列车运行引起周边环境振动的监测与分析*

张 远 吕淑然 杨 凯

（首都经济贸易大学安全与环境工程学院，100070，北京∥第一作者，硕士研究生）

列车运行引起周边环境振动的监测与分析*

张 远 吕淑然 杨 凯

（首都经济贸易大学安全与环境工程学院，100070，北京∥第一作者，硕士研究生）

利用振动传感器和测试仪器在某铁路线旁的小区对列车运行经过时引起的三个方向振动速度以及振动频率进行实测。通过对监测数据分析发现，其振动衰减规律的分析结果与通过监测列车运行引起振动加速度的分析结果是一致的。同时参考《爆破安全规程》中的相关安全允许振动速度标准以及运用“振动感觉与振动持续时间关系”的相关理论，确定了评价列车运行引起建筑物振动的安全允许振动速度，为评价轨道交通系统运行对邻近建筑物振动危害提供了一个新思路；最后，指出小幅度长久持续的振动对建筑物的破坏是不能被忽视的，需要进一步研究并采取合理措施来控制和减弱其危害。

列车运行；环境振动；衰减规律；安全监测

Author＇s address College of Security and Environment Engineering，Capital University of Economics and Business，100070，Beijing，China

目前，我国铁路运输不断向高速、重载、大运量和高密度方向发展。然而，随着城市的发展，铁路沿线建筑物也越来越多，致使沿线居民生活受到列车经过时噪声和振动的严重影响，另一方面人们对自己居住的周边环境要求也越来越高。这就导致轨道交通系统与沿线居民生活质量之间的矛盾日益突出。

在国际上振动已经被列为七大环境公害之一［1］，尤其在日本，更把振动作为环境公害之首。列车运行是引起环境振动的原因之一，为此国内外学者就列车运行振动产生的原因、传播的机理、对周围环境的影响以及列车振动控制措施等展开了一系列的研究。文献［2］测量了火车运行时引起环境及附近建筑物的振动加速度，分析结果表明，随着火车运行速度的增大，铁路附近地面和建筑物的振级增大。文献［3］通过对上海轨道交通1号线附近的建筑房屋振动加速度进行监测，证明了列车运行引起的建筑物的垂向振级大小与建筑物的基础类型、构造型式及其与地铁线路的距离有密切关系。文献［4］通过对上海轨道交通10号线部分路段周围场地和建筑物进行振动加速度实测，计算出10号线场地Z振级最小值为82 dB，超出了国家标准值80 dB［5］，因此10号线运行对周围场地居民生活有影响。文献［6］等通过对上海轨道交通1号线的地面环境振动加速度实测分析并与标准限值进行比较，表明地铁隧道埋深10～12 m时地面正上方的Z振级约为70～75 dB，已超过标准的限值。目前，国际上也广泛选取振动加速度级及其对应的振动级来描述振动的强度［7］，并将其作为判断振动对环境影响的依据。

上述关于列车运行振动的监测试验研究主要集中在通过现场监测获得列车运行引起的振动加速度，再以加速度级、Z振级等为指标来评价列车运行振动对周围环境及居民生活的影响，但很少有人从振动速度的角度研究列车运行振动的衰减规律以及列车运行振动对周边建筑物的危害。本文通过某铁路线旁的居民小区进行列车运行引起的振动速度实测，分析了列车运行引起的振动强度的衰减规律和对周边建筑物的影响，为利用振动速度评价列车运行对周边建筑物等环境的影响提供参考。

1　列车运行振动的实测试验

1.1监测地点

考虑监测工作的可行性与方便性，实际监测地点选择在河北省滦平县铁路线旁的某居民小区。此铁路线是沟通京津辽蒙的交通要道，全天共有8次客运列车和若干货运列车通过此铁路线。监测地点的铁路路基比旁边的小区地面稍高（如图1）。此次监测不排除高程对监测数据的影响。小区建筑物离钢轨最近距离约16 m。

