城市轨道交通不同车速引起地面振动特性研究

杨伟挺，王安斌，高晓刚，鞠龙华 YANG Weiting, WANG Anbin, GAO Xiaogang, JU Longhua

（上海工程技术大学 城市轨道交通学院，上海 201620）

伴随城市建设规模的扩大，城市轨道交通具有运量大、安全可靠、运行准时、不占用地面等优点，但城市轨道交通运营过程中出现的环境问题也引起了人们的重视与关注，其中市民反映最为强烈和集中的是城市轨道交通产生的振动和噪声问题，振动和噪声不但对人们的生活环境和工作环境产生了许多不利的影响，而且运营引起的结构振动还通过周围地层向外传播，进一步诱发地面建筑物的二次振动和辐射噪声，该问题受到国内外学者广泛关注。

研究结果表明，铁路交通引起环境振动属于低频振动，地面振动传播特征与土层类型、距离建筑物的距离等有关。孟鑫等对重载铁路沿线在货物列车通过时引起的地面振动进行现场试验研究，比较分析了地面振动衰减特性；侯晋等对城市轨道交通运行线路周边的振动环境进行了测试分析，比较分析了列车速度、轨道埋深、距离及周边环境对轨道交通引起的地面振动的影响，测试得到列车通过时传递到地面振动能量主要集中在50～80Hz；郑鑫等对城市轨道交通引起的环境振动竖向位移衰减关系中局部放大现象的产生机理进行了研究，马蒙等也对轨道交通振动产生地表局部放大现象原因进行分析研究。

本文研究城市轨道交通不同运行速度对地面振动的影响，选择了两种不同的道床条件，对某城市轨道交通运营线路进行不同速度跑车试验研究，分析比较不同道床条件下城市轨道交通运行速度变化时地面振动的衰减特性及频率特征，为后续进一步对城市轨道交通振动噪声治理研究提供参考依据。

1 现场测试试验

选择了三个测试区间，分别为B 型钢弹簧浮置板、A 型钢弹簧浮置板和双层非线性扣件减振道床三种类型，列出跑不同车速分别测地面不同位置的振动加速度，如表1 所示。行车需满足以下要求：采用“拉风箱”式行车方式，在各截面里程前后各200m 范围内保持匀速通过，5 种匀速运行速度包括10km/h、20km/h、40km/h、60km/h 和70km/h，每种运行速度运行5 次，完成该区间测试任务。

表1 测试截面参数

地面振动测试主要测试隧道中心线正上方地面0m 垂向和横向加速度，15m 垂向加速度，30m 垂向加速度，其示意图如图1 所示。

图1 地面加速计位置图

测试系统由高精度NI 便携式振动噪声采集仪、PCB 加速度传感器组成，加速度传感器量程为0.5g，测试前使用加速度校准仪对传感器进行校准工作，振动分析频率为4～200Hz。

2 不同速度下地面振动分析

2.1 A 型钢弹簧浮置板地面振动分析

测量截面曲线半径R=450m，图2、图3 和图4 分别为不同速度运行条件下地面距离隧道正上方0m、15m、25m 垂向振动振动加速度1/3 倍频程频谱图，不同速度地面振动总振级如图5 所示。图中“10km/h”代表时速为10km/h 车通过时地面的振动水平，其它类同。表2 为各速度段隧道壁加速度总振动级。

表2 地面各速度段总振动加速度级 单位：dBZ

图2 地面0m 处垂向振动1/3 倍频程频谱图

图3 地面15m 处垂向振动1/3 倍频程频谱图

图4 地面25m 处垂向振动1/3 倍频程频谱图

图5 地面不同速度总振级图

由图2 至图5 分析可知：该断面上方地面0m 和15m 处测点垂向振动加速度Z 振级的1/3 倍频程图变化趋势大致一致，在8Hz 和50Hz 处有共振峰值。该断面地面振动在50～125Hz 频段处于下降趋势。该断面上方地面15m 处的垂向振动大于0m 处的垂向振动，0m 处垂向振动大于横向振动。垂下振动方向存在局部放大现象。

2.2 B 型钢弹簧浮置板地面振动分析

测量截面曲线半径R=350m。图6、图7 和图8 分别为测试截面不同速度运行条件下地面距离隧道正上方0m、15m 和30m垂向振动振动加速度1/3 倍频程频谱图，不同速度地面振动总振级如图9 所示。图中“10km/h”代表时速为10km/h 车通过时地面的振动水平，其它类同。表3 为各速度段隧道壁加速度总振动级。

表3 地面各速度段总振动加速度级 单位：dBZ

图6 地面0m 处垂向振动1/3 倍频程频谱图

图7 地面15m 处垂向振动1/3 倍频程频谱图

图8 地面30m 处垂向振动1/3 倍频程频谱图

图9 地面不同速度总振级图

由图6 至图9 分析可知：该断面上方地面0m 和15m 处测点垂向振动加速度Z 振级的1/3 倍频程图变化趋势大致一致，在50Hz 处有共振峰值。该断面地面振动在50～200Hz 频段处于下降趋势。该断面上方地面15m 处的垂向振动大于0m 处的垂向振动，该区间同样存在地面振动局部放大现象。

