地铁列车激励下岩石场地振动传递特性测试分析

张 斌，王建立，王 建，张啟乐，张 宁

（隔而固（青岛）结构设计事务所有限公司，青岛 266108）

1 研究背景

研究地铁振动主要有现场实测、理论分析和计算机数值模拟三种方法，现场振动实测数据分析得出的结论能为其他两种研究方法提供大量的数据支持，并用以评估地铁引起的区域环境振动[1]。对于北京、上海、广州等开通地铁较早的城市，已有不少学者进行了振动测试方面的研究分析。粟润德等[2-3]通过对北京地铁1号线东单—建国门区间进行现场测试，得出环境背景振动、公交振动等地面车辆和地铁的地面振动响应规律，影响地铁列车引起的地面振动规律的因素主要有距离和背景振动。刘卫丰等[4]对北京地铁4号线北京站—圆明园站区间进行现场测试，结果表明，在距离地铁隧道中心线一定范围内，公交车引起的振动对沿线居民影响要强于地铁列车。袁扬等[5]对北京地铁15号线望京东站—望京站区间小曲线半径地面进行振动测试，研究分析地铁列车通过曲线段时引起地面振动加速度在时域和频域内的传播规律。高广运等[6]对上海地铁1号线人民广场区间隧道进行测试分析，利用振动加速度数据推导地铁列车振动模拟荷载，结合FLAC3D数值模型，分析地铁引起地面振动响应。盛涛等[7]在上海某软土场地对地铁隧道诱发的三向环境振动进行测试，对地铁隧道内、临近自由场地及建筑物室内的三向振动进行了分析。楼梦麟等[8]对上海地铁某区间段的地面及隔振建筑进行实测分析，得出地铁引起的地面振动特性和衰减特性，及地铁激励下装有隔振支座建筑物的隔振效果。徐中根等[9]对广州地铁1号线隧道及地面进行了振动测试，对不同的隧道截面形状给出不同的地表振动传播公式。凌育洪等[10]对广州地铁3号线上方某教学楼拟建场地进行测试分析，发现振动超出限值，需要进行隔振设计。汪益敏等[11]对广州地铁3号线夏滘车辆段试车线临近地面及建筑物振动进行了现场实测，发现在距离轨道0～30 m范围内，地面与建筑物振动均超过相关国家振动标准，在进行上盖物业开发时，需要进行减振设计。

青岛市整体坐落在燕山晚期深成相中粒、粗粒、细粒花岗岩（r53～2c）基上[12]。与其他城市的地质条件相差较大，青岛地铁开通运营时间较晚，相关分析主要采用理论与数值模型手段[13]。地铁列车引起的振动缺乏实测数据，本文选取青岛某地铁线路区间进行隧道—地面同步测试，分析其振动传递衰减规律。

2 测试概况

2.1 测试断面条件及工程地质

测试区间断面隧道为平行双洞，两洞中心线间距13 m，直线地段，隧道断面形式为马蹄形，道床为长枕埋入式普通整体道床，铺设60 kg/m钢轨，DTⅥ2型扣件，运行车辆为B型车，6节编组。地面距隧道顶面16.6 m，距隧道底面23.1 m。测试场地表覆第四系全新统人工堆积层，厚0.76 m，下伏燕山晚期花岗岩，局部糜棱岩、砂土状碎裂岩及碎裂状花岗岩发育，煌斑岩、花岗斑岩岩脉穿插，基地稳固。

2.2 测试仪器及测点布置

隧道内测试采用LMS SCADAS Mobile SCM01采集系统（8通道），PCB 333B50 ICP高灵敏度加速度传感器，其量程 ±5 g，频率范围0.5～3 000 Hz。地面测试采用东方所INV3060CT2型采集系统（8通道），LANCE LC0116型加速度传感器，其量程 ±0.5 g，频率范围0.1～300 Hz。测试仪器及传感器见图1。

