彭桂力，梁 茵，沈 統(tǒng)，李懷良，潘 雷

(1．天津城建大學控制與機械工程學院，天津 300381；2．西南科技大學核廢物與環(huán)境安全國防重點學科試驗室，四川 綿陽 621010；3．天津城建大學能源與安全工程學院，天津 300381)

0 引言

隨著社會的進步，城市化進程不斷加快，出現(xiàn)了越來越多的國際大都市。城市的交通問題成為城市發(fā)展的關(guān)鍵，城市軌道交通成為解決大都市交通問題的主要手段[1-2]。地鐵列車主要行駛于地下、地面或高架線路的軌道結(jié)構(gòu)上，由于準靜態(tài)激擾和動態(tài)激擾，會產(chǎn)生振動[3]。該振動經(jīng)隧道基礎(chǔ)和襯砌結(jié)構(gòu)傳遞到周圍的地層中，再經(jīng)地層向各個方向傳播，激擾附近的地下或地面結(jié)構(gòu)，以致激發(fā)建筑物產(chǎn)生振動，對環(huán)境造成巨大影響。地面及高架線路以噪聲影響為主，地下線路則以振動影響為主[4]。隨著地鐵網(wǎng)絡密集程度的提高，運行時間的交互重合，帶來的振動和噪聲也會急劇加大[5]。

在城市地下鐵路的運行中，地鐵所帶來的振動危害最大[6]。地鐵發(fā)展迅速，其運行所引起的環(huán)境振動問題受到全社會的廣泛關(guān)注[7]。對地鐵振動數(shù)據(jù)的測量、分析和處理，以及對振動過程控制和預測是城市軌道交通路網(wǎng)規(guī)劃和建設中不可回避的問題[8]。如何通過對現(xiàn)有的地鐵振動數(shù)據(jù)進行分析處理，預測出列車運行引起的環(huán)境振動，是一個非常具有現(xiàn)實意義的課題。

1 地鐵運行過程產(chǎn)生振動的來源

1.1 振動產(chǎn)生原因分析

引起列車振動的特征參數(shù)有很多，軌道不平順(軌道動態(tài)幾何變形數(shù)據(jù))是其中的主要原因[9-10]。車輛條件包括列車運行速度和列車質(zhì)量等；車輪運行表面條件包括軌道曲率、質(zhì)量和剛度等；隧道結(jié)構(gòu)條件包括厚度、深度等；地質(zhì)條件包括土壤和巖石類型等；建筑物條件包括房屋結(jié)構(gòu)和地板的固有頻率等。綜上所述，地鐵振動是一個復雜的過程，是一個多因素相互影響的多維物理系統(tǒng)。

1.2 列車振動主要對人和建筑物影響范圍

列車在運行過程中產(chǎn)生的振動頻率范圍在0.3～250 Hz，會產(chǎn)生垂直振動和水平振動，通常只考慮垂直方向的振動參數(shù)。人體可感知的振動頻率范圍是1～1 000 Hz[11]，且對于小于16 Hz的低頻振動更為敏感。振動在傳播過程中，高頻部分比低頻部分衰減得快，因此低頻振動影響比高頻振動影響要大。各種振動頻率對人體的影響如表1所示。德國建筑物對振動的靈敏性分成三類，如圖1所示[12]。

表1 各種振動頻率對人體的影響Tab.1 The influence of various vibration frequency on the human body

圖1 德國建筑物振動標準分類圖Fig.1 Classification of German building vibration standard

2 測量地鐵振動的試驗方法

地鐵在運行過程中引起的振動主要是由列車與軌道之間輪軌相互作用產(chǎn)生的。振動由軌道基礎(chǔ)通過軌道扣件和道床傳到隧道，由隧道通過土壤介質(zhì)傳向大地，再通過建筑基礎(chǔ)傳播至地面和地面結(jié)構(gòu)，從而誘發(fā)建筑物產(chǎn)生振動。本次所測量的建筑物位于為天津市和平區(qū)營口道附近，旁邊深約100 m的地下就有天津地鐵一號線運行。天津地鐵一號線從早晨6∶00開始運行，到晚上22∶30結(jié)束運行，運行時間長達16.5 h，運行間隔平均為7 min，最高運行時速為80 km/h。天津地鐵一號線經(jīng)歷4年的重修、改造后，從2006年6月12日正式投入運行，已經(jīng)運行10余年。

