地铁运行引起的环境振动变化规律及其主要成因分析

苏立勇，邬玉斌，滕忻利，曾钦娥，刘 巍，宋瑞祥

(1.北京城市快轨建设管理有限公司,北京 100028; 2.北京市科学技术研究院城市安全与环境科学研究所,北京 100054;3.北京市市政工程设计研究总院有限公司,北京 100082)

引言

伴随着地铁建设的迅速发展,线网不断加密,越来越多的线路不可避免地近距离穿越城市中心区域,而地铁运行所带来的振动污染问题也逐渐凸显,对周围居民的生活、工作产生不可忽视的影响,关于地铁振动引起的投诉也日益增多。为减少地铁运行引起的邻近建筑物室内振动问题,建设单位和设计单位在工程建设阶段根据振动控制需求采取相应等级的振动控制措施,运营单位在运营阶段根据振动超标量采取相应的控制措施减小振动的影响[1-2]。

影响地铁环境振动的影响因素较多,包括车辆参数、轨道参数、传播路径等。目前,对于地铁振动影响控制更多的集中于减小由轮轨相互作用引起的振动向下部基础及周围建筑物传递,包括减振轨道[3-4]、传播路径隔振[5]及建筑物被动隔振[6],其中,轨道减振措施作为最直接有效的方法在实际工程中更是被广泛应用[7-9],如减振扣件[10]、钢弹簧浮置板轨道[11]、梯形轨枕等。车辆作为地铁运行振源的产生主体[12],其对环境振动值的影响也不可忽略。当车轮状态发生变化时,改变了车轮与轨道的相互作用关系,文献[13]明确了车轮多边形会对轮轨力产生影响;文献[14-15]表明车轮不圆顺幅值的增大和阶数的提高均会增大轮轨垂向作用力。然而,轮轨作用力的变化会进一步影响输入至轨道及其下部基础的振动能量,从而也会影响环境振动值。因此,对于地铁引起的环境振动控制,除考虑减少振动向钢轨下部基础的传递,还应从车辆状态对环境振动值的影响出发,考虑减少钢轨能量输入来控制地铁引起的环境振动。

本文采用现场实测法,对不同列车通过时地表及隧道壁的垂向振动特性进行分析,对比分析不同车次、不同断面的源强振动结果,分析地铁运行引起的环境振动变化规律,探究地铁车辆状态对地表振动水平的影响,并对比分析车轮镟修前后的地表振动,为地铁振动控制提供参考。

1 线路概况及测点布置

1.1 线路概况

选取北京地铁某线路具有代表性的3个断面进行测试,各测试断面的参数如表1所示。该线路列车采用8节编组A型车,线路区间为盾构隧道,轨道均采用弹性长枕。

表1 各测试断面参数Tab.1 Parameters of all measurement sections

1.2 测点布置

为分析列车运行引起的振动变化规律及成因,分别对隧道壁和邻近建筑地表的振动展开现场测试。分别在3个断面的隧道壁安装测点,测点布置位置如图1(a)所示,垂向距轨面距离为1.9 m,所采用的加速度计型号为LC0130T,适用频率范围为0.5～1 000 Hz。由于振动由隧道壁传递至地表,振级变化主要受传播路径上岩土参数的影响,仅选择其中一断面(断面3)邻近建筑物的地表振动分析,所选择的建筑物距线路中心线最近距离为27.7 m,根据GB10070—1988《城市区域环境振动标准》,测试传感器安装于建筑物室外0.5 m以内,采用的加速度传感器型号为B&K8344,灵敏度为2 500 mV/g,适用频率范围为0.2 Hz～3 kHz,地表测点位置如图1(b)所示。测试过程中采用最高采样频率51.2 kHz、24位高精度的INV 3062T型数据采集仪,采样频率为2 048 Hz。

图1 现场测点位置布置(单位:m)Fig.1 Layout of on-site measurement points(unit:m)

