地铁建筑物内振动环境监测装置测试

彭桂力，梁 茵，沈 统，李怀良，潘 雷

(1．天津城建大学控制与机械工程学院，天津 300381；2．西南科技大学核废物与环境安全国防重点学科试验室，四川 绵阳 621010；3．天津城建大学能源与安全工程学院，天津 300381)

0 引言

随着社会的进步，城市化进程不断加快，出现了越来越多的国际大都市。城市的交通问题成为城市发展的关键，城市轨道交通成为解决大都市交通问题的主要手段[1-2]。地铁列车主要行驶于地下、地面或高架线路的轨道结构上，由于准静态激扰和动态激扰，会产生振动[3]。该振动经隧道基础和衬砌结构传递到周围的地层中，再经地层向各个方向传播，激扰附近的地下或地面结构，以致激发建筑物产生振动，对环境造成巨大影响。地面及高架线路以噪声影响为主，地下线路则以振动影响为主[4]。随着地铁网络密集程度的提高，运行时间的交互重合，带来的振动和噪声也会急剧加大[5]。

在城市地下铁路的运行中，地铁所带来的振动危害最大[6]。地铁发展迅速，其运行所引起的环境振动问题受到全社会的广泛关注[7]。对地铁振动数据的测量、分析和处理，以及对振动过程控制和预测是城市轨道交通路网规划和建设中不可回避的问题[8]。如何通过对现有的地铁振动数据进行分析处理，预测出列车运行引起的环境振动，是一个非常具有现实意义的课题。

1 地铁运行过程产生振动的来源

1.1 振动产生原因分析

引起列车振动的特征参数有很多，轨道不平顺(轨道动态几何变形数据)是其中的主要原因[9-10]。车辆条件包括列车运行速度和列车质量等；车轮运行表面条件包括轨道曲率、质量和刚度等；隧道结构条件包括厚度、深度等；地质条件包括土壤和岩石类型等；建筑物条件包括房屋结构和地板的固有频率等。综上所述，地铁振动是一个复杂的过程，是一个多因素相互影响的多维物理系统。

1.2 列车振动主要对人和建筑物影响范围

列车在运行过程中产生的振动频率范围在0.3～250 Hz，会产生垂直振动和水平振动，通常只考虑垂直方向的振动参数。人体可感知的振动频率范围是1～1 000 Hz[11]，且对于小于16 Hz的低频振动更为敏感。振动在传播过程中，高频部分比低频部分衰减得快，因此低频振动影响比高频振动影响要大。各种振动频率对人体的影响如表1所示。德国建筑物对振动的灵敏性分成三类，如图1所示[12]。

表1 各种振动频率对人体的影响Tab.1 The influence of various vibration frequency on the human body

图1 德国建筑物振动标准分类图Fig.1 Classification of German building vibration standard

2 测量地铁振动的试验方法

地铁在运行过程中引起的振动主要是由列车与轨道之间轮轨相互作用产生的。振动由轨道基础通过轨道扣件和道床传到隧道，由隧道通过土壤介质传向大地，再通过建筑基础传播至地面和地面结构，从而诱发建筑物产生振动。本次所测量的建筑物位于为天津市和平区营口道附近，旁边深约100 m的地下就有天津地铁一号线运行。天津地铁一号线从早晨6∶00开始运行，到晚上22∶30结束运行，运行时间长达16.5 h，运行间隔平均为7 min，最高运行时速为80 km/h。天津地铁一号线经历4年的重修、改造后，从2006年6月12日正式投入运行，已经运行10余年。

2.1 测量地点

本次主要测量地点是在天津市和平区营口道附近的一幢高层建筑物。该建筑物由一个钢筋混凝土框架结构与大型开放型空间组成，拥有地下2层、地上25层。 测量地铁运行过程中产生的振动数据主要采用振动传感器，将装置安置在高层建筑物中不同楼层，分别测量地铁运行时在各个楼层不同位置的振动数据。系统启动后24 h连续不间断测量地铁运行时建筑物反映的振动数据，数据通过网络传输至监控中心。系统内设置振动峰值的最大报警值。当振动数据超过设定值时，系统会进行报警记录。

