富水砂卵石地区不同类型轨道振动源强及衰减特性试验研究

程云妍，赵 月，王跃宗，刘 毅

（1. 成都轨道交通集团有限公司，四川成都 610041；2. 成都交通投资集团有限公司，四川成都 610041）

1 研究背景

近年来，地铁的高速发展在一定程度上缓解了交通拥堵问题，推动了城市经济全面发展，但其产生的振动噪声问题，对沿线居民的生活和精密仪器的工作产生了不良影响[1-3]。地铁运行产生的振动是非常复杂的波动过程，受车辆、轨道系统、轨下基础结构（隧道）、土壤介质和建筑物类型等因素影响。安装钢轨阻尼、更换扣件连接、制造钢弹簧浮置板道床等措施，已经成为地铁轨道减振措施发展的主要方向[4-7]。刘鹏辉[8]等人通过对地铁隧道内不同减振措施现场振动测试分析，了解不同减振措施在各个频率范围内的减振效果差异；刘福金[9]等从车轮、钢轨、扣件和道床4个方面综述地铁轮轨主要减振降噪措施，并从减振降噪效果、施工难易、制造成本、维修难易等方面分析各措施的优缺点。但是在车辆、轨道、轨下基础结构基本一致的情况下，不同地质条件下的振动波传播及衰减规律也存在较大差异；郭飞[10]等人对兰州砂卵石地层施工振动传播及衰减特性进行试验分析，得出该地区环境振动传递规律，提出相应的环境振动评价建议；而成都仍沿用北京、上海、广州上世纪80年代修建地铁研究成果中的预测参数，未能反映出成都的地质环境特点，因此根据成都所处地质环境进行特定地区的地层振动传播特性研究十分重要。

成都所处地区地质条件相对单一，大部分区域为冲积及冰水沉积砂卵石地层，少部分区域为第四系黏土和白垩系砂泥岩，从理论上分析地质条件对振动衰减效果较好[11]。目前国内外对振动在地层中的衰减主要通过基于“振源-传播路径-受振体”这一研究系统建立起来的理论模型。Harkrider[12]采用传递矩阵法研究了各项异性介质的瑞利波频散，以及不同埋深点源下分层竖向质点位移表达式；Kausel和Peek[13]利用薄层法得到刚性基上分层介质在瞬态荷载作用下质点位移响应离散解；然而，面对地铁列车运行引起的振动及其在土体等介质中传播这样一个非常复杂、涉及多对象系统的问题，在建立理论模型时，不得不对实际的情况做出大量的简化、假定、抽象与约束，使得到的结果不能完成精确的定量预测分析。

因此，本文通过现场测试方法，对富水砂卵石地区施加不同减振措施的区段进行振动对比试验研究，分别在采用GJ-Ⅲ减振扣件、钢弹簧浮置板、一般整体式道床、浮轨式扣件4种轨道结构形式的隧道内及地面进行现场测试，采用Z振级分析、频域分析、时频分析[14-16]等多种分析方式，对成都地区特有的富水砂卵石地层振动传播及衰减特性进行研究，以确定线路与各种沿线建筑的理想空间关系。

2 试验概况

2.1 断面选取

本文在成都地铁1号、2号、4号和7号线开展试验研究，所处地质条件均为富水砂卵石地层，1号、2号、4号线使用车型均为B型车，7号线使用车型为A型车。本研究对各线路测点进行地下、地面同步测试，根据使用车型、列车设计速度、轨道结构形式、地质条件、埋深选取了5组合适的测试地点，测点信息如表1所示。

表1 测试地点信息 m

2.2 测试设备

本次试验主要采用的仪器包括网络式智能采集仪、加速度传感器、垂直向拾振器、横向拾振器、计轴传感器（测速用）等，其中加速度传感器及拾振器主要技术指标如表2所示，数量由现场断面和测点情况而定。

