软土与岩层地质下地铁隧道振动传递特性分析

蔡子博，鞠龙华，彭克群，王安斌

(上海工程技术大学 城市轨道交通学院，上海 201620)

随着我国经济和城市建设不断发展，人口集中现象日趋明显，面对日益增长的交通客流量，城市交通运输面临前所未有的压力，为缓解城市交通运输的压力，地铁作为一种高效、安全、环保的现代化交通运输方式在大中型城市中快速发展。随着地铁建设的飞速发展，解决地铁建设中出现的问题也变得愈发迫切，由于地铁线路建设的特殊性，许多地铁运行区域与居民的生活和工作区域有一定的重合，地铁列车运行时产生的振动会通过土层及建筑物传递至居民的活动场所，大大影响居民的日常生活和工作。因此越来越多的学者开始研究地铁振动的传递特性以指导地铁的建设工作，国内外学者通过现场测试、理论分析、数值模拟等方面对地铁运行所带来的振动问题进行分析研究，得出许多有价值的结论。针对我国现在高速发展的铁路建设现状，翟婉明等[1]对多种轨道线路形式提出了诸如铁路维护、建设运营安全性等多个方面的问题。为解决目前轨道交通中所存在的问题，许多学者针对不同的地铁运行工况采集了现场数据。高萌等[2]通过测试对比了青岛地铁岩层地基和上海地铁软土地基的振动加速度值，对测试数据进行了时、频域分析，得出介质阻尼大小与地基振动大小具有反相关性，软土地基以低频振动为主，岩层地基以高频振动为主，低频成分较少且其主导频率大于上海地铁软土地基的主频的结论。和振兴等[3]基于对上海地铁和北京地铁的实测振动数据建立了有限元模型，通过有限元模型预测了地铁振动在不同埋深和不同土层条件下在地面传播时多个方向的振动传递特性。楼梦麟等[4]对上海某地铁进行测试，得到振动在地面的衰减趋势及地面振级较大的频段。涂勤明[5]通过测试分析了普通整体道床、中等减振扣件、梯形轨枕轨道和钢弹簧浮置板轨道条件下的钢轨、道床、隧道壁的振动加速度及钢轨动态变形，从Z振级和1/3倍频程的角度分析不同减振措施的减振性能。Zuo 等[6]对某车辆段咽喉区和试车线临近地面及车辆段试车线的邻近建筑物进行了现场实测，得出车辆段咽喉区、试车线的地面振动传播规律和试车线邻近建筑物的振动传播规律。根据大量的实测数据许多学者开始采用仿真或理论的方式对不同运行工况下地铁振动的传播规律进行预测和评估。高广运等[7]利用2.5维建模仿真的方法得到了不同车速和不同土体条件下的地面位移变化情况。刘维宁等[8]和闫维明等[9－10]分别建立了地铁车辆-轨道系统及隧道结构-地层系统的动力学模型，用于研究地铁列车振动的环境保护问题，并获得了1 Hz～10 Hz 的地表振动放大区及主要集中频率。此外，还通过实测数据分析了20 m～30 m范围内的地面传播规律，发现振动放大区能量主要集中在10 Hz 以内，同时发现了高频分量随距离增大而衰减但在某些地质条件下会出现反弹的情况，并对35 Hz 以下的地铁振动分量进行非线性拟合并给出相应的经验公式。Lai 等[11]利用简化的数值模型对列车运行振动所涉及的物理现象进行数值模拟，包括其对结构响应的影响及预测的振动谱对列车速度的依赖性。

本文基于列车通过软土地质和岩层地质时的实测数据，研究两种地质条件下地铁列车运行引起的振动在隧道壁、距隧道中心线水平距离为0、15 m和30 m隧道上方地面垂向传递过程中的传递特性，采用1/3倍频程对实测数据进行处理分析，揭示4 Hz～200 Hz内各频段的振动在两种地质条件下在传递过程中的变化情况。

1 测试概况

1.1 测试仪器

本次测试采用INV3060V采集仪，结合DASP软件和PCB 加速度传感器对列车经过时所在测点的数据进行实时采集与储存。

1.2 测试方案

如图1所示本次测试中共布设4个测点，其中在隧道壁测点安装固定块，通过固定块安装垂向和水平向两个加速度传感器，在地面上布置距隧道中心线正上方间隔为0、15 m 和30 m 3 个垂向加速度测点，在列车通过时同时记录4个测点的振动数据，为排除随机性干扰，本次测试中选取不同时间段上的数据进行记录，对每个时间段至少记录20 组数据，并选取其中的20组数据进行均值计算，进而进行测试数据的整理和分析。