2.1 測量地點

本次主要測量地點是在天津市和平區(qū)營口道附近的一幢高層建筑物。該建筑物由一個鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)與大型開放型空間組成，擁有地下2層、地上25層。 測量地鐵運行過程中產(chǎn)生的振動數(shù)據(jù)主要采用振動傳感器，將裝置安置在高層建筑物中不同樓層，分別測量地鐵運行時在各個樓層不同位置的振動數(shù)據(jù)。系統(tǒng)啟動后24 h連續(xù)不間斷測量地鐵運行時建筑物反映的振動數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡傳輸至監(jiān)控中心。系統(tǒng)內(nèi)設置振動峰值的最大報警值。當振動數(shù)據(jù)超過設定值時，系統(tǒng)會進行報警記錄。

2.2 測量儀器與信號的采集與處理

本次測量采用了研華工控機作為數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)。利用市電和鋰電池兩種方式對設備進行供電，通過以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)為串口通信，將振動檢測儀器的檢測數(shù)據(jù)通過串口寫入工控機，直接存入數(shù)據(jù)庫中。工控機具有以太網(wǎng)接口、USB接口和無線WiFi模塊，可以直接通過USB讀取數(shù)據(jù)，也可以通過網(wǎng)絡遠程直接讀取數(shù)據(jù)。振動信號檢測主要采用AWA6256B型環(huán)境振動分析儀。該分析儀由環(huán)境振動加速度計、信號處理主機、環(huán)境振動測量分析軟件組成，主要用于環(huán)境振動測量。

3 地鐵振動數(shù)據(jù)測量結(jié)果與分析

數(shù)據(jù)采集之后，必須要經(jīng)過預處理，包括定標、剔點、零均值處理，消除信號噪聲等，這樣可以在地鐵經(jīng)過時得到標準的加速度過程曲線。地鐵產(chǎn)生的振動是一個隨機信號，可以認為是一個具有零均值的、各態(tài)歷經(jīng)性的平穩(wěn)高斯過程。采用傅里葉變換將時域變?yōu)轭l域，觀測地鐵振動產(chǎn)生的能量大小。變換到頻域之后，經(jīng)常采用1/3倍頻程來描述。1/3倍頻程是評價振動時各頻率段的范圍[13]。由于地鐵振動產(chǎn)生的波形只是對垂直加速度起到主要影響作用。所以在測試過程中主要采用建筑物的垂直加速度作為分析參照量[14-16]。

3.1 地下二層測試數(shù)據(jù)分析

測量時間為中午11∶30～12∶00，測量方式采用實時不間斷測量，測量得到的原始數(shù)據(jù)為振動加速度數(shù)值。根據(jù)經(jīng)驗，選取了比較有代表性的頻率范圍，進行時間與加速度圖形繪制。將測量的加速度曲線在時間軸上進行數(shù)據(jù)變化，得到功率譜密度函數(shù)曲線。將縱軸加速度轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰繀?shù)。對所有測量數(shù)據(jù)進行傅里葉變換，將時域變換到頻域，然后算出所有頻段的振動加速度的1/3倍頻程頻譜。地下二層振動測試圖如圖2所示。

從圖2可知，所有數(shù)據(jù)幾乎具有相同的規(guī)律，在20 Hz以下數(shù)據(jù)比較集中，加速度的能量增益在40 dB以下，50 Hz時能量增益達到最大，可達到55 dB。后續(xù)頻率范圍的數(shù)據(jù)具有一定波動性。所以初步可以判斷地鐵對建筑物的影響頻率應該在20 Hz以下的低頻范圍內(nèi)，這和所查閱的文獻是一致的[16]。

圖2 地下二層振動測試圖Fig.2 The vibration testing charts of G2

3.2 地下一層測試數(shù)據(jù)分析

測量時間同樣為中午11∶30～12∶00，測量方式為實時不間斷測量，選取了比較有代表性的頻率范圍進行測量。測量數(shù)據(jù)與處理后的結(jié)果如圖3(a)所示。綜合分析后可得到在20 Hz以下數(shù)據(jù)比較集中，加速度的能量增益在40 dB以下，50 Hz達到最大，可達65 dB。后面頻率范圍的數(shù)據(jù)具有一定波動性，頻率越高，曲線的重合性越差。

