地铁振动测试“猫耳”状时程曲线分析及对策

俞泉瑜，申琼玉，初 强，曾向荣

(安境迩（上海）科技有限公司，上海 200030)

地铁振动测试及数据分析是振动源强及相关减振措施研究的重要基础，测试及数据分析出现问题，将影响后续相关研究。

地铁振动测试方法可遵循相关国家标准，但运营线路的振动测试有其特殊性，即人员需在地铁运营结束后进入轨道区间安装测试仪器设备，人员撤出后设备自动运行，采集第二天全天列车正常运营期的数据。数据采集过程中，列车运行及现场环境的不确定因素对测试仪器设备的影响无法实时监控和调整，易导致数据采集受到干扰，从而使测试结果出现意想不到的情况或偏差。

目前关于地铁振动测试的研究已取得大量成果[1－7]，研究方向多为基于大量测试探讨振动源强的测点位置、不同测试工况对振动测试结果的影响等，对测试方法仅围绕仪器型号、测点位置和参数选取进行阐述，数据筛选采用剔除离散数据的方式[3]等。而测试仪器设备的选择及安装的细节控制在现有的研究中较少提及，同时数据分析也易被忽略。

本文针对地铁隧道内振动测试数据出现的“猫耳”状振级时程曲线这一典型问题开展分析，探讨导致该问题的若干原因，并研究提出相应的对策。

1 地铁振动测试的常规技术要点

1.1 测试相关规范

地铁振级测试主要参照GB10071－1988《城市区域环境振动测量方法》[8]、GB/T19846－2005《机械振动列车通过时引起铁路隧道内部振动的测量》[9]、HJ453－2018《环境影响评价技术导则城市轨道交通》[10]和T/CAMET03001－2020《地铁振动源强测量规程》[11]这几项标准规范，其中在T/CAMET03001中根据近年来的测试经验对地铁振动源强测试的设备及安装、测试断面、测点位置、数据采集及数据处理、报告编写等进行了全面的规定，针对性相对较强。

1.2 测点位置

本文所述的地铁振动测试断面包括3个垂向加速度测点，分别放置于钢轨、道床和隧道壁，测点位置如图1所示。钢轨测点位于钢轨轨底，道床测点位于道床平面，隧道壁测点位于距钢轨轨面高度1.25±0.25 m的隧道壁垂向位置。

图1 地铁隧道内振动测试的测点布置示意图

1.3 测试设备

采用24 位多通道数据采集仪(北京东方振动与噪声技术研究所INV3062T 型)，配套DASP V11 数据采集系统。针对钢轨和隧道壁测点，选择压电加速度传感器(YA16 和YA19 型)，量程为1 000 g 和50 g。测试设备及参数见表1。

表1 地铁隧道内常用振动测试设备

1.4 测试参数设置

测试时采样频率一般选为2 048 Hz，每个断面连续测试，全天正常运营列车不少于100列，采用自动触发采样，每次测试时长为30 s。

1.5 测试设备安装

振动传感器采用磁座吸附和胶粘等方式绝缘安装，传感器连接采集仪的传输线采用胶带固定，测试设备放置在仪器箱内置于不影响地铁正常运营的指定位置。

1.6 数据分析方法

根据GB10071－1988[8]和T/CAMET03001－2020[11]，采用1 Hz～80 Hz频率范围最大Z振级VLZmax对地铁隧道内振动测试数据进行分析及评价。其中采样频率为2 048 Hz，分析点数为2 048，VLZmax分析间隔为0.1 s，计权曲线采用ISO2631/1－1985标准Z计权，对全天列车通过的隧道壁垂向Z 振级最大值进行分析，剔除离群值，取不少于20 列的算数平均值作为测试结果。

2 典型“猫耳”状振级时程曲线特征

依据相关标准规范要求，在地铁隧道内振动测试分析中，通常通过批量计算并剔除离群值得到VLZmax数据，另外也会关注其频谱特征值。然而，在数据结果异常时，往往认为是减振效果不佳或断面差异所致，不会对数据作进一步分析并探究其他例如测试设备或其安装方面的问题。

2.1 “猫耳”状振级时程曲线范例

如图2所示为两个不同地铁振动测试断面的典型“猫耳”状振级时程曲线，其主要特征为振级-时间曲线图中列车通过时段首尾呈现异常峰值，使整个列车通过时段的振级时程曲线形似“猫耳”。此时若机械地依据相关规范、不加甄别地将VLZmax取在列车通过时段的“猫耳”峰值位置的数值，将导致测试结果中的振级VLZmax相比正常测试结果偏大，偏差值可达5 dB～10 dB。

进一步对“猫耳”状振级时程曲线峰值点对应的时域信号进行观察分析，图2（b）所示“猫耳”状峰值振级对应的时域信号中存在信号异常漂移的现象，因此，时域信号漂移是导致“猫耳”状振级时程曲线的原因之一。

图2 两种典型的“猫耳”状振级时程曲线

2.2 典型“猫耳”状振级时程曲线的特征分析

以某次地下线隧道壁振动测试断面的数据为例进行详细特征分析。该断面共设置2个隧道壁垂向加速度测点分别为隧道壁1和隧道壁2，隧道壁2是在隧道壁1测点处间隔30 m的相同测试工况位置增设的对比测点。

2.2.1 Z振级分析

测试数据分析结果如下：隧道壁1 测点的VLZmax1为87.7 dB，隧道壁2 测点的VLZmax2为73.7 dB。

隧道壁1与隧道壁2测点设置在同样高度位置，其相隔仅30 m，列车运行工况一致，但VLZmax的差值高达14 dB，数据分析中已排除数据离散性的影响，因此需进一步分析该差异产生的原因。

