地面城轨交通近轨道区域自由地表振动实测研究

王福彤，陶夏新，崔高航，郑 鑫，3，梁德勇，5

(1.哈尔滨工业大学 土木工程学院，哈尔滨 150090;2.黑龙江大学 建筑工程学院，哈尔滨 150001;3.黑龙江八一农垦大学 工程学院，黑龙江 大庆 163319;4.东北林业大学 木工程学院，哈尔滨 150040;5.黑龙江省工程咨询评审中心，哈尔滨 150008)

地面城轨交通近轨道区域自由地表振动实测研究

王福彤1，2，陶夏新1，崔高航4，郑 鑫1，3，梁德勇1，5

(1.哈尔滨工业大学 土木工程学院，哈尔滨 150090;2.黑龙江大学 建筑工程学院，哈尔滨 150001;3.黑龙江八一农垦大学 工程学院，黑龙江 大庆 163319;4.东北林业大学 木工程学院，哈尔滨 150040;5.黑龙江省工程咨询评审中心，哈尔滨 150008)

城市轨道交通诱发周边地表振动已成为突出的环境振动问题。为考察轨道周边自由地表垂向振动的特性及其传播规律，在北京城铁13号线回龙观至霍营区段进行了现场观测试验。从时域、功率谱和振动级三个方面对获得的数据进行了分析。结果显示:随着与轨道距离的增加，地表加速度峰值明显衰减，振动持时增加;振动优势频率为10 Hz－80 Hz，近轨道处以高频为主，远离轨道处以低频为主;加权Z振级单调衰减，但分频段振级并非单调衰减，与场地卓越频率接近的频段存在较大的反弹现象;乘客满载和半载对Z振级的影响不大;相对于干线铁路而言，城轨交通地面振动水平较低。

城市轨道;地表振动;现场测试;振动级

在城市轨道交通运行过程中，轮轨相互作用形成激励源。振动通过轨道、路基以波的形式向周围地层传播，引起线路周边区域地表及建筑物的环境振动。相对于埋在地层中的地铁路段，地面路段的振动强度更高，环境影响问题更为突出。鉴于室内模型试验难度大、成本高，目前现场测试是轨道交通环境振动试验研究的最有效手段。现场测试的结果能够为理论分析和数值模拟提供可靠的验证依据，为既有线路隔振改造和新线路减振设计提供必要的参考。

轨道交通引起环境振动的现场试验多集中于对地铁及高架铁路交通的测试［1－5］，对地面轨道交通的测试多针对于速度快、轴重大的城际铁路。1997年比利时铁路公司在巴黎至布鲁塞尔高速铁路线的一段软土场地组织了一次联合测试，获得了一批地表振动的宝贵数据［6］。

各国学者对此次观测进行了一系列理论分析和数值模拟，积极推动了对轮轨振动产生机理、场地振动传播特性及环境振动的预测评价等方面的研究。Xia He等［7］对沈阳—山海关铁路线靠近沈阳站附近一段的地面振动进行了观测，分析了振动衰减规律。Auersch［8］在柏林－汉诺威高速铁路线附近观测了ICE3和Thalys列车通过产生的地面振动，结合计算模型分离出拟静力成分，分析了静荷载在地表振动中的作用。高广运等［9］测试了秦－沈铁路垂直线路不同距离、不同车速下的地面振动，分析了垂向振动加速度特征，讨论了行车速度的影响。陈建国等［10，11］对京广线附近地面振动进行了观测，讨论了车速、列车轴重、钢轨接缝等因素的影响，分析了地面振动的衰减特征，并进行了地面振动评价。

城市地面轨道交通与城际铁路具有共性，但相对而言速度慢，运量低，轴重小，与生产生活区距离更近，应区别对待。目前，对城市地面轨道交通引起的地表振动测试不多见。笔者所在的课题组于2007年在北京城铁13号线进行了两次现场观测。本文首先简要介绍现场测试概况及数据处理方法，然后分析垂直轨道方向和顺轨道方向振动的时域特性，地表振动的功率谱和振动加速度级的衰减规律，并对所观测路段做了环境振动评价。

1 测试概况

1.1 场地条件

观测地点位于北京城铁13号线回龙观站与霍营站之间，GPS 坐标 N 40.411 8°，E:116.209 6°。为考察地表振动衰减特性，第一次观测的5个测点布设于垂直于轨道方向的地表直线上，平面布局如图1(a)所示。各测点距轨道中心线的直线距离分别为10 m、20 m、40 m、50 m和60 m。第二次观测考察平行于车辆运行方向的地表振动特性，6个测点布设为矩形台阵，长边平行于轨道方向，如图1(b)所示。

为了解该场地各分层土的剪切波速随深度的变化，在图1(b)中P1、P3、P4和P6测点位置处进行了钻孔勘探。其中P1、P4钻孔深度20 m，P3、P6钻孔深度30 m。采用悬挂式波速测井法对4个钻孔进行了剪切波速度测试，结果如图2(b)所示。

