断面分别位于里程K933+110处和K1002+170处，测试区周边地势平坦，地面坚实，环境干燥，无其他振动源，测试条件符合TB/T 3152—2007《铁路环境振动测量》要求。两处测试场地的地层岩性均以第四系风积砂质黄土为主，无地表水[10-11]。图1(a)和图1(b)分别为高速列车通过路堤段和路堑段的测试现场。

图1 高速列车通过时的测试现场

此次现场试验在路堤段和路堑段共采集了50列高速列车通过时的地面垂向振动加速度数据，其中路堤段30列，路堑段20列，列车型号有CRH5G、CRH2G、CRH380B等，列车运行速度在200～245 km/h之间。

1.2 测量仪器

现场测试采用的仪器为INV3062T型24位采集仪，其工作模式为FPGA、DSP、ARM三CPU协同工作，同时配有4个24位高精度AD采集通道，在进行现场测试时配有加速度传感器和速度传感器。研究铁路振动问题一般以铅垂向振动为主，所以现场设置垂向加速度传感器，采样频率为1 024 Hz，采集仪器如图2所示。

图2 采集仪器

1.3 测点布设

根据现场实际情况和《铁路环境振动测量》中测点布设原则和要求[12-15]，在路堤段，测点距铁路外轨中心线最近为10 m，最远为42 m，各测点位置如图3所示。在路堑段，测点距铁路外轨中心线最近为12.5 m，最远为40 m，各测点位置如图4所示。

图3 路堤段试验测点布置断面(单位：m)

图4 路堑段试验测点布置断面(单位：m)

2 试验结果分析

前期对比分析了50列高速列车通过测试区间时的振动信号，发现不同车次所产生的振动加速度具有很高的相似性。限于篇幅，选取编组为8节车厢，全长211.5m的CRH5G列车的测试数据进行研究分析，该列车通过路堤段和路堑段试验区间时的速度均约为230 km/h，列车运行方向为兰州—西安(近轨通过)。

2.1 时域分析

为分析黄土地区高速铁路路堤段和路堑段周边环境振动特性，CRH5G动车组通过路堤段和路堑段时的垂向振动加速度时程曲线分别如图5和图6所示，并将路堤段和路堑段距铁路外轨中心线不同距离处的地面垂向振动加速度峰值进行了对比，如图7所示。

图5 路堤段垂向加速度时程曲线

图6 路堑段垂向加速度时程曲线

图7 不同距离处峰值加速度变化规律

路堤段和路堑段测点1处的垂向加速度峰值量级为10-1，而测点1处的背景振动加速度峰值量级为10-3，两峰值相差2个数量级，说明外界干扰对现场测试结果影响很小，保证了测试结果的有效性。在距铁路外轨较近范围内，列车通过测试断面的总时间(t)与列车运行速度(v)和列车总长(L)有关，本文中L为211.5 m，v为230 km/h，则总时间为：t=L/v=3.31 s。由图5(a)和图6(a)可知，计算振动持续时间与实测振动持续时间较吻合，说明测试数据的正确性。

从图5(a)和图6(a)可看出8个明显的加速度峰值，这是由8节车厢的周期性加载所引起。随着距铁路外轨中心线的距离越来越大，加速度周期性峰值越来越不明显，振动持续时间逐渐变长，图5(d)和图6(d)中已经观测不到这种周期性峰值，且列车经过时的地面振动与背景振动较接近，说明距铁路外轨中心线40 m附近的地面垂向振动已经变得特别小。

由图7可知，随着距铁路外轨中心线的距离增加，路堤段和路堑段的周边地面振动加速度峰值均减小。路堤段在距铁路外轨中心线10～30 m范围内垂向振动加速度衰减迅速，30 m之后振动加速度衰减变缓；路堑段在距铁路外轨中心线12.5～20 m范围(即路堑坡面)垂向振动加速度衰减迅速，20 m之后(路堑顶部)振动加速度衰减变缓，且同一测点范围内路堑段的周边地面振动加速度始终高于路堤段的周边地面振动加速度。这是由于当振源产生的面波和体波传至路堑边坡坡脚时，边坡坡脚各点将作为新的振源，新振源立即产生新的振动沿坡面传递。

2.2 谱分析

谱分析可以反映振动能量的分布情况和振动频率的成分。现将路堤段和路堑段各测点的垂向加速度时程数据进行FFT(快速傅里叶变换)运算，得到路堤段和路堑段的加速度频谱曲线，分别如图8和图9所示。

图8 路堤段地面测点振动加速度频谱曲线

图9 路堑段地面测点振动加速度频谱曲线

由图8和图9可知，随着距铁路外轨中心线的距离增大，路堤段和路堑段周边地面的振动频率从40 Hz以上的高频向10～20 Hz的低频衰减，地面振动加速度幅值亦随之降低。在路堤段，距铁路外轨中心线10～30 m范围内地面振动频率在3～96 Hz之间，其中能量较集中的主频约为10，21，42 Hz和95 Hz，而距铁路外轨中心线30～40 m范围内，地面振动频率仅在3～11 Hz之间，能量较集中的主频约为10 Hz；在路堑段，距铁路外轨中心线12.5～40 m范围内地面振动频率在3～95 Hz之间，其中12.5 m处有85～95 Hz的高频成分，但含量较少，能量较集中的主频约为20 Hz和43 Hz，在40 m处，能量较集中的主频约为18 Hz，主峰18.4 Hz周围出现多个大小较为接近的次峰，说明在该位置振动能量较离散。ISO.ISO2631—2[16]指出可用运用公式(1)计算列车加载频率，即

f=v/L

(1)

