孫麒云, 張鶴年

(1.南京工業(yè)大學(xué)交通學(xué)院,南京 210009； 2.東南大學(xué)建筑學(xué)院,南京 210096)

隨著現(xiàn)代城市規(guī)模的日益擴(kuò)大,軌道交通以其運(yùn)量大、速度快、安全可靠等特點(diǎn),成為解決城市交通的重要手段。但由此引起的振動(dòng)對(duì)大都市生活環(huán)境和工作環(huán)境的影響也引起了人們的普遍關(guān)注。國(guó)際上已把振動(dòng)列為七大環(huán)境公害之一,并已開(kāi)始著手研究振動(dòng)污染的規(guī)律、振動(dòng)產(chǎn)生的原因、傳播的路徑與控制方法以及對(duì)人體的危害等問(wèn)題[1～10]。

目前,關(guān)于軌道交通引起的環(huán)境振動(dòng)的研究方法主要有以下3種:(1)理論分析。目前這方面的研究主要是：振源、結(jié)構(gòu)及地層響應(yīng)的整體分析和控制方法、振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)。(2)數(shù)值模擬。建立研究體系的動(dòng)力學(xué)模型,得到模型的動(dòng)力學(xué)方程,采用數(shù)值方法求解方程得到整個(gè)模型的響應(yīng)。(3)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。對(duì)此方面的研究有重大的理論和現(xiàn)實(shí)意義,但目前此研究較少,其成果主要為相應(yīng)的理論分析提供根據(jù)、印證理論模型的正確性、為評(píng)估地鐵誘發(fā)的環(huán)境振動(dòng)提供依據(jù)。對(duì)軌道交通振動(dòng)影響的研究,還缺乏相關(guān)的測(cè)試數(shù)據(jù),仍有許多問(wèn)題需待研究和解決。為此,筆者分別對(duì)南京軌道交通1號(hào)線以及南延線上的3種不同線路形式進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),根據(jù)結(jié)果分析了其運(yùn)行所引起地面振動(dòng)的實(shí)況、振動(dòng)特性及其傳播規(guī)律,并對(duì)3種形式進(jìn)行了比較,以便為進(jìn)一步研究環(huán)境振動(dòng)的控制問(wèn)題提供參考。

1 軌道交通引起的地面振動(dòng)的實(shí)測(cè)

測(cè)試共有3種路線形式,分別為地面線,地下線和高架線。在其沿線選擇典型振動(dòng)觀測(cè)場(chǎng)地且與線路垂直的觀測(cè)線,當(dāng)列車通過(guò)時(shí)對(duì)觀測(cè)線上的各點(diǎn)進(jìn)行豎向加速度的地面振動(dòng)實(shí)測(cè)。實(shí)測(cè)儀器為美國(guó)儀器NI動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀,傳感器為科動(dòng)KD1100LC,并在實(shí)測(cè)前進(jìn)行了系數(shù)標(biāo)定,以保證測(cè)試的準(zhǔn)確。測(cè)試時(shí)列車通過(guò)的車速約為65 km/h。

1.1 地面線實(shí)測(cè)結(jié)果分析

此測(cè)試點(diǎn)位于南京軌道交通1號(hào)線安德門站至小行站區(qū)間,線路形式為地面線,為有砟軌道。測(cè)點(diǎn)分別布在距離軌道中心5、10、17、22、27、32 m的地方。圖1、圖2分別為豎向加速度時(shí)程曲線和頻譜曲線。從圖中可以看出：

(1)各測(cè)點(diǎn)的豎向振動(dòng)強(qiáng)度隨著與軌道水平距離的增大而逐漸減弱,在5～10 m范圍內(nèi)減弱的幅度最大,但在20～30 m的距離里振動(dòng)強(qiáng)度有所反彈；

(2)測(cè)點(diǎn)豎向振動(dòng)的主要頻率為0～100 Hz,最大值一般出現(xiàn)在30～80 Hz,這說(shuō)明列車引起的豎向振動(dòng)主要以頻率低于100 Hz為主,尤以30～80 Hz最為顯著。其原因可能是因?yàn)榱熊囈鹫駝?dòng)頻率與某一土層的振動(dòng)頻率相近而誘發(fā)共振造成的；

(3)隨著與列車線路水平距離的增大,振動(dòng)信號(hào)的各頻率分量總的趨勢(shì)是減弱,且頻率愈高衰減愈快。

1.2 地下線實(shí)測(cè)結(jié)果分析

此測(cè)試點(diǎn)位于南京軌道交通1號(hào)線小行站至中勝站區(qū)間,線路形式為地下線,是混凝土整體道床,隧道斷面為馬蹄形。測(cè)點(diǎn)分別布在距離軌道中心5、10、15、20、25、30 m的地方。圖3、圖4分別為豎向加速度頻譜曲線和時(shí)程曲線。從圖中可以看出：

(1)各測(cè)點(diǎn)的豎向振動(dòng)強(qiáng)度隨著與軌道水平距離的增大而逐漸減弱,在5～15 m范圍內(nèi)減弱的幅度最大,但在20～30 m的距離里振動(dòng)強(qiáng)度有所反彈；