2 结果分析

2.1 振动数据分析方法

文中列车运行产生的振动主要面向邻近建筑物内人体舒适度,因此采用铅锤向计权加速度级作为分析指标,即Z振级,它主要反映1～80 Hz范围内的振动能量对人体的影响。Z振级计算公式如下

VLz=10lg(∑100.1×(VLi+Δi))

(1)

式中,VLi为第i个1/3倍频程中心频带的加速度级,计算公式为VLi=20lg(arms/a0);arms为第i个频段范围的加速度有效值;a0为加速度基准值,取1×10-6m/s2;Δi为相应中心频率处的Z计权因子。

根据加速度时程数据,采用一定的时间积分间隔可获得列车通过时随时间变化的Z振级,本文采用的时间积分间隔为1 s,通过统计列车通过时间段内所测得的Z振级最大值,即可获得最大Z振级。

2.2 邻近建筑地表振动特性分析

首先,对断面3对应的邻近建筑地表两个测点连续20趟列车通过的最大Z振级进行分析,结果如图2所示。

图2 地表测点最大Z振级Fig.2 VLZmax of ground measurement point

由图2可以看出,20趟列车通过时地表2个测点的振动值均表现出一定的离散性,测点1的最大值为72.8 dB,最小值为58.2 dB,最大值与最小值的差异为14.6 dB,离散程度大,平均值为69.4 dB。虽然平均值满足标准GB10070—1988规定的“居民、文教区”昼间限值(70 dB),但仍有10趟车的振级超过了70 dB,在所采集的20趟车中占比达到了50%,类似地,测点2的占比为30%。

进一步对1 d内不同车次通过时地表测点的最大Z振级进行统计分析,结果如图3所示。

图3 不同车次地表测点最大Z振级Fig.3 VLZmax of ground point with different trains’ pass-by

由图3可以看出,地表测点的振级随列车编号变化差异显著,部分列车通过时引起的振级明显较大,如M7、M8、M9、M14车次1 d内运行产生的振级最大值分别为80.5,81.7,74.6,76.5 dB,对应车次的最小值分别为76.8,76.8,71.9,73.5 dB,其余各次车辆的最大值在60～70 dB范围内变化,各次车通过时最大值与最小值的差值在1.6～11.8 dB。

综上所述,单一的以20趟车的平均值为评价指标判断地铁运行引起的地表振动是否满足标准规范要求会存在一定误差,需综合分析不同车次引起的振动水平,以判断是否有车辆出现显著异常状态,从而导致地表的振动水平超标,方可采取有效的振动控制措施,而不是单一的分析轨道状态及其减振措施对地表环境振动的影响。

2.3 隧道内源强振动特性及影响因素分析

由于轮轨相互作用引起的振动经过长距离传播至地表,受土体等传播介质的衰减影响,同时地表振动信号受周围环境的影响,导致所采集的地表振动加速度信号难以有效反映车辆和轨道状态信息。当传播路径一致时,地表振动水平随源强的大小而变化。为分析车辆状态和轨道状态对环境振动的影响,首先对1 d内不同列车通过引起的隧道壁振动水平进行分析,图4为1 d内不同列车通过断面1时隧道壁的最大Z振级。

图4 不同列车通过时断面1隧道壁的最大Z振级Fig.4 VLZmax of tunnel wall points at section1 with different trains’ pass-by

由图4可以看出,不同列车通过时隧道壁振级水平差异显著,在72.3～94.5 dB范围内波动,最大值与最小值的差异为22.1 dB,标准差为7.1 dB,离散程度较大。由于短时间内轨道表面状态尚未发生显著变化,因此,可认为振级差异的变化主要受车辆状态影响,如车辆载重、车轮状态、车辆运行速度波动等。

通过对同一天不同车次振级水平变化规律分析发现,所采集的120趟列车中,有部分列车通过时隧道壁振级显著增大,以隧道壁右侧测点为例,其中80趟列车通过引起的隧道壁振级分布在72.3～85 dB内,变化范围为12.7 dB,平均值为77.6 dB,标准差为3.8 dB;而剩余40趟列车通过时隧道壁振级分布在85.1～94.5 dB,变化范围为9.4 dB,平均值为90.6 dB,标准差为2.7 dB,相比另外80趟列车,引起的振动水平平均增大了13.0 dB,已经超过了中等减振措施的控制效果[1]。同时,这40趟列车的分布表现出明显的周期性,由于地铁线路每天投入运营车辆的编号及顺序是固定的,可推断出引起该断面隧道壁振级显著增大的原因主要为其中的5辆列车存在异常状态。