表2 加速度传感器及拾振器主要技术指标

2.3 测点布置

本研究地面测点测试时间为上午9 : 00 — 11 : 00或下午15 : 00 — 17 : 00。隧道壁源强测试设备在地面测试开展前一天夜间布置于测试断面隧道壁处，测点布置在行车方向右侧距设计轨顶面1.9 m高处，如图1所示。测试设备自动采集隧道壁振动加速度值，通过采集仪的时间记录功能，挑选出时间与地面测点测试时一致的通过列车数据，从而确保地面振动响应测试数据与隧道壁源强测试数据时间上的同步。地面测试沿垂直列车运行方向布置若干测点，第一个测点位于轨道中心线正上方，各测点相对于轨道中心线水平距离依次是0 m、5 m、10 m、15 m、20 m、25 m、30 m、40 m，在各测点处均垂向布置拾振器，现场布置如图2所示。数据采集的采样频率为1 024 Hz，分析频率最大可达512 Hz。

图1 隧道壁源强测试测点布置图

图2 地面测点布置示意图

3 测试结果与分析

3.1 隧道壁源强测试结果与分析

3.1.1 Z 振级分析

取测试时间内通过的10趟列车通过产生的有效数据的平均值，图3为全部5组测试断面隧道壁源强分频Z振级，包括4种轨道结构形式的隧道壁源强在频域内的变化规律。根据测试结果显示：采用浮轨式扣件的4 号测试断面隧道壁振动源强峰值出现在31.5 Hz处，采用钢弹簧浮置板道床的2号测试断面隧道壁振动源强峰值出现在8 Hz处，其余3组隧道壁振动源强峰值均出现在80 Hz处，考虑到测试时间和列车运行速度相差不大，由此可看出不同的轨道减振措施对隧道壁振动的衰减能力存在显著差异。

图3 各测点的Z振级

3.1.2 时频分析

为了保留时间信息，提高分析精度，本文采用复Morlet小波[17]对5组不同轨道结构的隧道壁响应时程做连续小波变换，将时域数据转化为时频域进行分析，如图4所示。

图4 隧道壁源强时频分析

图4a～图4e反映了全部断面的典型时频分布，图中的亮斑或亮线表示特定时刻和频率范围的振动峰值，对应了轮轨相互作用对轨道下部结构的振动冲击，除浮置板轨道外可以观察到6节列车各个轮对经过测点的时刻，图4e标识出了对应的列车。将分析频段扩大到4 ～200 Hz的范围可以看出：采用GJ-Ⅲ减振扣件轨道结构隧道壁振动能量主频为110 Hz，而160～180 Hz的振动能量相比于一般轨道结构得到了有效的衰减；第2组采用钢弹簧浮置板的隧道壁源强振动能量整体较小，分散于50 Hz以下及70～110 Hz，这是由于钢弹簧浮置板阻隔了高频振动向隧道基础的传递，在列车经过前后，测点对应的频段均有振动能量，这表明浮置板轨道的振动传递距离远、衰减慢但可以抑制振动的峰值；而列车经过装有浮轨式扣件的隧道壁160～200 Hz高频振动峰值则未被抑制，但振动衰减更快；采用一般整体道床和DT-Ⅵ2扣件轨道形式的2组，由于第5组列车运行速度等于第3组导致了第5组时域信号更宽。虽然第5组运行的A型车速度低，但是A型车轴重大载客多，导致其对轨道结构施加的振动激励大于第3组。因此，二者的各自振动的频域分布基本一致而轨道系统的输入能量差异导致了隧道壁处测得的第5组源强大于第3组。

上述隧道壁源强测试结果说明GJ-Ⅲ减振扣件、钢弹簧浮置板及浮轨式扣件对减弱列车运行引起的环境振动是有效的，GJ-Ⅲ减振扣件、浮轨式扣件、钢弹簧浮置板3类减振轨道结构分别于120 Hz、40 Hz、10 Hz后产生隔振效果，从考虑降低环境振动源强的效果考虑，钢弹簧浮置板减振效果比浮轨式扣件更好，浮轨式扣件优于GJ-Ⅲ减振扣件。从时频分析的情况来看，采用减振轨道结构且隔振效果越好的断面振动能量在时域上的分布越分散的趋势。可见振动源强受轨道结构影响是显著的，故振动自源强位置向远场传播并衰减的过程自然也应考虑轨道结构的影响。

