地铁引起的地面振动特性分析

2023-01-13易丙旺殷琳张雯洁周卓琳黄鹏

宁波工程学院学报 2022年4期

易丙旺,殷琳,张雯洁,周卓琳,黄鹏

（宁波工程学院建筑与交通工程学院,浙江宁波 315211）

0 引言

我国地铁系统发展迅速，目前45座城市总的地铁运营里程已达7 978.19 km[1]。地铁对城市发展贡献显著，然而也带来一些负面影响。因地铁线路一般穿越住宅或写字楼密集的中心城区，地铁线路离建筑物很近，所以地铁运行诱发的振动会对人们生活和工作的环境造成影响。国际上公认的七大环境公害就包含地铁运营引发的振动与噪声。目前，我国关于地铁运营引起的环境振动与噪声方面的投诉较多，这也引起了相关科研人员的广泛关注[2-5]。

研究地铁引起环境振动的主要方法有三种：现场实测、数值计算和理论分析。其中现场实测方法最为方便有效，且其分析结论可用于验证其他两种方法的正确性。

我国用现场实测方法研究环境振动问题始于20世纪80年代，茅玉泉[6]针对火车引起的振动问题，对实测数据进行回归，得到地面振动衰减公式。潘昌实等[7]针对地铁引起的振动进行实测，其数据主要用于计算模型中荷载的确定和计算结果的验证。闫维明等[8]对测得的地铁引起的加速度时程进行了频谱分析，并计算了加速度有效值和振级，证实了振动放大区的存在。栗润德等[9]采用加窗及线性平均技术，将地铁引起的地面振动实测的数据转化为倍频程谱，分析了地面振动的影响因素，发现了“交汇频率”现象。崔高航等[10]通过对地铁引起地面振动的实测数据的分析，得知荷载的变化会影响地面振动的振幅和衰减规律。楼梦麟等[11]的实测数据表明：地铁引起的振动在距地铁隧道中心线10 m范围内振动水平较高，高频成分多；在距中心线35 m左右处基本衰减至最小值。楼梦麟等[12]利用Hilbert边际谱分析了地铁引起地面振动的实测数据，得出的振动信号谱特性比利用Fourier谱得出的特性更符合实际。

目前，关于宁波地区地铁引起的环境振动研究少见报道，本文针对宁波市地铁某一地下线场地进行环境振动的现场实测，通过采集数据分析地面振动规律，以期为城市规划与设计提供参考。

1 场地简况与测点布置

本次测量场地选在宁波地铁某线区间地下段对应的地面。地铁线由2条平行单线圆形隧道组成。地铁车型为国家标准的B2车型，接触网授电，6节车厢，由四动二拖方式组合。高峰期发车频率为4 min左右一班，运行最高时速80 km/h。测线选择在两个车站的中点附近，此处列车通过时车速最大。测线垂直于隧道轴线，测线上布置6个测点，由近及远依次命名为P1～P6，各测点距隧道中心分别为17.0、24.0、29.3、32.1、39.1和51.1 m，如图1。

图1 测线及测点布置示意图（单位：m）

测量仪器选用B&K公司的振动与噪声测试分析系统，其中数采仪型号为B3053-B-120，测量动态范围130 dB，分析频率范围0～25.6 kHz；传感器选用灵敏度为10 V/g的8340型加速度计。测试时，采样频率设置为8 192 Hz。选择平坦坚实的地面放置传感器，先将一有螺丝口的铁块用502粘在地面，然后通过丝杆将传感器固定在铁块上。崔高航等[10]测试分析结果表明地铁引起的地面振动以铅垂向振动为主，本文仅对垂向振动进行测试与分析，后面提及的振动均为垂向。因地铁线路正上方的地表就是机动车道，所以测试数据易受到地面机动车的干扰，经过挑选，最终确定了10条仅由地铁引起的地面振动数据作为分析基础。

2 实测数据分析

2.1 加速度时程

图2为某次地铁通过测线时，各测点振动加速度时程曲线图。图中横轴为时间，单位为s；纵轴为加速度测量值，单位为cm/s2。由图2可知，地铁通过测线时引起的地表振动持续时间为10 s左右。在6个测点范围内振动幅值随距离的增加先变大，后变小，再变大。如，在17 m处的P1测点时振动峰值在3.0 cm/s2左右，振动传至24 m处的P2测点后振动峰值升为3.7 cm/s2左右，24 m以后振动峰值逐渐减小。传至39.1 m的P5测点时振动减为最小，为0.9 cm/s2左右；传至P6测点后振动峰值增加为2.0 cm/s2左右。

图2 各测点垂向加速度时程:(a)P1测点;(b)P2测点;(c)P3测点;(d)P4测点;(e)P5测点;(f)P6测点

其他工况时各测点加速度峰值数据见表1，该表中的正峰值、负峰值和平均峰值分别指加速度时程的最大值、最小值的绝对值和最大值与最小值的绝对值的平均值。为直观起见，也通过图的形式给出各工况时所有测点的加速度峰值，如图3。

图3 各工况时各测点垂向加速度峰值:(a)正峰值;(b)负峰值的绝对值;(c)正负峰值平均值

表1 （续）

表1 各工况下各测点的加速度峰值

从图3可以看出，各工况无论是振动的正峰值、负峰值还是平均值，其随距离变化曲线均成“海马”状，即P2测点的振动峰值相对前一测点P1有反弹放大，P6测点相对P5测点也有反弹放大现象。

P2测点的振动反弹放大和P6测点振动反弹放大机理不同。P2测点的垂向振动峰值大于P1测点，这是由“漏斗现象”造成的。因地铁隧道的沉降，地铁隧道上方倒三角形范围内的土体与地铁隧道脱开，隧道的振动不能有效传至地表，所以振动较小。本次测量数据表明，倒三角形顶角小于90°。

闫维民等[8]和宗刚等[13]分别介绍了振动反弹放大区的现象和机理。本文中P6测点的振动峰值大于P5测点，这是因为P6测点位于振动反弹放大区，振动反弹放大区位于离隧道中心线51 m左右。

从表1可以看出距离隧道中心线24 m处的P2测点竖向振动最大，各工况的均值约为2.70 cm/s2；距离隧道中心线39.1 m处的P5测点竖向振动最小，各工况均值约为1.00 cm/s2。

2.2 加速度傅里叶谱

将2.1节中图2所列工况各测点的加速度时程进行FFT变换，可得各测点的加速度幅值谱如图4。由图4可知，地铁地面振动的频谱主要集中在30～70 Hz范围内。根据图4(a)可知，P1测点在40 Hz附近有明显高于其他频率处的峰值，该分量的振动传至P2测点过程中衰减最明显。对比图4的(a)和(b)可知，振动从P1传至P2点过程中40 Hz附近的分量衰减最快，40～60 Hz之间的分量约有增加。对比图4的(e)和(f)可知，较远的P6测点相对于较近的P5测点，其40 Hz附近的振动分量有所增加，由2.1节知P6点位于振动反弹放大区，这种放大主要是由40 Hz附近分量引起。其他工况的频谱特性也存在类似规律，限于篇幅，本文仅列出一个工况的相关数据。