2.2.2 时域分析

任选该断面数据中的一组典型振动加速度时程曲线见图3，图中分别为同一列车通过时段的钢轨、道床、隧道壁1 和隧道壁2 垂向振动加速度时程曲线。这4 段振动加速度信号在时域图中均无明显异常。

图3 垂向振动加速度时域图（钢轨/道床/隧道壁1/隧道壁2）

该列车通过时段的隧道壁1 及隧道壁2 的Z 振级时程曲线见图4。由Z振级时程曲线对比可知，隧道壁1 处的振级在车头车尾经过时明显增大，与隧道壁2处的振级时程曲线相比，呈典型的“猫耳”状。这就是在数据分析时得到VLZmax1偏大的原因。若剔除“猫耳”峰值对应的Z 振级最大值数据，则列车通过时段隧道壁1与隧道壁2的VLZmax相差不大。

图4 垂向Z振级时域曲线图（隧道壁1/隧道壁2）

2.2.3 频域分析

对上文中的隧道壁1 与隧道壁2 测点数据进行FFT 自谱分析得到各测点的频域特征见图5。相对于隧道壁2，隧道壁1 的加速度自谱信号在3 Hz～5 Hz存在明显低频峰值，3 Hz～5 Hz低频成分对于振动加速度或振动加速度级不敏感，由于计权网络的影响，对于Z振级就会产生非常大的影响，这类低频信号的出现通常与较大瞬时冲击干扰有关。

图5 隧道壁1与隧道壁2处振动加速度自谱图

3 原因分析及应对措施

3.1 原因分析

结合峰值出现的时间轴位置，“猫耳”状峰值可判断为在列车车头、车尾通过测试断面时产生，因此认为其与隧道测试环境中列车车头车尾通过时引起风压变化导致的较大瞬时冲击干扰有关。对测试设备、传输线类型及安装方式进行对比分析，产生“猫耳”状振级时程曲线问题的原因主要包括：

（1）传感器与电缆线未正确安装。

进行隧道内振动测试时使用的部分传感器通过M5连接器连接，若选择的电缆线与M5连接器不匹配，或螺纹旋接不到位，则可能使电缆线在列车车头、车尾通过所引起剧烈变化的风压作用下出现信号传输异常的问题。

图6中圈出的传感器M5 连接器对比其他传感器明显过长；安装电缆线后，连接器处仍可见有螺纹外露，说明连接器与电缆线螺纹不匹配，该情况是产生“猫耳”状振级时程曲线的原因之一。

图6 传感器与电缆线安装接口不匹配

（2）传感器电缆线固定方式不可靠

图7所示的传感器电缆线在安装后自然垂放，未进行可靠固定，电缆线将随列车车头车尾通过引起的风压剧烈变化而大幅度摆动，甚至会引起连接部分松动，从而导致测试数据异常。

图7 振动测试传感器电缆线不可靠的安装固定方式

通过室内模拟晃动电缆线试验可知，若传感器电缆线未可靠固定且有外力导致电缆线晃动时，会产生因摩擦引起额外电荷放电所致的低频干扰。

（3）传感器质量过轻或其固定底座不牢固

通过室内传感器对比试验发现，在传感器规格参数相同情况下，质量越小的传感器受到因电缆线晃动导致的干扰越严重，越容易导致测试信号异常。

此外，传感器固定底座可能较单薄，或其安装的底座不牢固或有松动或形变，也会导致测试信号异常，这在测点多、传感器多的测试活动中也是可能存在的现象。

3.2 应对措施

“猫耳”状振级时程曲线问题出现的原因包括传感器与电缆线接口不匹配，电缆线固定方式不可靠，传感器质量过轻或其固定底座不牢固、易受外界因素干扰等，具体应对措施有：

（1）选择测试设备时，应检查传感器与电缆线接口的匹配性，核查传感器配套紧固装置的直径、螺纹、材料的规格说明，确认与电缆线接口是否完全匹配。测试设备安装时，应确认二者紧密连接，达到规定的安装力矩的要求。

（2）按国家规范GB/T 14412－2005[12]规定正确安装并固定传感器电缆线，见图8。规范中除规定几种传感器安装及固定方式以外，亦提出了传感器与电缆线连接接口处不得受力、电缆线需固定在振动体的连接表面上等要求。

图8 正确的电缆线安装固定方式

（3）国家规范GB/T 13824－2015 规定，为使传感器能在更广的范围内应用，其有效质量应尽可能小[13]。但从室内模拟试验可知，质量越小的传感器受电缆线晃动的干扰越大。因此实际测试中，应综合考虑测试要求和实际条件等多方面因素合理选择传感器的类型。

（4）在测试数据分析处理过程中，提取最大Z振级VLZmax时，应先分析列车通过时段的Z振级时程曲线是否有异常，尤其是否存在类似“猫耳”状振级时程曲线。

4 结语

本文对地铁振动测试的振级异常增大现象进行了分析，通过时域、频域及振级时程分析及室内模拟试验，发现“猫耳”状振级时程曲线现象的产生及其原因如下：

（1）传感器与电缆线未正确安装；

（2）传感器电缆线固定方式不可靠；

（3）传感器质量过轻或其固定底座不牢固。

并提出了如下应对措施：

（1）选用及安装测试设备时应注意其正确匹配；

（2）参照GB/T 14412－2005的规定进行传感器和电缆线的安装固定；

（3）参考国家标准GB/T 13824－2015并结合测试应用环境选择合适的传感器；

（4）进行数据分析时应检验振级时程曲线是否有异常峰值，排除“猫耳”状峰值对测试结果的影响。

这些措施可作为相关测试规范标准的补充，有助于提高地铁隧道壁振动测试的可靠性和客观性。