張 遠(yuǎn) 呂淑然 楊 凱

（首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)安全與環(huán)境工程學(xué)院，100070，北京∥第一作者，碩士研究生）

列車運(yùn)行引起周邊環(huán)境振動的監(jiān)測與分析*

張 遠(yuǎn) 呂淑然 楊 凱

（首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)安全與環(huán)境工程學(xué)院，100070，北京∥第一作者，碩士研究生）

利用振動傳感器和測試儀器在某鐵路線旁的小區(qū)對列車運(yùn)行經(jīng)過時引起的三個方向振動速度以及振動頻率進(jìn)行實(shí)測。通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，其振動衰減規(guī)律的分析結(jié)果與通過監(jiān)測列車運(yùn)行引起振動加速度的分析結(jié)果是一致的。同時參考《爆破安全規(guī)程》中的相關(guān)安全允許振動速度標(biāo)準(zhǔn)以及運(yùn)用“振動感覺與振動持續(xù)時間關(guān)系”的相關(guān)理論，確定了評價列車運(yùn)行引起建筑物振動的安全允許振動速度，為評價軌道交通系統(tǒng)運(yùn)行對鄰近建筑物振動危害提供了一個新思路；最后，指出小幅度長久持續(xù)的振動對建筑物的破壞是不能被忽視的，需要進(jìn)一步研究并采取合理措施來控制和減弱其危害。

列車運(yùn)行；環(huán)境振動；衰減規(guī)律；安全監(jiān)測

Author＇s address College of Security and Environment Engineering，Capital University of Economics and Business，100070，Beijing，China

目前，我國鐵路運(yùn)輸不斷向高速、重載、大運(yùn)量和高密度方向發(fā)展。然而，隨著城市的發(fā)展，鐵路沿線建筑物也越來越多，致使沿線居民生活受到列車經(jīng)過時噪聲和振動的嚴(yán)重影響，另一方面人們對自己居住的周邊環(huán)境要求也越來越高。這就導(dǎo)致軌道交通系統(tǒng)與沿線居民生活質(zhì)量之間的矛盾日益突出。

在國際上振動已經(jīng)被列為七大環(huán)境公害之一［1］，尤其在日本，更把振動作為環(huán)境公害之首。列車運(yùn)行是引起環(huán)境振動的原因之一，為此國內(nèi)外學(xué)者就列車運(yùn)行振動產(chǎn)生的原因、傳播的機(jī)理、對周圍環(huán)境的影響以及列車振動控制措施等展開了一系列的研究。文獻(xiàn)［2］測量了火車運(yùn)行時引起環(huán)境及附近建筑物的振動加速度，分析結(jié)果表明，隨著火車運(yùn)行速度的增大，鐵路附近地面和建筑物的振級增大。文獻(xiàn)［3］通過對上海軌道交通1號線附近的建筑房屋振動加速度進(jìn)行監(jiān)測，證明了列車運(yùn)行引起的建筑物的垂向振級大小與建筑物的基礎(chǔ)類型、構(gòu)造型式及其與地鐵線路的距離有密切關(guān)系。文獻(xiàn)［4］通過對上海軌道交通10號線部分路段周圍場地和建筑物進(jìn)行振動加速度實(shí)測，計算出10號線場地Z振級最小值為82 dB，超出了國家標(biāo)準(zhǔn)值80 dB［5］，因此10號線運(yùn)行對周圍場地居民生活有影響。文獻(xiàn)［6］等通過對上海軌道交通1號線的地面環(huán)境振動加速度實(shí)測分析并與標(biāo)準(zhǔn)限值進(jìn)行比較，表明地鐵隧道埋深10～12 m時地面正上方的Z振級約為70～75 dB，已超過標(biāo)準(zhǔn)的限值。目前，國際上也廣泛選取振動加速度級及其對應(yīng)的振動級來描述振動的強(qiáng)度［7］，并將其作為判斷振動對環(huán)境影響的依據(jù)。

上述關(guān)于列車運(yùn)行振動的監(jiān)測試驗研究主要集中在通過現(xiàn)場監(jiān)測獲得列車運(yùn)行引起的振動加速度，再以加速度級、Z振級等為指標(biāo)來評價列車運(yùn)行振動對周圍環(huán)境及居民生活的影響，但很少有人從振動速度的角度研究列車運(yùn)行振動的衰減規(guī)律以及列車運(yùn)行振動對周邊建筑物的危害。本文通過某鐵路線旁的居民小區(qū)進(jìn)行列車運(yùn)行引起的振動速度實(shí)測，分析了列車運(yùn)行引起的振動強(qiáng)度的衰減規(guī)律和對周邊建筑物的影響，為利用振動速度評價列車運(yùn)行對周邊建筑物等環(huán)境的影響提供參考。