2.2 测量仪器与信号的采集与处理

本次测量采用了研华工控机作为数据采集和处理系统。利用市电和锂电池两种方式对设备进行供电，通过以太网协议转为串口通信，将振动检测仪器的检测数据通过串口写入工控机，直接存入数据库中。工控机具有以太网接口、USB接口和无线WiFi模块，可以直接通过USB读取数据，也可以通过网络远程直接读取数据。振动信号检测主要采用AWA6256B型环境振动分析仪。该分析仪由环境振动加速度计、信号处理主机、环境振动测量分析软件组成，主要用于环境振动测量。

3 地铁振动数据测量结果与分析

数据采集之后，必须要经过预处理，包括定标、剔点、零均值处理，消除信号噪声等，这样可以在地铁经过时得到标准的加速度过程曲线。地铁产生的振动是一个随机信号，可以认为是一个具有零均值的、各态历经性的平稳高斯过程。采用傅里叶变换将时域变为频域，观测地铁振动产生的能量大小。变换到频域之后，经常采用1/3倍频程来描述。1/3倍频程是评价振动时各频率段的范围[13]。由于地铁振动产生的波形只是对垂直加速度起到主要影响作用。所以在测试过程中主要采用建筑物的垂直加速度作为分析参照量[14-16]。

3.1 地下二层测试数据分析

测量时间为中午11∶30～12∶00，测量方式采用实时不间断测量，测量得到的原始数据为振动加速度数值。根据经验，选取了比较有代表性的频率范围，进行时间与加速度图形绘制。将测量的加速度曲线在时间轴上进行数据变化，得到功率谱密度函数曲线。将纵轴加速度转变为能量参数。对所有测量数据进行傅里叶变换，将时域变换到频域，然后算出所有频段的振动加速度的1/3倍频程频谱。地下二层振动测试图如图2所示。

从图2可知，所有数据几乎具有相同的规律，在20 Hz以下数据比较集中，加速度的能量增益在40 dB以下，50 Hz时能量增益达到最大，可达到55 dB。后续频率范围的数据具有一定波动性。所以初步可以判断地铁对建筑物的影响频率应该在20 Hz以下的低频范围内，这和所查阅的文献是一致的[16]。

图2 地下二层振动测试图Fig.2 The vibration testing charts of G2

3.2 地下一层测试数据分析

测量时间同样为中午11∶30～12∶00，测量方式为实时不间断测量，选取了比较有代表性的频率范围进行测量。测量数据与处理后的结果如图3(a)所示。综合分析后可得到在20 Hz以下数据比较集中，加速度的能量增益在40 dB以下，50 Hz达到最大，可达65 dB。后面频率范围的数据具有一定波动性，频率越高，曲线的重合性越差。

3.3 一层测试数据分析

测量时间区间与方式不变，测量地点选取大厦首层。测量数据与处理后的结果如图3(b)所示。从图中分析得到5 Hz以下的数据比较高，最高达到52 dB。5～20 Hz以下数据比较集中，加速度的能量增益在35 dB以下，50 Hz达到最大，可达50 dB。后面频率范围的数据也具有一定波动性，频率越高，曲线的重合性越差。

3.4 二层测试数据分析

测量时间区间与方式不变，测量地点选取大厦二层，测量数据与处理后的结果如图3(c)所示。从图中观测到20 Hz频率以下数据比较集中，加速度的能量增益在45 Hz以下，100 Hz达到最大，达到50 dB。后面频率范围的数据也具有一定波动性，同样可以发现频率越高，曲线的重合性越差。

图3 不同楼层的1/3倍频程特性曲线Fig.3 1/3 octave characteristic curves of different floors

4 地铁振动数据参数讨论

对连续采集到的数据进行分析讨论，在同一个时间间隔内大厦内不同位置所采集到振动加速度和能量增益如表2所示。

表2 采集地铁振动特征数据Tab.2 Vibration characteristic data collected

从表2可以看出，所有的数值都在可控范围之内，只有在大厦二层两个峰值的加速度略高，在不同楼层所测量的数值有所区别，但变化不大，满足中国振动环境限值(白天一类建筑不超过65 dB)。另外，根据所测数据出现明显峰值的时间，将时间进行统计，不同楼层出现振动幅度最大特征峰的时间如表3所示。