3.2 地面振动测试结果与分析

3.2.1 Z 振级分析

实测地面振动加速度信号采用自互功率谱修正法对地面本底振动进行去除，并在此基础上进行采用GB 10071-88《城市区域环境振动标准》中的铅垂向Z振级计算[18]，为使得到的计算结果稳定，选取重叠系数为3/4[15]。取10趟有效数据的Z计权分频振级最大值的平均值作为评价指标，对多个测点取各振动测点的算术平均值为振动评价量，得到结果如图5所示。

图5 地面振动Z振级分布

从图5中可以看出采用GJ-Ⅲ减振扣件的断面，在距测试线路0～20 m范围内地铁运营引起的地面环境振动从60.7 dB快速衰减到52.3 dB，但25 m处振动加强至55.8 dB，至30 m处衰减至53.5 dB而40 m处又加强至54.0 dB，在10 m以外测点基本上呈现一种波浪形的分布规律。这样的波浪形分布在采用钢弹簧浮置板的断面2处更加明显在距线路中心线40 m范围内，列车引起的地面环境振动的Z计权振级水平在48～52 dB，从变化趋势上来看，振动在垂直于线路中心线的方向上反复出现了多个加强区。而一般轨道结构的振动地面分布，除5 m处和25 m处测点有振动加强外，地面环境振动几乎呈线性衰减，5 m测点处的振动加强是由于隧道本身具有一定的宽度造成的，通常将隧道宽度的影响范围考虑在7.5 m左右，而第二次振动加强发生在25 m处。对于断面4，列车经过测试断面时地面环境振动Z振级水平在52～56 dB，在距线路中心线5～20 m的位置地面振动快速衰减至20 m处达到最低水平51.9 dB，25 m处振动加强至53.63 dB而后随距离增长继续衰减。A型车运行于一般轨道结构上产生的地面振动衰减规律较其他测试断面有很大不同。在测点至线路中心线距离增大的同时地面环境振动的变化较小，Z计权振级水平在50.0～53.5 dB的范围内。从变化趋势上来看0 m测点处的振动较弱，这可能是埋置隧道有一定宽度导致的正上方地面振动减弱。振动加强有2处，第1处类似于前述测试的20 m测点处振动加强，第2处40 m处的测得的环境振动却是全部测点中最大的，初步推测是由于土层的不均匀分布导致的。

3.2.2 频域分析

将距轨道不同距离处的振动频谱绘制成频率-距离 -振级云图，如图6所示。由图6可知，断面1、2列车运行引起的地面振动在距线路中心线不同距离的各个测点的频谱成分基本一致，8个测点的地面振动主要贡献频段分别在50～80 Hz、5～20 Hz的范围内，与列车引发的隧道壁源强主频一致。断面1在0～10 m范围内地面振动衰减主要在于20～40 Hz频段，Z计权振动从50 dB衰减到40 dB左右的水平。而在更远的测点处，振动能量的主要贡献频段则是振动的主频区段50～80 Hz，25 m处振动加强也是50～80 Hz的振级大于相邻测点，而20 Hz以下频段对地面振动贡献较小。断面2随距线路中心线距离的增加，地面振动呈波浪形变化，第1次5 m位置处的加强主要由50～80 Hz频段贡献；第2次15 m位置处的振动加强则是31.5～80 Hz的加强导致的，25 m和40 m测点处的加强在频率变化上与15 m处一致。值得注意的是在20 m测点处相比于临近两侧点，振动在1～8 Hz频段大3～5 dB而8 ～80 Hz频段则小2～3 dB。从一般整体式道床轨道经过 10趟B型车时各测点地面振动的频率分布情况中可以发现地面振动能量贡献的主要频段是8～12.5 Hz、50～80 Hz。但在0～20 m范围内，地面振动的变化几乎全部由50 ～80 Hz频段贡献。安装浮轨式扣件的地面环境振动多数测点的主频在31.5 Hz处，8 Hz处是其频域分布的另一处峰值。观察前5个测点即0～20 m范围内振动衰减，振动能量衰减的主要贡献频段是50 ～80 Hz，其余频段的衰减并不明显。图6e表明了A型车运行时各测点地面振动的频率分布情况。可以发现地面振动能量贡献的主要频段是10～16 Hz和50～80 Hz。0m测点振动衰减主要是8～50 Hz振级比其临近的5 m、10 m测点都要小，20 m测点处的振动加强体现在全分析频段的振动加强，而40 m处的振动加强主要是10～80 Hz频段加强贡献的。