1　列車運(yùn)行振動的實(shí)測試驗

1.1監(jiān)測地點(diǎn)

考慮監(jiān)測工作的可行性與方便性，實(shí)際監(jiān)測地點(diǎn)選擇在河北省灤平縣鐵路線旁的某居民小區(qū)。此鐵路線是溝通京津遼蒙的交通要道，全天共有8次客運(yùn)列車和若干貨運(yùn)列車通過此鐵路線。監(jiān)測地點(diǎn)的鐵路路基比旁邊的小區(qū)地面稍高（如圖1）。此次監(jiān)測不排除高程對監(jiān)測數(shù)據(jù)的影響。小區(qū)建筑物離鋼軌最近距離約16 m。

圖1　監(jiān)測地點(diǎn)

1.2監(jiān)測儀器

為準(zhǔn)確測得列車運(yùn)行引起的建筑物三方向（切向、徑向、豎向）振動速度和振動頻率，本次監(jiān)測試驗采用成都中科測控有限公司生產(chǎn)的TC-4850爆破振動記錄儀以及與之匹配的三分量速度傳感器（技術(shù)指標(biāo)見表1）、振動分析軟件（Blasting Vibration Analysis，BVA）及GpS測距儀。

表1　振動速度傳感器技術(shù)指標(biāo)

1.3監(jiān)測方法

在建筑物外墻邊處的地面與鋼軌不同距離處設(shè)置速度傳感器，并盡量將傳感器安放在一條直線上。試驗時沿水平垂直于鋼軌方向呈直線設(shè)置了4套監(jiān)測儀器同時進(jìn)行監(jiān)測（如圖2所示）。為了使傳感器能與接觸面耦合良好，將傳感器與地面間用快粘粉粘結(jié)或?qū)鞲衅魑沧抵苯泳o插于地面。

圖2　監(jiān)測點(diǎn)布置示意圖

監(jiān)測開始后，傳感器采集振動信號并傳輸?shù)奖普駝佑涗泝x。爆破振動記錄儀記錄并存儲振動信號。待振動監(jiān)測結(jié)束后，用專用軟件提取并導(dǎo)出數(shù)據(jù)，即可對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析了。

2　監(jiān)測結(jié)果分析

2.1監(jiān)測結(jié)果

依據(jù)GB 10071—1988《城市區(qū)域環(huán)境振動測量方法》的相關(guān)規(guī)定和要求，監(jiān)測時保持測點(diǎn)位置不變。前后3天共測得20次列車運(yùn)行經(jīng)過時引起振動的相關(guān)數(shù)據(jù)。通過專用軟件濾波處理后提取數(shù)據(jù)，分別選擇3個方向振動速度的峰值和主振頻率，并算得算術(shù)平均值（見表2）。

表2　監(jiān)測數(shù)據(jù)平均值

2.2振動強(qiáng)度衰減規(guī)律分析

有研究指出，由于列車運(yùn)行產(chǎn)生的大地振動位移非常小而不易測量，而人體對振動的感受與振動速度或加速度有更強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。因此，在研究列車運(yùn)行產(chǎn)生的振動問題時，用速度或加速度這兩個量來描述是恰當(dāng)?shù)模?］。振動頻率則是描述振動快慢的物理量［9］。因而本文用振動速度和振動頻率來表征列車運(yùn)行引起的振動強(qiáng)度。利用Origin軟件分析表2中的數(shù)據(jù)，得到列車運(yùn)行引起的振動速度、振動頻率隨距離的衰減規(guī)律如圖3、圖4所示。

圖3　振動速度衰減規(guī)律

圖4　振動頻率衰減規(guī)律

從圖3和圖4中可以看出，同一監(jiān)測點(diǎn)豎向的振動速度和頻率都明顯大于切向和徑向，因此列車運(yùn)行引起的振動是以豎向為主的。這一分析結(jié)果符合GB/T 5035一2005《住宅建筑室內(nèi)振動限值及其測量方法標(biāo)準(zhǔn)》中“方向之別是振動的重要特征之一，我國城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)中采用以大地作為參考坐標(biāo)，并以鉛垂向為主要方向［10］”的表述。從圖3、4中還可以看出，振動速度和頻率都隨著與鋼軌距離的增加而減小。這一分析結(jié)果也與很多以測量列車運(yùn)行引起振動加速度的研究結(jié)果是吻合的。可見，通過合適的拾振器測量振動速度來研究列車運(yùn)行引起的振動強(qiáng)度衰減規(guī)律是可行的。