图1 传感器与测试仪器Fig. 1 Acceleration sensors and test instruments

隧道内在道床中心与隧道壁距钢轨顶面垂向距离1.25 m处（《浮置板轨道技术规范》（CJJ/T 191—2012）在进行减振效果评价时规定的隧道壁测点布置位置）布置2个测点。地面沿线路垂直方向布置7个测点，距离隧道中心线分别为：0 m、15 m、30 m、45 m、60 m、75 m、90 m，如图 2所示。《城市区域环境振动标准》（GB 10070—88）及《城市轨道交通引起建筑物振动与二次辐射噪声限值及其测量方法标准》（JGJ/T 170—2009）等规范均采用铅垂向振动作为评价指标。因此，在测试时，各测点均采集铅垂向振动加速度响应，采样频率1 024 Hz。

图2 测点布置示意Fig. 2 Measuring points arrangement

3 时域分析

现场实测时，采集多组列车过车振动加速度响应数据，为消除随机干扰，提取10组振动时程与频谱基本保持一致的数据进行分析，计算结果取10组数据平均值。

3.1 振动加速度时程

图 3，图4和图 5分别为隧道及地面各测点典型振动加速度时程。通过对比分析可以发现：

图3 道床中心与隧道壁测点典型振动加速度时程Fig. 3 Typical vibration acceleration time histories of track bed center and tunnel wall

图4 地面0～45 m测点典型振动加速度时程Fig. 4 Typical vibration acceleration time histories of ground measuring points in the range of 0～45 m

图 5 地面60～90 m测点典型振动加速度时程Fig. 5 Typical vibration acceleration time histories of ground measuring points in the range of 60～90 m

1）由加速度响应时程曲线与地铁列车长度简单推导列车经过测试断面的运行速度约71 km/h。

2）隧道内道床中心振动加速度峰值在 100m·s–2量级，隧道壁1.25 m处振动加速度峰值在10–1m·s–2量级；地面0～45 m测点振动加速度峰值在10–2m·s–2量级，60～90 m测点振动加速度峰值在10–3m·s–2量级；背景振动加速度峰值主要在10–4m·s–2量级。

3.2 振动加速度有效值

加速度有效值反映了振动信号的强度，其定义为：

式中：a(t)为加速度时间函数，T为分析时间长度。

根据式（1）计算地铁列车经过测试断面时间段各测点振动加速度有效值，道床中心与隧道壁测点振动加速度有效值分别为 0.272 0 m·s–2、0.058 8 m·s–2，地面各测点振动加速度有效值如图 6所示。分析得出：

1）道床中心、隧道壁、地面振动加速度有效值呈衰减趋势。道床中心至隧道壁、隧道壁至隧道中心线正上方地面振动加速度有效值衰减了4.6倍与9.3倍。

2）地面振动加速度有效值随着与隧道中心线距离的增加呈波动衰减趋势。30 m与75 m测点振动加速度有效值较其前一测点处有所增大，为本测试场地存在的两个振动放大区。文献[14]在距地铁线路水平距离26 m处，测试发现振动放大现象，隧道形式为马蹄形，但隧道埋深及土层类别未作说明。文献[3]在距线路中心线80 m处发现振动放大现象，隧道形式为马蹄形，底面埋深16 m，土层从上至下依次为填土（0～2.5 m）、粉质黏土（2.5～12.5 m）、砂卵石（12.5 m以下）。

图6 地面各测点振动加速度有效值Fig. 6 Virtual values of vibration acceleration of ground measuring points

4 频域分析

按照我国《城市区域环境振动测量方法》（GB10071—1988）规定，采用 ISO2631/1—1997的1/3倍频的计算方法，计算振动加速度级 VAL，计算分析1/3倍频程中心频率最大值为200 Hz。