图1　监测地点

1.2监测仪器

为准确测得列车运行引起的建筑物三方向（切向、径向、竖向）振动速度和振动频率，本次监测试验采用成都中科测控有限公司生产的TC-4850爆破振动记录仪以及与之匹配的三分量速度传感器（技术指标见表1）、振动分析软件（Blasting Vibration Analysis，BVA）及GpS测距仪。

表1　振动速度传感器技术指标

1.3监测方法

在建筑物外墙边处的地面与钢轨不同距离处设置速度传感器，并尽量将传感器安放在一条直线上。试验时沿水平垂直于钢轨方向呈直线设置了4套监测仪器同时进行监测（如图2所示）。为了使传感器能与接触面耦合良好，将传感器与地面间用快粘粉粘结或将传感器尾椎直接紧插于地面。

图2　监测点布置示意图

监测开始后，传感器采集振动信号并传输到爆破振动记录仪。爆破振动记录仪记录并存储振动信号。待振动监测结束后，用专用软件提取并导出数据，即可对数据进行处理分析了。

2　监测结果分析

2.1监测结果

依据GB 10071—1988《城市区域环境振动测量方法》的相关规定和要求，监测时保持测点位置不变。前后3天共测得20次列车运行经过时引起振动的相关数据。通过专用软件滤波处理后提取数据，分别选择3个方向振动速度的峰值和主振频率，并算得算术平均值（见表2）。

表2　监测数据平均值

2.2振动强度衰减规律分析

有研究指出，由于列车运行产生的大地振动位移非常小而不易测量，而人体对振动的感受与振动速度或加速度有更强的关联性。因此，在研究列车运行产生的振动问题时，用速度或加速度这两个量来描述是恰当的［8］。振动频率则是描述振动快慢的物理量［9］。因而本文用振动速度和振动频率来表征列车运行引起的振动强度。利用Origin软件分析表2中的数据，得到列车运行引起的振动速度、振动频率随距离的衰减规律如图3、图4所示。

图3　振动速度衰减规律

图4　振动频率衰减规律

从图3和图4中可以看出，同一监测点竖向的振动速度和频率都明显大于切向和径向，因此列车运行引起的振动是以竖向为主的。这一分析结果符合GB/T 5035一2005《住宅建筑室内振动限值及其测量方法标准》中“方向之别是振动的重要特征之一，我国城市区域环境振动标准中采用以大地作为参考坐标，并以铅垂向为主要方向［10］”的表述。从图3、4中还可以看出，振动速度和频率都随着与钢轨距离的增加而减小。这一分析结果也与很多以测量列车运行引起振动加速度的研究结果是吻合的。可见，通过合适的拾振器测量振动速度来研究列车运行引起的振动强度衰减规律是可行的。

2.3振动对周边建筑的影响

列车运行时车轮与轨道间的压迫冲击作用是产生振动的根本原因。振动波通过路基向四周传播，当传播到邻近的建筑物时，就会引起建筑物的振动。已有研究指出，列车运行引起邻近建筑物振动会导致建筑物墙体装饰脱落甚至开裂。因此，研究列车运行振动不仅要研究振动的传播衰减规律、对周围环境的噪声及振动影响，更重要的是需要研究其振动对邻近建筑物的破坏作用［9，11-13］。

图5是距离钢轨39 m处铅垂向振动频率图。图5中，列车引起振动的主振频率在10～50 Hz左右，集中在10～20 Hz之间；而建筑物振动的固有频率在10Hz以下，一般为5 Hz左右［14］。因此，不会发生显著共振。由表2可知，列车运行引起邻近建筑物的竖向振动主振频率在19.65～32.56 Hz。由于列车运行引起的建筑物振动频率大于建筑物的固有振动频率，并且随着建筑物与钢轨间距离的增加振动强度是减弱的，因此，从振动频率的角度考虑，铁路线邻近建筑不会因显著的共振作用而破坏。