2.3振動對周邊建筑的影響

列車運(yùn)行時車輪與軌道間的壓迫沖擊作用是產(chǎn)生振動的根本原因。振動波通過路基向四周傳播，當(dāng)傳播到鄰近的建筑物時，就會引起建筑物的振動。已有研究指出，列車運(yùn)行引起鄰近建筑物振動會導(dǎo)致建筑物墻體裝飾脫落甚至開裂。因此，研究列車運(yùn)行振動不僅要研究振動的傳播衰減規(guī)律、對周圍環(huán)境的噪聲及振動影響，更重要的是需要研究其振動對鄰近建筑物的破壞作用［9，11-13］。

圖5是距離鋼軌39 m處鉛垂向振動頻率圖。圖5中，列車引起振動的主振頻率在10～50 Hz左右，集中在10～20 Hz之間；而建筑物振動的固有頻率在10Hz以下，一般為5 Hz左右［14］。因此，不會發(fā)生顯著共振。由表2可知，列車運(yùn)行引起鄰近建筑物的豎向振動主振頻率在19.65～32.56 Hz。由于列車運(yùn)行引起的建筑物振動頻率大于建筑物的固有振動頻率，并且隨著建筑物與鋼軌間距離的增加振動強(qiáng)度是減弱的，因此，從振動頻率的角度考慮，鐵路線鄰近建筑不會因顯著的共振作用而破壞。

圖5　距鋼軌39 mm處的鉛垂向振動頻率圖

振動速度表征的是質(zhì)點(diǎn)振動時單位時間內(nèi)的位移。若這一位移超過了建筑物的強(qiáng)度極限則會直接對建筑物造成破壞。我國目前并沒有列車運(yùn)行引起振動對鄰近建筑物、設(shè)備等的安全允許質(zhì)點(diǎn)振動速度標(biāo)準(zhǔn)，本文借用GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》中安全允許標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)參數(shù)來分析和評價列車運(yùn)行對鄰近建筑物的振動影響。該標(biāo)準(zhǔn)中質(zhì)點(diǎn)振動速度為三個分量中的最大值，且振動頻率f為主振頻率。部分爆破振動安全允許標(biāo)準(zhǔn)見表3［15］。

爆破振動是瞬間的非連續(xù)的，一般持續(xù)時間在1s內(nèi)［14］。而列車運(yùn)行引起的振動相對于爆破振動是一個持續(xù)的過程。列車通過時引起鄰近地面建筑物振動的持續(xù)時間約為10 s［2，8］。這一持續(xù)時間是與列車運(yùn)行速度、列車長度、列車重量以及鋼軌路基土層結(jié)構(gòu)等因素相關(guān)的。有學(xué)者對振動感覺與振動持續(xù)時間進(jìn)行了相關(guān)研究［16］。當(dāng)振動的持續(xù)時間在2 s以上時，振動感覺與連續(xù)振動一樣；當(dāng)振動的持續(xù)時間小于2 s時，隨著持續(xù)時間的縮短而振動感覺變得遲鈍；當(dāng)振動持續(xù)時間為1 s時，振幅比約為0.8，即產(chǎn)生相同的振動感覺時列車運(yùn)行引起的振幅是爆破振動產(chǎn)生振幅的0.8倍。

表3　爆破時不同主振頻率下的質(zhì)點(diǎn)振動速度安全允許標(biāo)準(zhǔn)（部分）　cm/s

由表2中可知，所監(jiān)測的建筑物豎向振動主頻在19.65～32.56 Hz之間，振動速度峰值在0.015～0.041 cm/s之間。本次試驗所監(jiān)測的建筑物是一般磚房（一般民用建筑物）。按表3，當(dāng)主振頻率在10～50 Hz時，其安全允許振動速度為2.0～2.5 cm/s。根據(jù)連續(xù)振動與非連續(xù)振動的振幅比關(guān)系，確定本次監(jiān)測試驗列車運(yùn)行引起鄰近建筑物振動的安全允許振動速度為1.6～2.0 cm/s。與表2中所監(jiān)測鐵路線的鄰近建筑物的振動速度相比，可以確定列車運(yùn)行引起建筑物振動的振動速度在安全允許值以內(nèi)，因而可以判定此鐵路線列車運(yùn)行不會對監(jiān)測點(diǎn)處小區(qū)建筑物造成直接的振動破壞。

3　結(jié)語

本文通過使用振動速度傳感器監(jiān)測列車運(yùn)行引起周圍環(huán)境振動的振動速度和振動主頻，其對于列車運(yùn)行引起振動的衰減規(guī)律分析結(jié)果與其他學(xué)者通過監(jiān)測列車運(yùn)行引起周圍振動的振動加速度分析結(jié)果是一致的。因此，可以通過合適的振動速度拾振器來監(jiān)測并研究列車運(yùn)行引起振動的衰減規(guī)律。