式中：arms为加速度有效值，m·s–2；a0为基准加速度，一般取 10–6m·s–2。

道床中心与隧道壁测点振动加速度级如图7所示，地面各测点振动加速度级如图8所示。可以看出：

1）隧道内振动主要在50 Hz以上，200 Hz处振动最为显著。道床中心至隧道壁垂向振动传递损失在10.8～37.2 dB之间，25 Hz以内传递损失值较大，均在20 dB以上。

2）地面振动同样集中在50～200 Hz，其中60～80 Hz的振动最为显著。随着地面测点距离线路中心线距离增加，30 Hz以上的振动呈衰减趋势，频率越高，衰减越快；30 Hz以内振动变化不大。

3）30 m与75 m处两个振动放大点，相对于其前一测点，均在8～25 Hz与60～80 Hz频段有放大，在其他频段，振动大小呈交替变化趋势。

4）1～8 Hz频段，45 m处的振动最大；11～25 Hz频段，30 m处的振动最大；26～45 Hz频段，15 m处振动最大；45～200 Hz频段，0 m处的振动最大。90 m处振动在大部分频段均最小；45 m处16～30 Hz的振动最小。

图7 道床中心与隧道壁测点振动加速度级Fig. 7 Vibration acceleration level of track bed center and tunnel wall

图8 地面各测点振动加速度级Fig. 8 Vibration acceleration level of ground measuring points

5 振动传递损失

将隧道壁测点作为参考点，计算隧道壁至地面各测点1/3倍频程各频段振动传递损失，用以评价岩石类场地振动传递特性。

图 9为隧道壁至地面各测点1/3倍频程加速度级传递损失，可以看出：

1）振动传递损失曲线均近似呈 V型分布，高频段振动传递损失最大值除0 m测点外均在36～46 dB之间，低频段振动传递损失在7～19 dB之间，传递损失在20～25 Hz附近最小。

图9 隧道壁至地面各测点振动传递损失Fig. 9 Vibration transmission loss from tunnel wall to ground

2）除45 m与60 m处测点外，隧道壁至地面其他测点传递损失在 20～25 Hz附近均有负值出现，说明此频段附近振动加速度从隧道壁传递至地面有放大现象。30 m处测点在20 Hz处放大最明显，达到5.2 dB。

3）实测传递损失与文献[15]试验分析结果趋势一致，由于激励方式、隧道类型及埋深、土层分布等条件不一致，结果有所不同。

6 结论

通过对青岛某地铁线路区间普通道床段进行隧道—地面同步过车响应测试分析，得到以下结论：

1）隧道内道床中心与隧道壁1.25 m处振动加速度峰值在 10–1～100m·s–2量级；地面 0～90 m 处振动加速度峰值在 10–3～10–2m·s–2量级；背景振动加速度峰值主要在 10–4m·s–2量级。

2）道床中心—隧道壁—地面振动加速度有效值衰减趋势明显。地面振动加速度有效值随着与隧道中心线距离的增加呈波动衰减趋势。本测试场地在距离隧道中心线30 m与75 m处，存在2个振动放大区。

3）隧道与地面振动主要集中在50～200 Hz，隧道200 Hz处的振动最为显著，地面60～80 Hz的振动最为显著。30 m与75 m处2个振动放大点，相对于前一测点，均在8～25 Hz与60～80 Hz频段有放大。

4）隧道壁至地面振动传递损失曲线均近似呈V型分布，高频段振动传递损失较低频段大，传递损失在20～25 Hz附近最小，大部分测点在此频段传递损失均出现负值，说明此频段附近振动加速度从隧道壁传递至地面有放大现象，这可能对建筑结构二次辐射噪声产生不利影响，当线路下穿附近建筑物需要进行轨道隔振设计时，应谨慎选择固有频率在此频段附近的隔振系统。

5）地铁列车运行引起青岛岩石场地振动传递特性与其他场地类别相比具有一定的相似性与差异性。测试结果可为青岛地铁后期线路规划对地面环境振动影响提供参考。