地铁振动对精密仪器的影响预测和对策研究*

谢蓥松李 莉汪龙兵

（1.同济大学铁道与城市轨道交通研究院，201804，上海；2.苏州市轨道交通集团有限公司，215004，苏州∥第一作者，硕士研究生）

地铁振动对精密仪器的影响预测和对策研究*

谢蓥松1李 莉1汪龙兵2

（1.同济大学铁道与城市轨道交通研究院，201804，上海；2.苏州市轨道交通集团有限公司，215004，苏州∥第一作者，硕士研究生）

某仪器场临近规划地铁线路，需要考虑地铁运营后对厂内精度要求很高的三坐标测量仪器的影响及相应的隔振措施，在已运营线路不同轨道隔振地段临线不同距离内，按国家和国际精密仪器振动评价参数，对地铁运行时地面的振动响应进行了测试，分析其对三坐标测量仪的振动影响。结果表明，在不同轨道隔振区段临线一定范围内，地铁运行时的地面振动均不满足通用振动标准级的要求；浮置板轨道的位移峰值已超过国标限值；同时验证了振动放大区的存在。建议针对该精密仪器采取防微振措施。

地铁；精密仪器；微振动；振动评价

First-author＇s address Institute of Railway and Urban Mass Transit，Tongji University，201804，Shanghai，China随着城市轨道交通网的建设，精密仪器使用场所所在的区域难免会有地铁穿过。地铁运行会引起轨道和隧道结构振动，其振动辐射进入隧道周围的土体，再由土体进入建筑。而精密及超精密仪器对使用环境的振动要求比较严格振动对精密仪器的正常使用影响十分突出，会出现数据测量不准确、信噪比差、重复性低、无法正常工作等问题［1］。在上海，轨道交通2号线东延伸区段在设计规划和建设期间也曾遇到相似的问题［2］。微振动已经成为影响精密设备使用的关键性因素之一。

目前，我国并没有专门的电子工业防微振技术标准，对超精密实验加工环境振动的研究尚在起步阶段［3-8］。因此，进行地铁振动对精密仪器的影响预测和对策研究，具有非常重要的工程实用价值。

本文以某新建地铁线规划途径某精密仪器厂内对微振动最敏感的三坐标测量机作为研究对象，用国家和国际标准进行分析评价，为预测地铁振动对该类使用精度要求高的精密仪器的影响提供参考。

1　精密仪器振动标准及比较

1.1建筑工程容许振动标准

根据GB 50868—2013《建筑工程容许振动标准》第4.1.3条规定，三坐标测量机的测量精度ε≤1.0×10-6L。其中，L为坐标测量机的最大量程。其不同频率下的容许振动值如表1所示。

表1　三坐标测量机频域范围的容许振动值

1.2通用振动（VC）标准

VC标准是国际上广为接受的仪器容许振动等级。该指标以V三分之一倍频程内的振动速度有效值作为评价指标，划分为VC-A到VC-G七个级别。VC曲线规定的振动等级如图1所示。

图1　用于振动敏感设备的VC曲线

三坐标测量机振动限值在10 Hz以上，介于VC-C到VC-D之间，但在低频段趋近于VCE。由于VC-E级几乎是精密仪器微振动的极限要求，故而取VC-D为本次评价的限值。

1.3《电子工业防微振工程技术规范》征求意见稿标准

工程建设国家标准《电子工业防微振工程技术规范》征求意见稿中规定了精密仪器、设备的通用容许振动值，其要求与VC标准一致。而且意见稿中更加详细地指出了高能激光实验装置、光纤拉丝塔等的容许振动值。其中，对光栅刻线装置精密加工及计量行业设备、仪器和纳米装置的振动要求与GB 50868—2013《建筑工程容许振动标准》中一致。同时，《电子工业防微振工程技术规范》征求意见稿的附录A还详细地给出了微振动测试和数据处理分析的要求。

1.4标准比较

根据大量的试验结果，精密仪器设备对振动的最大敏感点在频域表达中表现为常值速度。另外，环境振动以随机振动占主导，采用均方根值更能表示振动的统计特性。因此VC标准使用速度的均方根值作为参数最为简便。

2　振动测试分析

对三坐标测量机所在的检测室环境振动进行现场实测。

根据《建筑工程容许振动标准》，实测得到频域范围内的振动加速度峰中最大值为0.913 mm/s2，远小于标准限值2.5 mm/s2；位移峰值最大值是0.50μm，小于标准限值的1.0μm。即实测结果满足要求。

根据VC标准，实测得到的各测点速度信号三分之一倍频程均方根值的最大值为5.87μm/s，小于VC-D的限值6.25μm/s的要求。

由此可知，现有环境振动不会对该精密仪器的使用产生不良影响。

原规划的地铁线路离该检测室较近，而且地铁运行对三坐标测量机这一精密仪器的影响缺乏数据。因此，测试分析时在已经运营的线路，选择不同轨道隔振措施，并在0～40 m范围内布置测点，用VC标准和《建筑工程容许振动标准》综合评价该类精密仪器的环境微振动是否满足其使用要求。

2.1测试地点

测试区间包括浮置板道床区间、剪切型减振扣件区间、一般DTV12型扣件区间。根据现场的实际测量条件，每个区间在测量范围内布置4～5个测点。其中，浮置板道床区间的测点与上行线中心线距离分别为0 m、8 m、13 m、23 m、40 m；剪切型减振型扣件区间的测点与上行线中心线的距离分别为2.0 m、11 m、28 m、38 m、49 m；一般DTVI2型扣件区间的测点与上行线中心线的距离分别为7.6 m、11.2 m、21.1 m、40 m。

对各测点的振动加速度、振动速度各进行约90 min的测量。在测量时段内，上行列车数均为10列。由于列车运行对测试点振动情况有明显影响的时间约为5 s，故以5 s为计算时长。以测量值的算术平均值作为评价指标。

分析评价时，假设该精密仪器所在的位置外界条件（如隧道埋深、土质、车辆线路情况、房屋基础等）和三个区间相同，用VC标准和《建筑工程容许振动标准》综合评价该类精密仪器的环境微振动是否满足使用要求。

2.2频域分析

按照《建筑工程容许振动标准》分析三个区间的竖向振动加速度峰值，得到其频域范围内对比图（见图2）。

由图2可知，①浮置板道床区间与剪切型扣件区间的垂向振动加速度峰值均小于标准限值（见表1），满足要求，且浮置板道床区间的减振效果较好。②DTVI2型扣件区间竖向振动加速度峰值最大值为9.5 mm/s2，大于标准限值（见表1），不满足要求。

图2　三个区间竖向振动加速度峰值对比图

浮置板轨道减振效果明显。当对应频率＜8 Hz时，浮置板轨道区间的振动位移峰值图如图3所示。由图3可知，当对应频率＜8 Hz时，在测量范围内的浮置板道床区间的振动位移峰值最大为1.243μm，大于标准限值1.0μm，不满足精密仪器要求。

图3　浮置板道床区间竖向位移峰值图

由图2、图3可以看出，在测量范围内，振动响应并非随距离单调减少。在距上行线中心线30～ 40 m处，振动有一定放大。这验证了振动放大区的存在［9-10］，且表明在距离地铁线0～40 m的范围内，振动并非随距离的增加而衰减。

2.3按VC标准分析评价

为了进一步比较分析地铁运行振动对精密仪器的影响，可将每个区间全部测点速度信号的三分之一倍频程的均方根值曲线画在一张图中，从而得到三分之一倍频程频域下每一中心频域的速度包络线。

以浮置板道床区间为例，其测点1到测点5的竖向速度均方根值曲线和最大值包络线如图4所示。

图4　浮置板道床区间振动速度三分之一倍频程均方根值曲线及最大值包络线

由图4可知：

（1）浮置板道床区间的振动速度不满足VCD的要求。各测点速度三分之一倍频程均方根值的最大值为8.48μm/s，大于VC-D的限值6.25 μm/s。

（2）5个测点中，测点4（距离23 m处）在三个方向的振动速度最大值均在3.5μm/s以上，反而比更加靠近地铁线路的测点1和测点2要大。这也进一步验证了振动放大区的存在［10］。

（3）5个测点在10～80 Hz的范围内时的振动速度差异不大，但在1～10 Hz的低频范围中差别明显、测点3（距离13 m处）的纵向振动速度8.48 μm/s远大于VC-D的限值6.25μm/s，不满足精密仪器的使用要求，但同时测点3的振动速度在竖向又是最小的。

用同样的方法求得三个区间的速度信号的均方根值包络线如图5所示。将三个区间的振动测试数据按照VC标准的要求进行评价，其中，VC-D的要求是6.25μm/s。

由图5可知：

（1）在测量范围内，三个区间的地铁运行时地面振动均不满足VC-D的要求。

（2）地铁运行时，三个区间的地面振动速度都主要集中在1～5 Hz的低频范围。

（3）在1～5 Hz的低频范围内：浮置板道床区间的竖向、横向振动速度较小，但纵向振动速度较大；剪切型扣件区间的竖向、纵向振动速度较小，但横向振动速度较大；DTVI2型扣件区间的竖向、横向振动速度较大，但纵向振动速度较小。在5～80 Hz的范围内，三个区间在三个方向上的振动差异不大。

3　隔振措施

为确保精密仪器能顺利安装使用，可采取被动隔振措施。常用的措施为设置隔振平台。

隔振平台的隔振效果以振动的传递率TV来表示：

式中：

TV——振动传递率，dB；

vin——输入的速度值，即三分之一倍频程下每一中心频率的包络线速度有效值，μm/s；

图5　三个区间速度的均方根值包络线图

vb——输出的速度值，即VC标准下对应的速度有效值限值，μm/s，其VC-D对应的限值为6. 25μm/s。

以一般DTV12型扣件区间横向测试点的结果为例，分析其隔振效果。图6是一般DTV12型扣件区间三分之一倍频程速度的均方根值包络线图。根据式（1）求得一般型扣件区间测点的传递率，如图7所示。由图7可知，应该在1.0～1.5 Hz频率下提供针对性的被动隔振。且要求隔振平台在1.0～1.5 Hz频率下提供不少于2 dB的横向隔振能力。

图6　一般DTV12型扣件区间三分之一倍频程速度的均方根值包络线图

图7　一般型扣件区间测点的被动隔振传递率图

4　结语

本文比较了涉及精密仪器的现行国家标准、国际标准以及电子工业防微振技术规范征求意见稿，对该地区已经运营的地铁线路不同隔振措施区段一定范围内的地面振动进行测试和分析，并用精密仪器的评价参数进行类比。结果表明：

（1）在40 m的范围内，如考虑地铁运行的影响，则三坐标测量机及其同类精密仪器的环境微振动将超出标准限值，无法满足振动控制要求；如忽略外界条件，则参考上海轨道交通2号线的试验可知，在距离地铁中心线162 m处的振动速度满足VCD振动控制要求，且减振轨道对远场振动几乎无减振效果［2］。

（2）三个不同轨道结构的振动在0～40 m范围内都不随距离而衰减。浮置板道床区间和剪切型扣件区间在25m左右处存在振动区，DTVI2型扣件区间在40 m左右处存在振动放大区。只有离开振源距离足够大，振动能量才会有效减小。

（3）可针对单台高要求的精密仪器进行防微振处理（如采用高刚性底座、高性能隔振装置等）。采用被动隔振措施时，在一般DTV12型扣件区间，隔振平台在1.0～1.5 Hz频率下的速度传递率不能低于2 dB。

［1］ 廖志军.地铁振动对微电子工业区的影响分析和对策研究［D］.上海：同济大学，2009.

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Prediction and Countermeasure for the Influence of Metro Vibration on Precise Instrument

Xie Yingsong，Li Li，Wang Longbing

An electronics industry is located near a planned metro line in Suzhou City.In order to evaluate the vibration influence induced by metro train on the high-precision 3-coordingate measuring machine produced in this factory and provide vibration reduction suggestions to the metro operation company，the vibration on the ground during the operation of metro train was tested in different track vibration isolation sections of Suzhou metro Line 2，and analyzed by national and international evaluation parameters of precise equipment.Results show that the ground vibration during metro operation in different track vibration isolation sections could not meet the requirements of VC-D，and the displacement amplitudes on the ground have exceeded the limit of international standard when the floating slab track is used，at the same time，the existence of vibration amplifying zone has been verified.Some suggestions are put forward to adopt necessary isolation methods for precise instrument.

metro；precise instrument；micro-vibration；vibration evaluation

U 211.3∶U 231

10.16037/j.1007-869x.2016.03.010

*国家自然科技基金项目（51408434）

（2015-07-08）