張 斌，王建立，王 建，張啟樂，張 寧

（隔而固（青島）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)事務(wù)所有限公司，青島 266108）

1 研究背景

研究地鐵振動(dòng)主要有現(xiàn)場實(shí)測、理論分析和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬三種方法，現(xiàn)場振動(dòng)實(shí)測數(shù)據(jù)分析得出的結(jié)論能為其他兩種研究方法提供大量的數(shù)據(jù)支持，并用以評(píng)估地鐵引起的區(qū)域環(huán)境振動(dòng)[1]。對(duì)于北京、上海、廣州等開通地鐵較早的城市，已有不少學(xué)者進(jìn)行了振動(dòng)測試方面的研究分析。粟潤德等[2-3]通過對(duì)北京地鐵1號(hào)線東單—建國門區(qū)間進(jìn)行現(xiàn)場測試，得出環(huán)境背景振動(dòng)、公交振動(dòng)等地面車輛和地鐵的地面振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律，影響地鐵列車引起的地面振動(dòng)規(guī)律的因素主要有距離和背景振動(dòng)。劉衛(wèi)豐等[4]對(duì)北京地鐵4號(hào)線北京站—圓明園站區(qū)間進(jìn)行現(xiàn)場測試，結(jié)果表明，在距離地鐵隧道中心線一定范圍內(nèi)，公交車引起的振動(dòng)對(duì)沿線居民影響要強(qiáng)于地鐵列車。袁揚(yáng)等[5]對(duì)北京地鐵15號(hào)線望京東站—望京站區(qū)間小曲線半徑地面進(jìn)行振動(dòng)測試，研究分析地鐵列車通過曲線段時(shí)引起地面振動(dòng)加速度在時(shí)域和頻域內(nèi)的傳播規(guī)律。高廣運(yùn)等[6]對(duì)上海地鐵1號(hào)線人民廣場區(qū)間隧道進(jìn)行測試分析，利用振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)推導(dǎo)地鐵列車振動(dòng)模擬荷載，結(jié)合FLAC3D數(shù)值模型，分析地鐵引起地面振動(dòng)響應(yīng)。盛濤等[7]在上海某軟土場地對(duì)地鐵隧道誘發(fā)的三向環(huán)境振動(dòng)進(jìn)行測試，對(duì)地鐵隧道內(nèi)、臨近自由場地及建筑物室內(nèi)的三向振動(dòng)進(jìn)行了分析。樓夢麟等[8]對(duì)上海地鐵某區(qū)間段的地面及隔振建筑進(jìn)行實(shí)測分析，得出地鐵引起的地面振動(dòng)特性和衰減特性，及地鐵激勵(lì)下裝有隔振支座建筑物的隔振效果。徐中根等[9]對(duì)廣州地鐵1號(hào)線隧道及地面進(jìn)行了振動(dòng)測試，對(duì)不同的隧道截面形狀給出不同的地表振動(dòng)傳播公式。凌育洪等[10]對(duì)廣州地鐵3號(hào)線上方某教學(xué)樓擬建場地進(jìn)行測試分析，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)超出限值，需要進(jìn)行隔振設(shè)計(jì)。汪益敏等[11]對(duì)廣州地鐵3號(hào)線夏滘車輛段試車線臨近地面及建筑物振動(dòng)進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)測，發(fā)現(xiàn)在距離軌道0～30 m范圍內(nèi)，地面與建筑物振動(dòng)均超過相關(guān)國家振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，在進(jìn)行上蓋物業(yè)開發(fā)時(shí)，需要進(jìn)行減振設(shè)計(jì)。

青島市整體坐落在燕山晚期深成相中粒、粗粒、細(xì)?；◢弾r（r53～2c）基上[12]。與其他城市的地質(zhì)條件相差較大，青島地鐵開通運(yùn)營時(shí)間較晚，相關(guān)分析主要采用理論與數(shù)值模型手段[13]。地鐵列車引起的振動(dòng)缺乏實(shí)測數(shù)據(jù)，本文選取青島某地鐵線路區(qū)間進(jìn)行隧道—地面同步測試，分析其振動(dòng)傳遞衰減規(guī)律。

2 測試概況

2.1 測試斷面條件及工程地質(zhì)

測試區(qū)間斷面隧道為平行雙洞，兩洞中心線間距13 m，直線地段，隧道斷面形式為馬蹄形，道床為長枕埋入式普通整體道床，鋪設(shè)60 kg/m鋼軌，DTⅥ2型扣件，運(yùn)行車輛為B型車，6節(jié)編組。地面距隧道頂面16.6 m，距隧道底面23.1 m。測試場地表覆第四系全新統(tǒng)人工堆積層，厚0.76 m，下伏燕山晚期花崗巖，局部糜棱巖、砂土狀碎裂巖及碎裂狀花崗巖發(fā)育，煌斑巖、花崗斑巖巖脈穿插，基地穩(wěn)固。

2.2 測試儀器及測點(diǎn)布置

隧道內(nèi)測試采用LMS SCADAS Mobile SCM01采集系統(tǒng)（8通道），PCB 333B50 ICP高靈敏度加速度傳感器，其量程 ±5 g，頻率范圍0.5～3 000 Hz。地面測試采用東方所INV3060CT2型采集系統(tǒng)（8通道），LANCE LC0116型加速度傳感器，其量程 ±0.5 g，頻率范圍0.1～300 Hz。測試儀器及傳感器見圖1。

圖1 傳感器與測試儀器Fig. 1 Acceleration sensors and test instruments

隧道內(nèi)在道床中心與隧道壁距鋼軌頂面垂向距離1.25 m處（《浮置板軌道技術(shù)規(guī)范》（CJJ/T 191—2012）在進(jìn)行減振效果評(píng)價(jià)時(shí)規(guī)定的隧道壁測點(diǎn)布置位置）布置2個(gè)測點(diǎn)。地面沿線路垂直方向布置7個(gè)測點(diǎn)，距離隧道中心線分別為：0 m、15 m、30 m、45 m、60 m、75 m、90 m，如圖 2所示。《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 10070—88）及《城市軌道交通引起建筑物振動(dòng)與二次輻射噪聲限值及其測量方法標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T 170—2009）等規(guī)范均采用鉛垂向振動(dòng)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。因此，在測試時(shí)，各測點(diǎn)均采集鉛垂向振動(dòng)加速度響應(yīng)，采樣頻率1 024 Hz。

圖2 測點(diǎn)布置示意Fig. 2 Measuring points arrangement

3 時(shí)域分析

現(xiàn)場實(shí)測時(shí)，采集多組列車過車振動(dòng)加速度響應(yīng)數(shù)據(jù)，為消除隨機(jī)干擾，提取10組振動(dòng)時(shí)程與頻譜基本保持一致的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果取10組數(shù)據(jù)平均值。

3.1 振動(dòng)加速度時(shí)程

圖 3，圖4和圖 5分別為隧道及地面各測點(diǎn)典型振動(dòng)加速度時(shí)程。通過對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)：

圖3 道床中心與隧道壁測點(diