快速地下线振动源强特性实测分析

欧阳滔 刘庆杰 罗信伟 冯青松

收稿日期：2023-10-09

基金项目：国家自然科学基金项目（51868024）

文章编号：1005-0523（2024）03-0055-10

摘要：【目的】既有振动源强预测公式只适用于普速地铁，无法适用于最高时速160 km快速地下线振动源强特性。【方法】对某沿海城市市域快线进行多个断面的振动特性进行了现场实测，通过数据分析研究了车速、隧道埋深、曲线等因素对振动源强的影响。【结果】直（曲）线区段车速90～160 km/h，振动源强71～80 dB，随着车速的增大振动源强也增大，速度每增加20 km/h振动源强增加3.72 dB；振动源强随着隧道埋深的增加而减小，隧道埋深每增加10 m，振动源强会减小4.9 dB；相同情况下，曲线区段（曲线半径1 850 m）的振动源强大于直线区段的振动源强，值为约7 dB。列车投入运营1 a后，由于轮轨状态的恶化，振动源强出现增大，且不同列车之间的差异较大，选取某一断面七个月份的监测数据分析得到，运营期稳定后振动源强较为稳定。【结论】快速地下线的振动源强受众多因素影响：与列车速度呈线性正相关、隧道埋深呈线性负相关、曲线处的振动源强大于直线处的、轮轨恶化也会使振动源强增大。

关键词：快速地下线；现场测试；振动源强；影响因素

中图分类号：U225.4 文献标志码：A

本文引用格式：欧阳滔，刘庆杰，罗信伟，等. 快速地下线振动源强特性实测分析[J]. 华东交通大学学报，2024，41（3）：55-64.

Measured Characterisation of Vibration Source Strengths

for Express Underground Lines

Ouyang Tao1， Liu Qingjie1， Luo Xinwei2， Feng Qingsong1

（1. State Key Laboratory of Railway Infrastructure Performance Monitoring and Assurance， East China Jiaotong University，Nanchang 330013， China; 2. Guangzhou Metro Design & Research Institute Co.， Ltd.， Guangzhou 510010， China）

Abstract： 【Objectives】The existing prediction formula of vibration source intensity is only applicable to normal-speed subways， and cannot be applied to the vibration source intensity characteristics of fast underground lines with a maximum speed of 160 km/h. 【Method】The vibration characteristics of multiple sections of a coastal city urban expressway were measured on site. The influence of vehicle speed， tunnel buried depth， curve and other factors on the vibration source strength was studied through data analysis. 【Result】The vibration source intensity was between 71 dB and 80 dB at the speed of 90 km/h to 160 km/h in the straight （curve） line section. The vibration source intensity also increased with the increase of vehicle speed，and the vibration source intensity increased by 3.72 dB for every 20 km/h increase in speed. The vibration source intensity decreases with the increase of the buried depth of the tunnel. For every 10 m increase in the buried depth of the tunnel， the vibration source intensity decreases by 4.9 dB. In the same case， the vibration source intensity of the curve section （curve radius 1 850 m） is stronger than that of the straight section， and the value is about 7 dB. One year after the train was put into operation， due to the deterioration of the wheel-rail state， the vibration source intensity increased， and the difference between different trains was large. The monitoring data of seven months of a certain section were selected and analyzed. The vibration source intensity was relatively stable after the operation period was stable. 【Conclusion】 The vibration source intensity of the fast underground line is affected by many factors： it is linearly positively correlated with the train speed， the tunnel depth is linearly negatively correlated， the vibration source at the curve is stronger than that at the straight line， and the wheel-rail deterioration will also increase the vibration source intensity.

Key words：  express underground line; field measurements; vibration source strength; influencing factor

Citation format： OUYANG T， LIU Q J， LUO X W. Measured characterisation of vibration source strengths for express underground lines[J]. Journal of East China Jiaotong University， 2024， 41（3）： 55-64.

【研究意义】轨道交通以其运量大、速度快、污染小和安全可靠等特点，成为解决城市通勤问题的重要手段。目前，城市轨道交通线路多以地下线为主，由此产生了环境振动问题，影响着周边居民生活、干扰精密仪器使用。国际上已经把振动列为七大环境公害之一[1]。近年来，为了满足市域通勤的需求，城际铁路得到快速发展。北京、成都、广州的市域铁路都达到了160 km/h的时速。市域铁路以较高的速度在市区穿行，其诱发的环境振动问题引起了人民的关注。振动源强是振动环境预测和影响评价的基础，因此对于快速轨道交通线路振动源强的研究非常重要。

【研究进展】国内外的许多专家学者在这方面做了诸多探索。辜小安等[2]对我国北京、上海、广州的部分地铁线路做了大量实测，研究了我国地铁振动振源特性及对环境的影响程度，并给出了不同减振措施的效果分析。何卫等[3]通过对宁波地铁隧道内的试车试验，分析了扣件类型和列车运行速度等因素对振动源强特性的影响，并得到宁波地铁的振动源强为70.41 dB。张凌等[4]通过对南昌地铁1号线隧道内约200趟列车的振动响应，从统计角度分析了不同车次列车运行对时域和频域的影响，得到南昌地铁的实测振动源强值为76.66 dB。李明航等[5]通过对某地铁线路的同一区间内两个断面进行现场实测，得到振动源强呈现与列车编组相关的周期性且早晚高峰时段振动源强没有显著增大。Ma等[6]通过对某地地铁进行了为期一年的5次监测测试，隧道振动响应随列车运营里程的增加而增加，钢轨打磨后振动响应的最大值和平均值分别降低了8 dB和5 dB。《环境影响评价技术导则：城市轨道交通》（HJ 453—2018）规定的源强测点位置为道床上部近轨外侧0.5～1.0 m处。董志勇等[7]提出振动源强类比监测测点位置由道床上部近轨外侧0.5～1.0 m处调整为隧道壁高于轨顶面1.25±0.25 m处。Huang等[8-11]的研究表明，曲线轨道沿线的水平和垂直振动均大于直线轨道上列车运行引起的相应振动。Zhang等[12]分析了随路况变化的车辆振动信号变化规律，如曲线、斜率等。分析结果表明，车辆振动不仅受车辆自身结构和轨道铺设的地质条件的影响，而且与线路条件密切相关。杨忠平等[13]在已运营地铁线路不同地质条件的区间隧道和地面布置监测点位，得到振动源强和振动影响实测值，进行对比分析得出振动源强主频集中在63 Hz附近，振动影响水平距离衰减区别不大。贺利工等[14]现场实测了某地铁车辆段运用了库道床、柱子和盖板的振动加速度，分析了其振源特性及其传递衰减规律。

【创新特色】目前我国的环境振动模型是基于传统普速地铁的实测数据开发的，无法满足快速地下线振动预测评估的需求。此外，快速地下线的车辆类型、轨道结构形式、隧道断面尺寸等均与普速地铁有较大差异，因此对其振动源强特性展开研究是非常必要的。【关键问题】现场测试是振动源强的主要获取手段。而针对快速地下线的振动测试数据则较少。课题组以某最高160 km/h的市域快线为研究对象，开展了大量的现场测试工作，测试工况涵盖了不同的速度、曲线半径、埋深和地质条件，本文对这些实测数据进行了深入的分析，揭示了快速地下线的振动源强特征和影响因素。对未来高速地下线的减振降噪声级具有一定的参考价值。

1 测点布置与典型数据分析

本次选择国内某城市开通的市域铁路进行现场测试，选取了9个非减振断面进行轨道交通振动源强现场测试。通过对实测数据分析，研究地铁运行时轨道振动的时、频域特征分析影响振动源强的几个关键因素，为以后中国的快速地下线轨道的减振措施的发展提供依据和参考。

1.1 测试断面的选取及测点的布置

本次试验测试共计9个普通整体道床断面。2#断面与6#断面为同一断面，2#断面测试时间为线路正式开通前、6#断面测试时间为线路正式开通后十个。具体工况等参数对比见表1。其中R为隧道的曲线半径；D为隧道埋深；V为列车的运营速度。

隧道内测点布置图如图1所示，每个断面设3个测点，分别位于钢轨垂向（测点1），道床垂向（测点2）和隧道壁垂向（测点3），测点3位于比轨面高1.25 m处的隧道壁。

1.2 测试仪器

测试采用的数据采集仪包括：NI CRIO-9031数据采集仪，其用于隧道内轨道结构的振动噪声源强测试，并采用触发采样进行监测。采用的振动传感器包括PCB-352加速度传感器、PCB-393振动加速度传感器。

钢轨垂向振动加速度测试，采用PCB-352C04加速度传感器；灵敏度系数约为10 mV/g，频响范围0.5～10 000 Hz，测试范围±500 g。

道床及隧道壁振动加速度测试采用PCB-393B04加速度传感器，灵敏度为1 000 mV/g，频响范围为0.06～450 Hz，测试范围±5 g。

1.3 典型数据分析

选取2#断面列车经过时速度为157 km/h趟次测试数据进行数据分析。

图2展示了速度为157 km/h的列车经过该断面时钢轨、道床和隧道壁的垂向加速度时程曲线。

由图可知钢轨垂向振动加速度峰值为197.55 m/s2，有效值为91.17 m/s2；道床垂向振动加速度峰值为3.16 m/s2，有效值为0.60 m/s2；隧道壁垂向振动加速度峰值为0.280 m/s2，有效值为0.011 m/s2。由数据易知，振动在钢轨-道床-隧道壁这样的传递路径中在不断衰减。

对加速度时程数据进行频谱分析，并转化为以振动加速度级作为纵坐标的1/3倍频程谱，如图3所示。由图可以看出在1～200 Hz钢轨垂向的振动加速度级VLY均在120 dB以上；道床垂向和隧道壁垂向振动加速度级在1～8 Hz整体呈下降趋势，在8～63 Hz呈上升状态，在63～200 Hz达到最大之后基本维持稳定。从图上也能明显看出振动加速度级从钢轨垂向到道床垂向到隧道壁垂向是依次减小的。

2 振动源强的影响因素分析

根据《环境影响评价技术导则：城市轨道交通》（HJ 453—2018），地下线源强定义为轨顶面上方1.25±0.25 m处隧道壁的Z振级。

Z振级是按《Mechanical vibration and shock》（ISO 2631-1：1997）规定的全身振动Z计权因子修正后得到的振动加速度级，记为VLZ，dB。

[VLZ=10lgi=12010（La，i-Wi）/10] （1）

式中：[La，i]是第[i]个中心频率上所测得的振动加速度级，dB；[Wi]是该频率上Z方向的计权因子，dB。

2.1 车速对振动源强的影响

为研究速度对于振动源强的影响，排除其他因素的干扰，故选取通过列车速度差异较大的1#断面，列车速度为94～155 km/h。其一天中通过列车的速度与振动源强的关系如图4所示。

从图中可以看出随着速度的增加振动源强也随之增加，但在速度超过125 km/h后呈现下降趋势，并在133 km/h之后继续增大。选取图中4个关键点数据进行分析。

如表2所示，4个关键点速度从94.34 km/h提升到155.21 km/h，钢轨垂向Z振级也逐步提升。总体看来就振动源强而言，速度越快，振动源强越大，但在125～133 km/h区段，隧道壁Z振级基本没有增加。

如图5所示为4个不同速度关键点的隧道壁振动加速度级三分之一倍频图。可以看出，隧道壁的振动能量主要集中在50 Hz附近，受列车簧下质量与轨道共振频率影响。对于50 Hz附近的振动随着车速的增加而逐渐增加，而1.25 Hz的振动125～133 km/h的幅值要小于其他车速。其可能的原因是，快速线的施工标准高，在某些波长的不平顺控制较好引起的。

2.2 地质和埋深的影响

为研究地质对振动源强的影响，选取3个不同地质且均处于直线、埋深在25 m左右的断面进行对比分析（见图6）。

如图6所示，能明显看出在速度相同的情况下，中粗砂断面的振动源强最小，混合花岗岩断面的振动源强介于强风化泥质粉砂岩和中粗砂断面的振动源强之间。

为研究地质与振动源强之间的关系，分别选取以上3个断面速度接近110 km/h的数据点进行分析。

如表3所示3种不同地质相同速度关键点的各测点Z振级。可以看出，强风化泥质粉砂岩断面的道床垂向Z振级为75.10 dB，而隧道壁垂向Z振级为75.99 dB，出现了微放大的情况。中粗砂和混合花岗岩地质断面的道床垂向Z振级到隧道壁垂向Z振级均减小了10 dB左右。

图7为3种不同地质的隧道壁振级1/3倍频程对比图。可以看出在0～2.5 Hz以内中粗砂地质和混合花岗岩地质隧道壁振动加速度级低于地质为强风化泥质粉砂岩的隧道壁振动加速度级，在2.5～25 Hz之间3种地质的隧道壁振动加速度级的差值均能达到约15 dB。这是因为在这个频段内中粗砂地质吸收能量能力大于混合花岗岩地质大于强风化泥质粉砂岩。在31.5～80 Hz内混合花岗岩地质的隧道壁振级明显高于其他两种地质的隧道壁振级。

为研究埋深对于振动源强的影响，选取埋深为25.5 m和埋深为42.6 m且均处于直线段、地质为混合花岗岩的两个断面进行对比分析（见图8）。

由图8及表4可知，4#断面的平均速度比3#断面的平均速度约小30 km/h。按照常理速度越大，振动越大，3#断面的振动源强应该大于4#断面的振动源强。但事实却是4#断面的振动源强比3#断面的高约5 dB，这是因为3#断面的埋深比6#断面的埋深大，也说明了在相同情况下埋深越大，振动源强越小。为研究隧道埋深与振动源强之间的联系，分别选取两个断面相同的速度的数据点进行分析。

如表5所示，隧道埋深25.5 m和42.6 m均选取了速度约110 km/h的两个关键点，钢轨垂向Z振级相差2.5 dB左右，埋深42.6 m的钢轨垂向Z振级到道床/轨道板垂向Z振级衰减比埋深25.5 m的多约10 dB。总体看来，速度相同的情况下埋深42.6 m的振动源强小于埋深25.5 m的振动源强。

图9为埋深25.5 m和42.6 m 2个断面对隧道壁的1/3倍频程对比图。可以看出在3.15 Hz以内2个断面隧道壁振动加速度级没有明显区别。在3.15～6.3 Hz埋深42.6 m的隧道壁振动加速度级明显大于埋深25 m的隧道壁振动加速度级，这说埋深对振动源强在低频内影响不大，在6.3～80 Hz间埋深大的隧道壁振动加速度级均比埋深小的隧道壁振动加速度级小5～10 dB。埋深25.5 m的隧道壁振动主频在63 Hz，埋深42.6 m的隧道壁振动主频在200 Hz。

综上所述，2种不同埋深的工况在相同速度下，埋深42.6 m的振动源强比埋深25.5 m振动源强小8.3 dB左右。

2.3 直线与曲线

为研究直线与曲线对于振动源强的影响，选取直线区段和曲线区段（曲线半径为1 850 m）且地质均为中粗砂、埋深在25 m左右的2个断面做对比分析。图10为这两个断面的振动源强对比图从图中可以看出，相同速度情况下，曲线段的振动源强大于直线段的振动源强。

从表6中可以看出，直、曲线两断面选取的两个速度均为117 km/h的关键点，钢轨垂向Z振级均在114 dB左右，直线段的钢轨垂向到道床/轨道板垂向再到隧道壁垂向的Z振级衰减均比曲线段的大，在其他条件相同速度117 km/h左右时，曲线段隧道壁Z振级比直线段隧道壁高约7 dB。由此可以得到，在条件相同时曲线段的振动源强高于直线段的振动源强。

图11为直、曲线段隧道壁垂向、横向1/3倍频程对比图。从图11（a）中可以看出垂向1/3倍频在2.5 Hz以内直、曲线段隧道壁振动加速度级没有明显区别。在3.15 Hz后曲线段的隧道壁振动加速度级明显大于直线段的隧道壁振动加速度级，在25～160 Hz间曲线段的隧道壁振动加速度级均比直线段的隧道壁振动加速度级大5 dB。从图11（b）中可以看出隧道壁横向1/3倍频在4 Hz以内及63～200 Hz曲线和直线的振动加速度级差值能达到20 dB。由此可以看出在某些频段内，曲线段对于横向振动的影响大于垂向振动的影响。

综上所述，直、曲线速度为95～140 km/h时，曲线的振动源强比直线的振动源强高约7 dB。

2.4 运营时间的影响

为研究开通运营对于振动源强的影响选取同一断面线路正式开通运营前后振动源强对比分析，如图12。从图中可以看出线路开通后的振动源强呈明显分层现象，这可能是由于不同编组的列车导致的，就线路开通后状态最好的一列车编组而言，能看出线路开通后的断面振动源强在速度V同等的情况下略大于线路开通前的断面振动源强，这是由于开通运营一段时间后轮轨状态发生变化，不同车辆的振动也产生了较大差异。

图13为同一断面在线路开通前后的隧道壁1/3倍频程对比图。从图中可以看出在2.5 Hz之后在工况为线路开通后的隧道壁振动加速度级明显大于工况为线路开通前的隧道壁振动加速度级，在3.15～25 Hz之间线路开通前后的隧道壁振动加速度级差值能达到25 dB左右。这也说明了线路正式开通前后由于荷载及钢轨状态原因，振动源强还是有所区别的。

在线路投入运营6个月后开始对某段面开展实时监测，段面每天通过的列车引起的振动如图14，从图中能看出振动源强均值随运营时间T变化不大，基本维持在70～73 dB之间，这也说明了运营期稳定后振动源强与营运时间关联较小。

3 结论

本文就快速地下线的振动源强选取9个普通整体道床断面以现场实测的方法对数据进行处理分析得到车速，地质、埋深，直、曲线，运营时间等因素对振动源强的影响。得到以下结论：

1） 振动源强值随着速度的增加而增加，但两者不是简单的线性关系；

2） 随着埋深的增加振动源强减小，埋深每增加10 m，振动源强会减小4.9 dB；

3） 在车速，地质、埋深等相同的条件下曲线段的振动源强比直线段的振动源强平均高7 dB；

4） 线路正式开通运营一段时间后达到稳定期，振动源强基本维持在定值。

目前，振动源强的预测公式主要针对普速地下线，本文快速地下线的振动源强影响因素的分析对于今后快速地下线振动源强的预测公式完善有一定的指导作用。

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第一作者：欧阳滔（1995—），男，硕士研究生，研究方向为铁路环境振动与噪声。E-mail：2947735114@qq.com。

通信作者：刘庆杰（1982—），男，副教授，博士，硕士生导师，研究方向为轨道结构动力学。E-mail：liuqingjie06@163.com。