確定了評價列車運(yùn)行引起建筑物振動的安全允許振動速度，并以此判定監(jiān)測試驗處鐵路線列車運(yùn)行不會對監(jiān)測點(diǎn)處小區(qū)建筑物造成直接的振動破壞。這為評價列車運(yùn)行振動對周圍環(huán)境的影響危害和規(guī)范建筑物建設(shè)、鐵路線設(shè)計等提供了一個新思路。

雖然列車運(yùn)行引起的環(huán)境振動振幅比較小，不會對建筑物造成直接明顯的破壞，但是列車運(yùn)行引起建筑物振動是相對持續(xù)的和長期反復(fù)存在的。這種小幅度長久持續(xù)的振動對建筑物的破壞是不能被忽視的，需要作進(jìn)一步的研究并采取合理的措施來控制和減弱列車運(yùn)行對鄰近建筑物的振動破壞作用。

［1］ 夏禾，張楠，曹艷梅.列車對周圍地面及建筑物振動影響的試驗研究［J］.鐵道學(xué)報，2004，26（4）：93.

［2］ XIA H，ZHANG N，CAO Y M.Experimental study of train -induced vibrations of environments and buildings［J］. Journal of Sound and Vibration，2005，280（3-5）：1017.

［3］ 葛世平.城市軌道交通的振動和噪聲對環(huán)境的影響及其對策［J］.城市軌道交通研究，2003，6（3）；30.

［4］ 劉寅瑩.地鐵振動對周圍環(huán)境影響的實(shí)測與分析［J］.安徽建筑，2013（1）：92.

［5］ 國家環(huán)境保護(hù)局.城市區(qū)域環(huán)境振動測量方法：GB 10071—1988.［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1988.

［6］ 王田友，丁潔民，樓夢麟，等.地鐵運(yùn)行所致建筑物振動的傳播規(guī)律分析［J］.土木工程學(xué)報，2009，42（5）：33.

［7］ 孟曉冬，顧瑾.地鐵振動對周圍環(huán)境的影響［J］.上海鐵道科技，2004（6）：33.

［8］ 馮牧.列車引起建筑物振動分析及其控制［D］.南昌：華東交通大學(xué)，2009.

［9］ 羅曉曉.地鐵環(huán)境振動預(yù)測評價與控制的研究［D］.蘭州：蘭州交通大學(xué)，2013.

［10］ 中華人民共和國建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗疫總局.住宅建筑室內(nèi)振動限值及其測量方法標(biāo)準(zhǔn)：GB/ T5035—2005［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.

［11］ 孫曉靜.地鐵列車振動對環(huán)境影響的預(yù)測研究及減振措施分析［D］.北京：北京交通大學(xué)，2008.

［12］ 李守繼.地鐵引起環(huán)境振動及房屋浮置樓板隔振研究［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)，2008.

［13］ 范曉娟.地鐵振動和電磁環(huán)境影響及防治對策研究［D］.西安：西北大學(xué)，2013.

［14］ 楊凱，呂淑然，張濤.路基碾壓振動對周邊環(huán)境影響的監(jiān)測試驗［J］.安全與環(huán)境學(xué)報，2014，14（4）：276.

［15］ 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員.爆破安全規(guī)程：GB 6722—2014［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

［16］ 張志呈.爆破地震參量與振動持續(xù)時間［J］.四川冶金，2002（3）：1.

［17］ 涂勤明，雷曉燕，毛順茂.南昌地鐵環(huán)境振動預(yù)測分析［J］.城市軌道交通研究，2014（10）：30.

Monitoring and Analysis of the Surrounding Environment Vibration Caused by Running Train

Zhang Yuan，Lv Shuran，Yang Kai

Vibration sensors and test equipment are used to measure the vibration velocity and vibration frequency caused by running trains from three directions of a community adjascent to railway line.The monitoring data are analyzed，which show that the vibration attenuation law is consistent with the vibration acceleration caused by the running trains.Then，according to the related standards in the“Blasting Safety Regulations”and the“Relationship between Vibration Sensation and Vibration Duration”theory，thesafe vibration velocity standard for evaluating building vibration caused by the running trains is defined，which provides a new way of evaluating building vibration caused by rail transit system.Finally，the damage to buildings by small amplitude and long-lasting vibration is emphasized，further research is required，and reasonable measures are to be taken to control and weaken the vibration hazards.

train running；environmental vibration；attenuation law；security monitoring

U 211.3

10.16037/j.1007-869x.2016.03.017

*科研基地建設(shè)-科技創(chuàng)新平臺-特大城市安全運(yùn)行研究項目（p XM2014-014205-000044）

（2015-05-14）