图1 测点平面布置图Fig.1 Plane Layout of Observation Points

图2 观测场地的土层分布Fig.2 Layered Distribution of the Ground

1.2 列车负荷和测试仪器

列车由长春轨道客车股份有限公司生产，4节编组。两端为动车，中间两节为拖车。动车定员226人，拖车定员244人。考虑到实际客运量对列车荷载的影响，每个台阵均记录了客运量正常时段和客运高峰时段的数据，区分了满载和半载工况。列车运行速度为60 km/h。

地表振动观测设备采用ALTUSTMETNA强震加速度观测仪，仪器观测采样200点/秒。

2 数据处理方法

根据测得的加速度时间序列，采用周期图法估计了功率谱。为减少观测数据中本底成分的影响，使用功率谱修正法［12］对数据进行处理。振动加速度级VAL根据我国国家标准《城市区域环境振动量测方法》计算，加速度参考值取为1×10－6m/s2，加速度有效值a 根据如下公式计算［13］:

式中，S(f)为加速度功率谱密度，fl和fu分别为计算频段的下限频率和上限频率。

一般认为，自由地表三个方向的振动分量中铅垂向振动最大。因此，本文仅就铅垂向振动数据作出分析。

3 观测结果分析

3.1 时程分析

图3(a)展示了图1(a)直线台阵观测的地表加速度时程。P1—P5各点振动峰值依次为 0.30 m/s2、0.17 m/s2、0.05 m/s2、0.03 m/s2和 0.03 m/s2，表明振动峰值随距轨道中心线距离(简称振源距离)的增加而明显衰减。从图3(a)还可看出，随振源距离的增加，振动持时有增加的趋势。

测点P1距轨道最近，时程中能够比较清晰地辨别出5组转向架轮群通过产生的振动;随着振源距离的增加，在时程中已经难以辨别出通过的车轮群组。

对图3(a)的各条时程进行带通滤波处理，提取8 Hz－8.5 Hz的振动分量，展示于图3(b)中。可见各个测点的振动存在明显的相位差，距离越远，振动相位越滞后，表现了振动从轨道向远处传播的特征。从幅值上看，10 m－20 m距离范围内幅值有所衰减，20 m以外幅值有所反弹，表明该频段的振动并非单调衰减。

图4为矩形台阵的观测结果。从P3到P1振动依次略显滞后，说明列车运行的方向是从P1指向P3。

按振源距离的不同，测点可分为P1、P2、P3和P4、P5、P6两组。图4显示同一组测点的振动略有差异。理论分析和数值模拟结果［14］表明，对于水平成层场地，除因为列车运行而存在时滞外，与轨道距离相同点的振动应完全相同。注意到图2所示的钻孔资料，本次观测场地土层在水平方向并非完全均匀，同一组测点振动的差异可能来源于土层的不均匀性。这与文献［8］的结论是一致的。

3.2 功率谱分析

轨道交通周边地表振动的频率成分比较复杂。理论上，距轨道x远的地表点频率响应R(x，f)可表示为如下的乘积形式:

式中P(f)为振源函数，H(x，f)为场地传递函数，f为振动频率。在列车运行过程中，固定距离的轴荷载沿轨道移动，车轮扁疤、轨道接头引起周期轮轨冲击，各种波长轨面不平顺导致车辆轨道相互作用。这些因素使轨道上面的移动荷载序列具有多种频率成分，Doppler效应使得振源函数P(f)的频率成分更为复杂。传递函数H(x，f)反映了路堤、场地土层的动力特性。对振源函数而言，传递函数起滤波器作用，决定了哪些频率成分受到抑制，哪些频率成分得以放大。

图5表示直线台阵各测点的加速度功率谱。可见在10 m－60 m范围内，地表振动频率集中于10 Hz－80 Hz以内。P1到P5点的卓越频率依次为54 Hz、34 Hz、46 Hz、26 Hz和 22 Hz，说明近轨道处的振动以高频为主，远离轨道处的振动以低频为主。随着与轨道距离的增加，相对于低频部分而言，高频部分的衰减速度更快。

3.3 振动加速度级分析

计算直线台阵各条观测记录的倍频程中心频率处振动加速度级VAL，进行算术平均后展示于图6。为便于比较各频段衰减特性，图6中每条衰减曲线均对其最大值做了归一化处理。

图4 矩形台阵加速度时程Fig.4 Acceleration Time Histories Recorded by the Rectangular Observation Array