式中，f为频率，Hz；v为速度，取63.9 m/s；L为长度，m。CRH5G列车的固定轴距L1=2.7 m，车辆定距L2=19 m，相邻车辆前后转向架间的距离L3=7.825 m，轨枕间距L4=6.5 m。采用公式(1)计算得到f1=23 Hz，f2=3.3 Hz，f3=8.2 Hz，f4=98.3 Hz。说明图8和图9中出现的10 Hz和20 Hz左右的主频为轮轴的加载频率，大小与轴重、列车运行速度、列车固定轴距和相邻车辆前后转向架间距离有关，90 Hz左右的主频与轨枕间距相关。

YU Hongbiao，WANG K W[17]将轮轨不平顺激励作用下产生的轮轨力进行简化处理，得出了轮轨力峰值频率fp的计算公式

(2)

式中，EI为钢轨抗弯刚度，取6.76×106N·m2；S为钢轨支承刚度，取3×107N/m；kH为线性化的轮轨赫兹接触弹簧刚度，取1.35×109N/m；mw为单轮质量，取1 000 kg。通过公式(2)计算得到试验中轮轨力的峰值频率约为40 Hz，说明图8和图9中出现的40 Hz左右的主频对应于轮轨力的峰值频率。

2.3 1/3倍频程

在振动测试分析中，常采用1/3倍频程进行频带划分，1/3倍频程可以用较少的数据点来描述振动加速度随频率的变化情况，具有频带宽、谱线少的特点。本文中路堤段和路堑段周边地面振动的1/3倍频程谱曲线分别如图10、图11所示。

图10 路堤段1/3倍频程曲线

图11 路堑段1/3倍频程曲线

由图10和图11可知，随着距铁路外轨中心线的距离增加，40 Hz以上的高频成分衰减速率较快，10～20 Hz的低频成分衰减缓慢。这是因为高频振动增加了质点的振动次数，使得质点间摩擦所消耗的能量增加，地面振动频率从高频向低频靠近，低频振动在土体中传播更远，说明黄土对高频振动具有高阻尼效应。

由1/3倍频程曲线可知，各频段的振动加速度幅值均随着距铁路外轨中心线距离的增大而减小，路堤段的主频带为8～12.5 Hz，16～25 Hz，31.5～50 Hz和80～90 Hz，出现在距铁路外轨中心线10～30 m范围内；路堑段的主频带为12.5～25 Hz，31.5～50 Hz和60～90 Hz，出现在距铁路外轨中心线10～20 m范围内，频带为60～90 Hz的含量少，这与谱分析结果相吻合。

2.4 Z振级分析

选用TB/T 3152—2007[18]规定的Z向计权因子修正后的振动加速度级作为衡量铁路环境振动问题的标准，对黄土地区高速列车诱发的路堤段和路堑段周边环境振动进行定量的分析与评价[19-20]，图12和图13给出了路堤段和路堑段不同测点处Z向振动加速度级的变化规律。提取图12和图13中不同距离处的最大Z振级，绘制出路堤段和路堑段距铁路外中心线不同距离处最大Z振级变化规律，并将变化规律进行了曲线拟合，如图14所示。我国GB10070—88《城市区域环境振动标准》中将80 dB作为“铁路外轨30 m外两侧”区域的垂向Z振级限值。

图12 路堤段不同距离处Z振级变化曲线

图13 路堑段不同距离处Z振级变化曲线

图14 不同距离处Z振级变化规律

由图12和图13可得，路堤段距铁路外轨中心线10 m范围内振级超出80 dB，Z振级最大值为82.04 dB，出现在频率为40 Hz处；路堑段距铁路外轨中心线12.5m范围内振级超出80 dB，最大值出现在频率为20 Hz和40 Hz处，对应振级分别为83.92 dB和81.93 dB，Z振级符合《城市区域环境振动标准》中的限值要求。从图14可以看出，随着距铁路外轨中心线距离的增大，路堤段和路堑段周边地面的Z振级衰减特性呈对数规律。路堤段和路堑段距铁路外轨中心线10～30 m范围内，Z振级衰减较快，30 m以外范围，Z振级衰减趋于平缓，说明在实际现场，时速230 km/h列车经过路堤段和路堑段时，对距铁路外轨中心线30 m以外范围的Z振级影响不明显。同时，在距铁路外轨中心线相同范围内，路堑段Z振级高于路堤段。

3 结论

结合黄土地区宝兰高铁路堤段和路堑段的周边地面振动实测数据，并将实测数据进行时域和频域的对比分析，得出以下结论。

(1)黄土地区路堤段和路堑段分别距铁路外轨中心线10 m和12.5 m范围内，地面振动信号出现由机车车辆周期性加载引起的周期性峰值，随着距离的增大，这种周期性峰值越来越不明显。在距铁路外轨中心线相同范围内，路堑段周边地面振动强度始终高于路堤段。

(2)随着距铁路外轨中心线的距离增加，黄土地区路堤段和路堑段周边地面40 Hz以上的振动频率衰减快，10～20 Hz的振动频率衰减慢，各频段的振动加速度幅值均随着距铁路外轨中心线距离的增大而减小。

(3)黄土地区路堤段和路堑段出现的约40 Hz主频与轮轨力峰值频率对应；出现的约10 Hz和20 Hz的主频与轴重、列车运行速度、列车固定轴距和相邻车辆前后转向架间距离有关；出现的约90 Hz的主频与轨枕间距有关。

(4)随着距铁路外轨中心线距离的增大，黄土地区路堤段和路堑段周边地面的Z振级衰减特性呈对数规律。距铁路外轨中心线相同范围内，路堑段周边地面Z振级始终高于路堤段。