(2)測(cè)點(diǎn)豎向振動(dòng)主要以頻率低于80 Hz為主,尤以50～60 Hz最為顯著。且振動(dòng)信號(hào)的各頻率分量總的趨勢(shì)是減弱,且頻率愈高衰減愈快。

圖1 地面線路自由場(chǎng)地不同距離的豎向加速度時(shí)程曲線

圖2 地面線路自由場(chǎng)地不同距離的豎向加速度頻譜圖

圖3 地下線路自由場(chǎng)地不同距離的豎向加速度頻譜圖

圖4 地下線路自由場(chǎng)地不同距離的豎向加速度時(shí)程曲線

1.3 高架線實(shí)測(cè)結(jié)果分析

此測(cè)試點(diǎn)位于南京軌道交通南延線小龍灣站至竹山路站區(qū)間,線路形式為高架線,是普通整體道床軌道。測(cè)點(diǎn)分別布在距離軌道中心0、5、10、15、20、25 m的地方。圖5、圖6分別為豎向加速度時(shí)程曲線和頻譜曲線。從圖中可以看出：

圖5 高架線路自由場(chǎng)地不同距離的豎向加速度時(shí)程曲線

(1)各測(cè)點(diǎn)的豎向振動(dòng)強(qiáng)度隨著與軌道水平距離的增大而逐漸減弱,在0 m處振動(dòng)幅度遠(yuǎn)大于其他地方；

(2)測(cè)點(diǎn)豎向振動(dòng)主要以頻率低于90 Hz為主,尤以70～90 Hz最為顯著。振動(dòng)信號(hào)的各頻率分量總的趨勢(shì)是減弱,且頻率愈高衰減愈快；

(3)高架線路在列車還遠(yuǎn)未到達(dá)測(cè)試斷面的時(shí)候,振動(dòng)強(qiáng)度就開(kāi)始加大,且在通過(guò)斷面之后振動(dòng)還會(huì)持續(xù)一段時(shí)間。

圖6 高架線路自由場(chǎng)地不同距離的豎向加速度頻譜圖

2 實(shí)測(cè)結(jié)果評(píng)價(jià)

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[11],環(huán)境振動(dòng)會(huì)干擾人們的日常生活,使人感到不適,甚至?xí)绊懙饺藗兊乃吆蛯W(xué)習(xí)。試驗(yàn)研究表明: 振動(dòng)強(qiáng)度愈高,對(duì)人們?nèi)胨退呱疃鹊挠绊懹螅寒?dāng)振動(dòng)為60 dB時(shí),一般人剛剛可以感覺(jué)到振動(dòng)；當(dāng)振動(dòng)達(dá)到65 dB時(shí),對(duì)睡眠有輕微影響；達(dá)到69 dB時(shí),所有輕微睡眠的人將被驚醒；達(dá)到74 dB時(shí),除酣睡的人,其他人將驚醒；達(dá)到79 dB時(shí),所有的人都將驚醒。可見(jiàn)振動(dòng)對(duì)居住在鐵路線周圍的居民影響是很大的。

我國(guó)《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)測(cè)量方法》規(guī)定振動(dòng)加速度級(jí)LVA

式中arms——實(shí)測(cè)振動(dòng)加速度有效值；

a——基準(zhǔn)加速度,取10-6m/s2。

式中at(t)——實(shí)測(cè)振動(dòng)加速度時(shí)程；

T——振動(dòng)加速度時(shí)間長(zhǎng)度。

由圖7看出,3種不同線路形式的豎向加速度振級(jí)差不多,且都比較大。這3種形式在距離軌道中心線0～10 m段以及地面線和地下線20～30 m的振動(dòng)反彈區(qū)的振級(jí)在77～98 dB,超過(guò)了我國(guó)《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的一般商業(yè)與居民混合區(qū)晝間75 dB、夜間72 dB的強(qiáng)度要求,使此區(qū)段的居民在列車運(yùn)行時(shí)感覺(jué)到明顯的地面振動(dòng)。 因此,必須采取有效的減振控制措施,降低列車運(yùn)行引起的環(huán)境振動(dòng)。

圖7 3種線路形式不同距離的加速度振級(jí)

3 結(jié)論

在對(duì)南京軌道交通1號(hào)線以及南延線3種不同線路形式的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與分析的基礎(chǔ)上,得出以下結(jié)論。

(1)各測(cè)點(diǎn)的豎向振動(dòng)強(qiáng)度隨著與軌道水平距離的增大而逐漸減弱,且在前15 m內(nèi)減弱的幅度最大。

(2)地面線和地下線在20～30 m間有一個(gè)反彈增大區(qū),它的位置與波速、基巖深度以及土層的性質(zhì)有關(guān)。

(3)隨著與列車線路水平距離的增大,振動(dòng)信號(hào)的各頻率分量總的趨勢(shì)是減弱,且頻率愈高衰減愈快。

(4)3種不同的線路中,高架線振動(dòng)強(qiáng)度衰減的最快,地下線與地面線衰減規(guī)律相似,但地下線比地面線振級(jí)整體偏小。

(5)高架線路在列車還遠(yuǎn)未到達(dá)測(cè)試斷面時(shí),振動(dòng)強(qiáng)度就開(kāi)始加大,且在通過(guò)斷面之后振動(dòng)還會(huì)持續(xù)很長(zhǎng)一段時(shí)間。

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