图1 加速度传感器位置示意图

1.3 测试场地的选取

第一个测试场地选在地质条件为软土地质的某地铁运行区段，其地铁线路埋深约为19.7 m。其具体土层性质和物理特性如表1所示。

表1 软土地质土层参数

第二个测试场地选在地质条件为岩层地质的某地铁运行区段，其地铁线路埋深约为20.1 m，其具体土层性质和物理特性如表2所示。

表2 岩层地质土层参数

2 软土地质和岩层地质下地铁振动传递特性

2.1 隧道壁至地面的振动传递特性分析

图2为隧道壁至隧道正上方垂向振动传递损失，其中，振动传递损失为沿振动传递路径上一拾振点振级与下一拾振点振级的差值，结果中正值表示振动在传递过程中衰减，负值表示振动在传递过程中增强。

图2 软土地质和岩层地质条件下的振动传递损失

从图2可以看出由隧道壁至轨道中心线的传递过程中，软土地质条件下的最大传递损失频率为200 Hz，振动损失值高达38.7 dB，岩层地质条件下的最大传递损失频率为4 Hz，振动损失值为20.4 dB。岩层地质对6.3 Hz以下的低频振动的衰减要大于软土地质，而除6.3 Hz以下频段的振动，软土地质对6.3 Hz 至200 Hz 频段的振动衰减均大于岩层地质，两种地质条件下12.5 Hz 至40 Hz 频段的衰减量较小，总体在10 dB 以下。在振动从隧道壁传至距轨道中心线的过程中，岩层地质条件下16 Hz～20 Hz 频段的振动有一定增强。总体上振动在软土地质中衰减更明显。

2.2 地面振动传递特性分析

图3为软土地质条件下距隧道中心水平0 m、15 m、30 m处地面垂向振动水平，从图3可看出软土地质条件下的振动频段主要集中在63 Hz 以下，在12.5 Hz和40 Hz频带存在振动峰值，0 m测点处的垂向振动Z 振级为54.8 dB，15 m 测点处的垂向振动Z振级为57.1 dB，30 m 测点处的垂向振动Z 振级为54.7 dB。图4为软土地质条件隧道上方距隧道中心0～15 m 和15 m～30 m 地面垂向振动传递损失，从图4可看出振动在从0至15 m的传递过程中在4 Hz～8 Hz和25 Hz～200 Hz频段内振级增大，总振级增大，在由15 m 至30 m 的传递过程中除8 Hz 以下的低频振动外其余频段振级减小，总振级减小。

图3 软土地质条件下距轨道中心线0、15 m、30 m处振动加速度级

图4 软土地质条件下距轨道中心线0至15 m、15 m至30 m处振动传递损失

图5为岩层地质条件下距隧道中心水平0 m、15 m、30 m处地面垂向振动水平，从图5可看出岩层地质条件下的主要振动频段在8 Hz～100 Hz 之间，在16 Hz 至63 Hz 频带内存在振动峰值，0 m 测点处的垂向振动Z振级为41.2 dB，15 m测点处的垂向振动Z振级为40.8 dB，30 m 测点处下的垂向振动Z 振级为39.4 dB。图6为岩层地质条件下隧道上方距隧道中心0～15 m 和15 m～30 m 地面垂向振动传递损失，从图6可看出振动在从0 m 至15 m 的传递过程中在25 Hz 以下的频段内随距离增加而衰减，25 Hz至200 Hz 频段内振级有一定的增加，总振级减小，在由15 m 至30 m 的传递过程中除低频4 Hz、5 Hz处振级增强外其余频段减小，总振级减小。

图5 岩层地质距轨道中心线0 m、15 m、30 m振动加速度级曲线

图6 岩层地质距轨道中心线0 m至15 m、15 m至30 m振动传递损失曲线

对比软土地质和岩层地质中的振动传递特性可知，在隧道埋深相似的情况下，软土地质条件下的振动峰值所处的频带要低于岩层地质，这种现象出现的原因可能是体波在两种地质条件下的传递介质不同，一是软土地质条件下土层阻尼大，其对高频振动的衰减效果较岩层地质较好，二是软土地质条件下体波波速较小，横波波速和纵波波速在土体中的传播与土层弹性模量、泊松比和土体密度有直接关系。其中横波波速Cs、纵波波速CP与弹性模量E、泊松比ν和土体密度ρ的关系如式⑴、式(2)所示。

由于软土地质和岩层地质中波速不同，振动波从振源传递到地面振动观察点处对于某个相同频率的振动的波数就不同，波数n与波长λ和波速C及波传播的距离d在某个频率f的关系如下式(3)和式(4)所示。