为分析线路及轨道变化对隧道壁振动的影响,分别从振级较大的40趟车(以下简称“异常车辆”)及振级较小的80趟(以下简称“普通车辆”)中选取2辆车,对这4辆车通过3个断面时隧道壁振级进行统计分析,结果分别如图5、图6所示。3个断面测试日期分布在一周内,测试期间所选择车辆的车轮未进行镟修,钢轨未进行打磨。

图5 “异常车辆”不同断面隧道壁最大Z振级Fig.5 VLZmax of tunnel wall points in different sections induced by ‘abnormal vehicles’

图6 “普通车辆”不同断面隧道壁最大Z振级Fig.6 VLZmax of tunnel wall points in different sections induced by ‘normal vehicles’

由图5、图6中可以看出,同一车次连续2 d通过同一断面的振动值基本保持稳定,如图5(a)所示,异常车辆A1连续2 d通过断面1的振级差异仅为1.2 dB,通过断面2的差异仅为0.4 dB,其他车辆的振级分布情况类似。由此表明,所采集的正常车辆和异常车辆的振动数据是可靠的,短时间内车轮和轨道状态尚未发生明显变化,其振动水平的微小差异主要来源于车辆载重、车速微小波动等因素。对比图5、图6同一列车通过不同断面的振级值可以发现,不同断面的振级差异显著,通过断面1的振级明显大于断面2和断面3,断面2与断面3的振级变化无明显规律,差异较小。

进一步对比图5和图6中“异常车辆”和“普通车辆”通过不同断面振级水平的差值可以发现,异常车辆引起的不同断面振级差更为显著。对比断面1和断面2的振动水平,异常车辆A1通过断面1的振级水平比断面2大10.7 dB,异常车辆A2通过两断面的振级差为10.4 dB,而普通车辆A3为7.1 dB,明显减小,普通车辆A4仅为5 dB,仅为异常车辆的1/2。虽然断面1和断面2的速度存在差异,但根据振级的速度修正公式20lg(V/V0)[16],断面1和断面2对应速度引起的振级变化在2 dB以内,远小于上述“异常车辆”引起的2个断面的振级差,表明速度变化并不是影响2个断面振级变化的主要因素。对比断面2与断面3的振动水平,异常车辆A1、A2通过断面3的振动水平明显大于断面2,平均大4.2 dB,而普通车辆A3和A4通过断面2和断面3的振动水平则无明显规律,平均差异在2 dB以内。

不同断面的轨道状态、线路形式存在差异,由表1可知,3个断面的轨道形式均为弹性长枕,线路形式均为直线,虽然列车通过不同断面时,列车载客量发生变化,但文献研究表明,列车载客量的变化对振动源强的影响并不显著[17],且本文上述同一天不同时间列车通过时的振级标准差远小于不同断面的振级差。因此,对于同一列车而言,不同断面隧道的振级差异主要来源于轨道状态,包括钢轨表面状态及钢轨下部基础状态。同时,“异常车辆”“普通车辆”通过不同断面的振级差呈现非线性变化,表明列车运行引起的环境振动水平,还与车辆-轨道的相互作用关系有关,“异常车辆”与轨道之间的相互作用关系与“普通车辆”与轨道的相互作用关系存在差异,导致不同车辆通过不同断面时的振级差变化显著。