3.3 一層測試數(shù)據(jù)分析

測量時間區(qū)間與方式不變，測量地點選取大廈首層。測量數(shù)據(jù)與處理后的結(jié)果如圖3(b)所示。從圖中分析得到5 Hz以下的數(shù)據(jù)比較高，最高達到52 dB。5～20 Hz以下數(shù)據(jù)比較集中，加速度的能量增益在35 dB以下，50 Hz達到最大，可達50 dB。后面頻率范圍的數(shù)據(jù)也具有一定波動性，頻率越高，曲線的重合性越差。

3.4 二層測試數(shù)據(jù)分析

測量時間區(qū)間與方式不變，測量地點選取大廈二層，測量數(shù)據(jù)與處理后的結(jié)果如圖3(c)所示。從圖中觀測到20 Hz頻率以下數(shù)據(jù)比較集中，加速度的能量增益在45 Hz以下，100 Hz達到最大，達到50 dB。后面頻率范圍的數(shù)據(jù)也具有一定波動性，同樣可以發(fā)現(xiàn)頻率越高，曲線的重合性越差。

圖3 不同樓層的1/3倍頻程特性曲線Fig.3 1/3 octave characteristic curves of different floors

4 地鐵振動數(shù)據(jù)參數(shù)討論

對連續(xù)采集到的數(shù)據(jù)進行分析討論，在同一個時間間隔內(nèi)大廈內(nèi)不同位置所采集到振動加速度和能量增益如表2所示。

表2 采集地鐵振動特征數(shù)據(jù)Tab.2 Vibration characteristic data collected

從表2可以看出，所有的數(shù)值都在可控范圍之內(nèi)，只有在大廈二層兩個峰值的加速度略高，在不同樓層所測量的數(shù)值有所區(qū)別，但變化不大，滿足中國振動環(huán)境限值(白天一類建筑不超過65 dB)。另外，根據(jù)所測數(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯峰值的時間，將時間進行統(tǒng)計，不同樓層出現(xiàn)振動幅度最大特征峰的時間如表3所示。

表3 振動特征峰出現(xiàn)時間Tab.3 The time of vibration characteristic peak appears

根據(jù)表3可以發(fā)現(xiàn)，除了地下二層無明顯的特征峰以外，其余三層出現(xiàn)特征峰的時間幾乎相同。這樣就可以初步判斷出在這幾個時間內(nèi)有振動出現(xiàn)。根據(jù)當天天津地鐵1號線運營情況可知，在11∶36、11∶45和11∶55時間上分別有3趟列車經(jīng)過，這也就證實了測量的準確性。除了這些時間，別的振動特征峰出現(xiàn)可能是當時人和機動車產(chǎn)生的振動所導致的。不同樓層特征率下，同一時間所產(chǎn)生的振動能量增益如表4所示。

表4 同一時間特征頻率下的振動能量增益Tab.4 The vibration energy gain at the same time and characteristic frequency

根據(jù)表4可以發(fā)現(xiàn)，在同一時間不同樓層進行測量時，振動主要集中在20 Hz以下。這些低頻振動產(chǎn)生的增益是影響建筑物的主要因素，產(chǎn)生的最大值小于45 dB，滿足中國所規(guī)定的振動環(huán)境標準。在高頻處也幾乎在相同的位置產(chǎn)生最大能量增益。所測量的數(shù)據(jù)具有一定代表性，能夠反映地表振動對建筑物產(chǎn)生影響的一般規(guī)律。

5 結(jié)束語

本文對天津地鐵1號線運營過程中對建筑物產(chǎn)生的振動影響進行了現(xiàn)場測試和數(shù)據(jù)分析，分析了不同樓層、不同頻率下的振動對建筑物的影響。由分析可知，地鐵運行過程中在不同樓層產(chǎn)生的振動能量相差不大，出現(xiàn)時時間具有一致性。由傅里葉變換得到的頻率響應可以看出，對于不同樓層測量到振動數(shù)據(jù)，在頻率20 Hz以下的數(shù)據(jù)有共同特征，所以可以認為該頻率是影響建筑物的主要頻率。

目前，我國各個省市軌道交通發(fā)展迅速，這就需要科技工作者更多地關(guān)注軌道運營過程中對環(huán)境和人產(chǎn)生的影響。由于各個地區(qū)土質(zhì)和樓房結(jié)構(gòu)均不同，需要投入大量的時間和精力去進行監(jiān)測和分析。

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