从式(3)式(4)可知软土地质中的波速要小于岩层地质，由式(1)和式(2)可知，波速与材料模量的开方成正比，材料模量大的波速大，低模量的软土地质对应的波速要小于高模量的岩层地质。在相同的频率和振动波传播距离条件下波速越小，波数越大。由此说明，相同距离、同一阻尼介质条件下，振动在波数大的软土地质中传播比在波数小的岩层地质中衰减更多。两种地质条件下在从0 m至15 m的振动传递过程中在部分频段有振动增大的情况，可能是由于此时表面波对传递过程的影响增大，软土地质条件下在10 Hz 以下和25 Hz～200 Hz 频段振动增大，岩层地质条件下增大频段在25 Hz～200 Hz；振动在两种地质条件下在地面从15 m至30 m传递时，40 Hz以上频段的高频振动明显衰减，在20 Hz以下频段振动衰减较少，部分频段出现了增强。两种地质条件下振动在地表的传递过程中在部分频段都有一定的增强，这可能是由于两种地质条件下各层土层性质的不同使振动波在土层中的传递出现差异导致的，因为振动波在土体中传播时不仅是在单一土体介质中的传播，也有从一种土体传播至另一土体的过程，通过两土体接触面时，振动波会发生折射与反射，振动波在介质中传播时经过不断地折射和反射，其传递角度也会不断发生变化，此种传递方式会对振动波在土体中的传播过程产生明显的影响[12]，但其中各土层参数对各频段振动传递的影响还需要进一步的研究。

2.3 地面低频振动传递特性分析

图7为软土地质和岩层地质条件下距隧道中心线水平距离为0 m、15 m、30 m 处在不同1/3 倍频程中心频率的地面振动加速度级。如图7所示，由地铁列车运行引起的振动在软土地质中传播时4 Hz、5 Hz、6.3 Hz 和8 Hz 的振动在15 m 处出现了不同程度的增强，其中5 Hz、6.3 Hz 和8 Hz 的振动在30 m处衰减，4 Hz的振动在30 m处仍继续增强，10 Hz和12.5 Hz的振动在15 m处衰减，在30 m处出现增强；在岩土地质中4 Hz和5 Hz的振动在15 m处衰减，在30 m处出现增强，其余频带的振动随距离增大而减小。上述数据显示振动在地面的传递时软土地质和岩层地质对于12.5 Hz 以下低频振动的衰减能力都较差，部分频段的振动在地面传递时在软土地质条件下出现在15 m 和30 m 处连续增强的现象。低频振动在地面传递时在岩层地质条件下较软土地质出现增强的频段较少，但整体上对低频振动部分的衰减依然较小。综上所述，12.5 Hz以下频段的振动在地面传递时的衰减总体较弱，尤其是在软土地质条件下低频振动的振级较高，且在30 m的传递距离内有部分低频振动出现随距离增大振动持续增强的现象，需重点关注。

图7 软土地质和岩层地质条件下地面0 m、15 m、30 m 处低频振动加速度级

3 结语

本文对软土与岩层地质条件下地铁振动传递特性进行研究，通过对测试数据进行1/3 倍频程处理，对两种地质条件下不同频段振动的传递特性进行分析得出以下结论。

（1）在两种地质条件下振动在传递过程中在4 Hz～200 Hz频段内都存在两个振动波峰，其中软土地质条件下振动波峰所处频率小于岩层地质。

（2）振动由隧道壁传至地表时，软土地质对高频振动的衰减效果较好，岩层地质对低频振动的衰减效果较好。岩层地质条件下在16 Hz～20 Hz频段内的振动有轻微增强。

（3）在地面从0 m处至30 m处的振动传递过程中，软土地质条件下在15 m 处的总振级出现增强，岩层地质条件下总振级随距离增加持续衰减，软土地质条件下部分12.5 Hz 以下频段的振动随距离增加持续增大，岩层地质条件下部分低频振动在30 m处出现增强。简而言之，两种地质形式对20 Hz 以下的低频振动的衰减效果都较差，在传递距离达到15 m以上时，其对40 Hz以上振动的衰减效果较好，总体上软土地质条件下衰减效果更好。

（4）进行周边建筑物减振及选址时，软土地质条件下除要关注两个振动峰值处的频段，对于20 Hz以下频段的振动也需关注，在岩层地质条件下则可重点关注两个振动峰值所处的频段，距轨道中心线30 m 以上的建筑物受到地铁振动的影响将大幅减小。对于较高频率振动的减振，可以通过对道床进行减振改造来实现，如将普通道床替换为减振道床或将普通扣件替换为减振扣件，对于低频振动的减振，可以通过地基加固等方式实现。