2.4 车轮镟修前后振动特性分析

为改善该地铁运行引起的地面邻近建筑物振动超标问题,地铁运营公司对前述所分析的“异常车辆”进行车轮镟修,其中M14车次镟修前后列车各车轮的径跳值如图7所示。径跳值即车轮最大半径与最小半径的差值[18],可直接反映车轮不圆顺情况,铁路维修标准规定[19],当车轮的径跳值达到0.5 mm便需要进行维修。从图7中可以看出,镟修前多数车轮呈现了不圆特征,64个车轮中有34个车轮的径跳值超过了0.5 mm,占比达到了53.1%,约22%的车轮径跳值超过1.0 mm,其中在Mp2-1车轮径跳值最大,达到1.6 mm。镟修后的各车轮的径跳值均在0.2 mm以下,平均径跳值为0.06 mm。

图7 M14车次不同车轮镟修前后的径跳值Fig.7 Radial run-out amplitude of M14’s different wheels before and after wheel re-profiled

典型“异常车辆”车轮镟修前后地表的振动加速度时程曲线如图8所示,3辆典型“异常车辆”进行车轮镟修前后的地表的最大Z振级对比结果如图9所示。

图8 镟修前后建筑物附近地表测点垂向加速度时程曲线Fig.8 Time history curve of vertical acceleration of ground point close to building before and after wheel re-profiled

图9 镟修前后建筑物附近地表测点最大Z振级Fig.9 VLZmax of ground point close to building before and after wheel re-profiled

由图8可以看出,镟修前后,地表邻近建筑物测点的振动加速度幅值存在明显差异,镟修后的地表垂向加速度明显减小,加速度峰值由0.183 m/s2降低至0.025 m/s2,有效值由0.039 m/s2降低至0.0053 m/s2。由图9可以看出,镟修后的列车M8通过产生的振级最大值降低了20.9 dB,车次M9和M14分别降低了10.2和12.8 dB。表明车轮状态不圆顺是引起隧道壁和地表振动异常增大的重要因素之一,对“异常车辆”的车轮进行镟修可有效改善地铁运行引起的地表振动问题。

对车次M8镟修前后地表测点加速度进行频谱分析,结果如图10所示。

图10 车轮镟修前后地表测点的加速度1/3倍频程曲线Fig.10 1/3 octave spectrum of acceleration of ground point before and after wheel re-profiled

由图10可以看出,镟修前后该测点的Z振级频率分布特征基本一致,但车轮镟修后,中心频率为40～80 Hz频段范围内的分频Z振级明显降低,最大降低了约21.8 dB,其余频段Z振级降低了14.7～17.9 dB。在1～20 Hz范围及160～200 Hz,车轮镟修后振动加速度值变化相对较小,1～20 Hz范围内各频带平均降低约3.5 dB,160～200 Hz范围内各频带平均降低约7 dB。

3 结论

通过某地铁不同列车通过时隧道壁及邻近建筑地表的垂向振动加速度展开现场实测及统计分析,对比分析1 d内不同车次通过时隧道壁的振动值变化规律,分析地铁邻近建筑地表振动离散程度大的原因,探究了地铁车辆状态对地表振动水平的影响,得出以下主要结论。

(1)不同列车通过时地表测点的最大Z振级差异最大达到14.6 dB,虽然20趟列车引起的振级平均值满足标准需求,但仍有30%～50%的振级超过了70 dB,应进一步综合分析车辆变化引起的振动水平。

(2)隧道壁振级受运行车辆状态影响显著,同一天不同列车通过产生的振级差异最大达到22.1 dB,且振动值随列车车次的变化规律具有明显周期性,所采集的120趟列车中有40趟列车引起的振动显著较大,隧道壁测点振级平均为90.6 dB,比其余车列车增大了12.9 dB,为当天运行车辆中的5辆车存在异常。

(3)同一列车通过不同断面时,隧道壁测点的振级差异显著,且“异常车辆”引起的两个断面振级差超过10 dB,而“普通车辆”引起的两个断面振级差为5～7 dB,说明振动水平不仅与轨道状态有关,还与车辆-轨道相互作用关系有关。

(4)对引起隧道壁振动较大的“异常车辆”进行车轮镟修后,有效改善了地表振动问题,典型“异常车辆”通过产生的地表振级最大值降低了20.9 dB,主要降低了50～80 Hz频段范围内的振动。