图6 地面测点频率 - 距离 - 振级云图

总体而言，全部测试断面的环境振动频域分布主频基本与各断面隧道壁源强主频保持一致，这说明环境振动的主频在经过土体介质后一般不会发生改变，决定环境振动频域分布的主要因素仍是轨道结构形式，主频除浮置板轨道外一般由车辆轨道系统的P2共振频率决定的。而在传播途径上，除断面5外的测试结果都反映了一个相同的规律，即地面环境振动随传播距离衰减的主要体现在各组断面的主频上而加强区测点的频域加强频带为50～80 Hz。其实，4 Hz以下和50～80 Hz频段振动均呈波浪形随距离衰减，但是地面振动的低频成分贡献较小，而50～80 Hz的振级水平一般为主频或接近主频，故50～80 Hz随距离衰减的第一个“波峰”处一般是地面振动加强区出现的位置。

3.3 地下至地表振动衰减测试结果

5个断面地下至地面振动的衰减情况如图7a～图7e所示。全部测试断面地面环境振动在1～2.5 Hz的振动能量比源强小很多，振动经土体传播后衰减明显，这表明轨道结构对低频振动的传播几乎没有影响。但在4～40 Hz的范围内，隧道埋深在13 m左右的3组断面中，断面1振动自源强位置至地面在8～20 Hz出现了振动放大，断面4的振动放大频段出现在4～6.3 Hz和16 Hz处，断面3的振动放大频段则是5～16 Hz。而源强位置较浅的断面2振动放大频段是10～20 Hz，源强位置较深的断面5振动放大频段是10～16 Hz。在50～80 Hz的频段内，施加了减振措施的断面振动衰减明显弱于一般轨道结构。然而，各组测试断面的隧道埋置位置和地质条件有较大差异，振动衰减特性的主要影响因素还需进一步的研究来确定。

图7 地面地下分频振级

4 结论

本文通过对多种轨道结构在列车荷载激励下的隧道壁源强和地面振动进行同步测试，探究成都地区特有的富水砂卵石地层的振动传播及衰减特性，采用频域分析、时频分析、地面Z振级分析等多种分析方式对试验数据进行处理，通过分析得出了以下结论。

（1）GJ-Ⅲ减振扣件、钢弹簧浮置板及浮轨式扣件对减弱列车运行引起的环境振动是有效的，且分别于120 Hz、40 Hz、10 Hz后产生隔振效果，从考虑降低环境振动源强的效果考虑，减振效果钢弹簧浮置板大于浮轨式扣件大于GJ-Ⅲ减振扣件。振动源强受轨道结构影响显著，故振动自源强位置向远场传播并衰减的过程自然也应考虑轨道结构的影响。

（2）土体介质对环境振动的主频几乎没有影响，轨道结构形式是决定环境振动频域分布的主要因素，除浮置板轨道外主频一般由车辆轨道系统的P2共振频率决定的。地面环境振动随传播距离衰减主要体现在各组断面的主频上，而加强区测点的频域加强频带为50～80 Hz。50～80 Hz的振级水平一般为主频或接近主频，故50～80 Hz随距离衰减的第一个“波峰”处一般是地面振动加强区出现的位置。

（3）选取的4种轨道结构4 Hz以下的低频振动和50 Hz以上的高频振动经过土层介质后均有较为明显的衰减，4 Hz以下的低频振动随距离呈线性衰减，50 Hz 以上的高频振动衰减量随频率的升高而增加；在4 ～20 Hz的范围内，传播至地表的振动会发生放大，不同地质情况会使振动加强频段有所不同，但总体上在实施地面减振措施时10～12.5 Hz的地面振动应受到重点关注。