图5　距钢轨39 mm处的铅垂向振动频率图

振动速度表征的是质点振动时单位时间内的位移。若这一位移超过了建筑物的强度极限则会直接对建筑物造成破坏。我国目前并没有列车运行引起振动对邻近建筑物、设备等的安全允许质点振动速度标准，本文借用GB 6722—2014《爆破安全规程》中安全允许标准的相关参数来分析和评价列车运行对邻近建筑物的振动影响。该标准中质点振动速度为三个分量中的最大值，且振动频率f为主振频率。部分爆破振动安全允许标准见表3［15］。

爆破振动是瞬间的非连续的，一般持续时间在1s内［14］。而列车运行引起的振动相对于爆破振动是一个持续的过程。列车通过时引起邻近地面建筑物振动的持续时间约为10 s［2，8］。这一持续时间是与列车运行速度、列车长度、列车重量以及钢轨路基土层结构等因素相关的。有学者对振动感觉与振动持续时间进行了相关研究［16］。当振动的持续时间在2 s以上时，振动感觉与连续振动一样；当振动的持续时间小于2 s时，随着持续时间的缩短而振动感觉变得迟钝；当振动持续时间为1 s时，振幅比约为0.8，即产生相同的振动感觉时列车运行引起的振幅是爆破振动产生振幅的0.8倍。

表3　爆破时不同主振频率下的质点振动速度安全允许标准（部分）　cm/s

由表2中可知，所监测的建筑物竖向振动主频在19.65～32.56 Hz之间，振动速度峰值在0.015～0.041 cm/s之间。本次试验所监测的建筑物是一般砖房（一般民用建筑物）。按表3，当主振频率在10～50 Hz时，其安全允许振动速度为2.0～2.5 cm/s。根据连续振动与非连续振动的振幅比关系，确定本次监测试验列车运行引起邻近建筑物振动的安全允许振动速度为1.6～2.0 cm/s。与表2中所监测铁路线的邻近建筑物的振动速度相比，可以确定列车运行引起建筑物振动的振动速度在安全允许值以内，因而可以判定此铁路线列车运行不会对监测点处小区建筑物造成直接的振动破坏。

3　结语

本文通过使用振动速度传感器监测列车运行引起周围环境振动的振动速度和振动主频，其对于列车运行引起振动的衰减规律分析结果与其他学者通过监测列车运行引起周围振动的振动加速度分析结果是一致的。因此，可以通过合适的振动速度拾振器来监测并研究列车运行引起振动的衰减规律。

确定了评价列车运行引起建筑物振动的安全允许振动速度，并以此判定监测试验处铁路线列车运行不会对监测点处小区建筑物造成直接的振动破坏。这为评价列车运行振动对周围环境的影响危害和规范建筑物建设、铁路线设计等提供了一个新思路。

虽然列车运行引起的环境振动振幅比较小，不会对建筑物造成直接明显的破坏，但是列车运行引起建筑物振动是相对持续的和长期反复存在的。这种小幅度长久持续的振动对建筑物的破坏是不能被忽视的，需要作进一步的研究并采取合理的措施来控制和减弱列车运行对邻近建筑物的振动破坏作用。

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Monitoring and Analysis of the Surrounding Environment Vibration Caused by Running Train

Zhang Yuan，Lv Shuran，Yang Kai

Vibration sensors and test equipment are used to measure the vibration velocity and vibration frequency caused by running trains from three directions of a community adjascent to railway line.The monitoring data are analyzed，which show that the vibration attenuation law is consistent with the vibration acceleration caused by the running trains.Then，according to the related standards in the“Blasting Safety Regulations”and the“Relationship between Vibration Sensation and Vibration Duration”theory，thesafe vibration velocity standard for evaluating building vibration caused by the running trains is defined，which provides a new way of evaluating building vibration caused by rail transit system.Finally，the damage to buildings by small amplitude and long-lasting vibration is emphasized，further research is required，and reasonable measures are to be taken to control and weaken the vibration hazards.

train running；environmental vibration；attenuation law；security monitoring

U 211.3

10.16037/j.1007-869x.2016.03.017

*科研基地建设-科技创新平台-特大城市安全运行研究项目（p XM2014-014205-000044）

（2015-05-14）