在以上两个测试断面的分析中发现，地面上距离隧道中心15m 位置的振动较隧道正上方0m 位置大。从振动频谱特性上分析，主要是由于地面振动在50Hz 的振动峰值增大造成的。从振动传播特性上分析，列车振动经道床结构传递到隧道结构上，再由隧道结构向周围地层传播。这种振动的传递与隧道结构和地层之间的接触状态也有很大关系。一般来说，隧道结构与地层相比，起主导作用的还是地层条件。取决于地层是软土，还是洪冲积地层，还是软硬互层的风化岩石。地层与隧道结构的动态刚度差异决定着列车振动波由隧道传递到地层的频率组成和强弱。同时，在0m 和15m 等近场测点位置，线路不同振源应视为复杂的三维源，所以地面15m 位置出现振动放大作用，是由线路条件与隧道周围岩层地质条件相互作用所造成的振动放大现象。

2.3 双层非线性扣件减振道床地面振动分析

测试截面曲线半径为R=450m。图10、图11 和图12 分别该截面不同速度运行条件下地面距离隧道正上方0m、15m 和30m 垂向振动振动加速度1/3 倍频程频谱图，不同速度地面振动总振级如图13 所示。图中“10km/h”代表时速为10km/h 车通过时地面的振动水平，其它类同。表4 为各速度段隧道壁加速度总振动级。

表4 地面各速度段总振动加速度级 单位：dBZ

图11 地面15m 处垂向振动1/3 倍频程频谱图

图12 地面30m 处垂向振动1/3 倍频程频谱图

由图10 至图13 分析可知：频谱曲线：该断面上方地面0m、15m 和30m 处测点垂向振动加速度Z 振级的1/3 倍频程图变化趋势大致一致，在50Hz 处有共振峰值。该断面地面振动在50～200Hz 频段处于下降趋势。总振级值：该断面上方地面0m 处的垂向振动大于15m 和30m 处的垂向振动，0m 处垂向振动大于横向振动。地面振动振级均低于《城市区域环境振动标准》（GB10070-88） 规定的限值。

图10 地面0m 处垂向振动1/3 倍频程频谱图

图13 地面不同速度总振级图

3 三种道床形式地面振动预测

由上文分析结果可知，不同跑车速度情况地面振动多随速度变化呈现二次或三次多项式关系变化，即可结合实际运行需要和节能环保要求，利用以下关系式求出最合理的运行速度。因此，进一步构建了三种道床形式地面振动预测模型，并对其进行误差分析。

其中：L为列车以速度V 运行时地面A 振级，dBZ；V 为列车实际运行速度，km/h；V为参考速度，V=50km/h。

表5 A 型钢弹簧浮置板区间地面振动预测模型误差统计表

表6 B 型钢弹簧浮置板区间地面振动预测模型误差统计表

表7 双层非线性扣件减振道床区间地面振动预测模型误差统计表

在日常生活中，由于个体的差异导致对列车引起振动的主观感受特别敏感，当需要采用列车限速手段控制列车振动时，以上关系即为不同道床结构列车以不同速度运行时地面振动预测模型，通过设定所要实现的目标振级，可反推可达到该振级的最优运行速度。

4 总 结

通过现场试验研究，对城市轨道交通不同车速引起的地面振动特性进行了研究，主要得出以下结论：（1） 列车以不同速度在A 型钢弹簧浮置板、B 型钢弹簧浮置板及双层非线性扣件减振道床上运行时，在地面距离轨道中心线分别为0m、15m 及30m 3 个振动测量位置上，地面振动振级均低于《城市区域环境振动标准》 （GB10070-88） 规定的限值（70dBZ）。（2） 从试验结果可知，B 型钢弹簧浮置板对应的地面振动值最小，且列车在B 型钢弹簧浮置板上跑车速度在10～70km/h 范围内的5 个试验速度运行时，地面振动值的大小与列车运行速度变化关系不大，主要是由于道床减振量大，使得车速在一定范围内变化时地面振动大小对其不敏感。另外A 型钢弹簧浮置板及双层非线性扣件减振道床两种道床对应地面振动值的大小与车速相关性较大。（3） 城市轨道交通运行速度对沿线环境振动的影响随车速、隧道埋深、距离轨道距离远近差异而不同。列车以不同速度在A 型钢弹簧浮置板及B 型钢弹簧浮置板截面运行时，在3 个地面测点位置，地面振动响应最大的为15m 位置，地面振动出现了局部放大现象。A 型钢弹簧浮置板地面振动在8Hz 和50Hz 处存在共振峰值、B 型钢弹簧浮置板地面振动在16Hz 和50Hz处存在共振峰值，且列车运营速度由10km/h 到60km/h 范围内均存在这种现象。列车以不同速度在双层非线性扣件减振道床上运行时，该测量截面地面振动测试在0～30m 的3 个测点位置，地面的振动随距离轨道中心线的增加呈衰减趋势，符合一般振动传播衰减规律。（4） 通过多工况分析，得到不同道床、不同车速情况城市轨道交通运行时对地面振动的影响，为后续进一步对城市轨道交通振动治理研究提供了参考。