图5 直线台阵加速度功率谱Fig.5 Acceleration PSD of the Line Observation Array

随着振源距离的增加，各频段振动级整体表现为衰减的趋势。但在不同振源距离处，所有频段的振动级均出现了不同程度的局部反弹现象。2 Hz频段衰减曲线的反弹区位于40 m－60 m处，4 Hz频段的反弹区在40 m处，8 Hz频段的反弹区在20 m处，16 Hz频段的反弹区在10 m和50 m处，31.5 Hz频段和64 Hz频段的反弹区在50 m处。这说明不同频率的地表振动在不同振源距离处发生反弹，阎维明等［15］在考察查地铁交通引起地面振动问题时也获得了类似的观测结果。事实上，公式(2)已经表明，不同频率f的地表响应R(x，f)与相应频率的传递函数H(x，f)有关。H(x，f)

的含义是，在位于轨道顶面简谐荷载激励下，与轨道水平距离为x的地表点的响应幅值，如图7所示。由振源辐射出的一系列弹性波经过地层的反射、透射后到达地表受震点。如果部分波的传播距离是波长的整数倍，到达受震点处相位相同，幅值相叠加就可能导致该点的振动水平高于附近其他点，因此形成振动衰减的反弹现象。不同激振频率的波具有不同的波长，反弹点显然不可能位于同一个振源距离x。图7展示的只是一个理想化的模型，实际的路堤、土层分布情况要复杂得多。

需要说明的是，图6的每条衰减曲线均对其自身最大值做了归一化处理。相对于高频段而言，2 Hz频段的振动水平极低，如图5所示。尽管出现了较大反弹，远距离点的低频成分仍然小到可以忽略。

按ISO2631规定的全身振动z计权因子修正1/3倍频程中心频率处VAL曲线，得到铅垂向Z振级VLz。图8为满载和半载两种工况下，VLz的衰减曲线。在10 m－50 m范围内，载客量的大小对地表Z振级的影响不超过2 dB。

文献［11］报告的干线铁路两侧10 m远处地表振动VLz超过90 dB，60 m远处接近70 dB，远超过图8所示的城市轨道交通地表振动水平。这主要是由于城轨交通轴重小，轨道平顺性好，轮轨作用力低的原因。

中国《城市区域环境振动标准(GB10070－88)》规定铁路干线两侧30 m外VLz不超过80 dB，交通干线道路两侧不超过75 dB。从图8可以看出，距轨道10 m处VLz为74 dB，没有超出国家标准的规定。但这并不能说明城市轨道交通引起的环境振动问题可以忽视。事实上，当振动达到65 dB时，一般人的睡眠受到轻微影响;达到69 dB时，所有轻微睡眠的人将被惊醒［16］。《城市区域环境振动标准》1988制定，作为今天评价城市轨道交通环境振动影响的尺度已不合时宜，新的标准亟待出台。

4 结论

本文在现场实测的基础上，对城市轨道交通引发的自由地表垂向振动进行了时程、功率谱和振动加速度级的分析，获得以下结论。

(1)随着振源距离的增加，振动加速度峰值明显衰减，振动持时有增加的趋势。距离越远，振动相位越滞后。

(2)与轨道距离相同的点的振动基本相同，差异来源于土层的不均匀性。

(3)地表振动的优势频率为10 Hz－80 Hz。相对于低频部分而言，高频部分的衰减速度更快。近轨道处的振动以高频为主，远离轨道处的振动以低频为主。

(4)各频段振动级并非随振源距离的增加单调衰减，与场地土层卓越频率接近的频段存在较大的反弹现象。

(5)乘客满载和半载对地表Z振级的影响不大。

(6)城市轨道交通地表振动水平低于干线铁路两侧振动水平。

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Test in situ for free ground vibration near urban railway line

WANG Fu-tong1，2，TAO Xia-xin1，CUI Gao-hang4，ZHENG Xin1，3，LIANG De-yong1，5

(1.School of Civil Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150090，China;
2.School of Civil Engineering and Architecture，Heilongjiang University，Harbin 150001，China;3.School of Engineering，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319，China;4.School of Civil Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040，China;5.Heilongjiang Engineering Project Evaluation and Consultation Centre，Harbin 150008，China)

Ground vibration induced by urban rail traffic becomes a major environmental vibration problem in urban areas.In order to study the vertical ground vibration characteristics and its propagation behavior，a test in situ was carried out near line 13 of Beijing urban railway between Huilongguan station and Huoying one.The responses of the free ground were analyzed in three aspects of acceleration time histories，power spectra and vibration levels.Results showed that the PGA of the ground surface displays a pronounced decay with increase in distance from track，while the vibration is somewhat prolonged;the dominant frequency range is in 10 to 80Hz，higher frequency components are measured at points near track and lower ones are measured at points far from track;the weighted VLz monotonically decays with distance，whereas at some frequency points close to natural frequencies of ground，the banded VLzs are amplified notably at certain distances;there is no significant change in the weighted VLz whether coaches are full or not;comparing with intercity railways，the urban rail traffic causes a more moderate ground vibration.

urban railway;ground vibration;test in situ;vibration level

TU435;U211.3;X593

A

国家自然科学基金重点项目(50538030)

2010－05－31 修改稿收到日期:2010－08－20

王福彤 男，博士生，副教授，1972年4月生