表3 振动特征峰出现时间Tab.3 The time of vibration characteristic peak appears

根据表3可以发现，除了地下二层无明显的特征峰以外，其余三层出现特征峰的时间几乎相同。这样就可以初步判断出在这几个时间内有振动出现。根据当天天津地铁1号线运营情况可知，在11∶36、11∶45和11∶55时间上分别有3趟列车经过，这也就证实了测量的准确性。除了这些时间，别的振动特征峰出现可能是当时人和机动车产生的振动所导致的。不同楼层特征率下，同一时间所产生的振动能量增益如表4所示。

表4 同一时间特征频率下的振动能量增益Tab.4 The vibration energy gain at the same time and characteristic frequency

根据表4可以发现，在同一时间不同楼层进行测量时，振动主要集中在20 Hz以下。这些低频振动产生的增益是影响建筑物的主要因素，产生的最大值小于45 dB，满足中国所规定的振动环境标准。在高频处也几乎在相同的位置产生最大能量增益。所测量的数据具有一定代表性，能够反映地表振动对建筑物产生影响的一般规律。

5 结束语

本文对天津地铁1号线运营过程中对建筑物产生的振动影响进行了现场测试和数据分析，分析了不同楼层、不同频率下的振动对建筑物的影响。由分析可知，地铁运行过程中在不同楼层产生的振动能量相差不大，出现时时间具有一致性。由傅里叶变换得到的频率响应可以看出，对于不同楼层测量到振动数据，在频率20 Hz以下的数据有共同特征，所以可以认为该频率是影响建筑物的主要频率。

目前，我国各个省市轨道交通发展迅速，这就需要科技工作者更多地关注轨道运营过程中对环境和人产生的影响。由于各个地区土质和楼房结构均不同，需要投入大量的时间和精力去进行监测和分析。

参考文献:

[1] 袁杨.地铁列车振动环境响应预测的人工单点列脉冲激励方法研究[D].北京：北京交通大学，2014.

[2] 司徒国强,王庆贤,吴俭民,等.隧道限界检测中车体振动补偿问题的研究[J].自动化仪表,2016,37(1):30-33.

[3] 孙晓静.地铁列车振动对环境影响的预测研究及减振措施分析[D].北京:北京交通大学,2008.

[4] 马蒙.基于敏感度的地铁列车振动环境影响预测及动态评价体系研究[D].北京:北京交通大学,2012.

[5] 田春芝.地铁振动对周围建筑物影响的研究概况[J].铁路节能环保与安全卫生,2000(1):67-70.

[6] 李永军,崔心瀚,李珂.一种振动信号的EMD去噪方法及其仿真分析[J].自动化仪表,2016,37(9):14-17.

[7] 夏禾.交通环境振动工程[M].北京:科学出版社,2010.

[8] 曹艳梅.列车引起的自由场地及建筑物振动的理论分析和试验研究[D].北京:北京交通大学,2006.

[9] 栗润德.地铁列车引起的地面振动及隔振措施研究[D].北京:北京交通大学,2008.

[10]马龙,辜小安.高速铁路列车运行振动对邻近精密仪器设备的影响分析综述[J].噪声与振动控制,2007(81):87-90.

[11]陈建国.高架轨道交通引起的环境振动预测与参数研究[D].北京：北京交通大学，2009.

[12]日本噪声控制协会.地域的环境振动[M].东京:技报堂出版株式会社,2001.

[13]曹艳梅,夏禾.振动对建筑物的影响及其控制标准[J].工程力学,2002(S1)：388-392.

[14]TAKEMIYA H,BIAN X C.Shinkansen high-speed train induced ground vibrations in view of viaduct-ground interaction[J].Soil Dynamics & Earthquake Engineering,2007,27(6):506-520.

[15]翟杰群.地铁振动传播的现场测试与数值分析[D].上海：同济大学，2007.

[16]洪俊青，刘伟庆.地铁对周边建筑物振动影响分析[J].振动与冲击,2006,25(4):142-145.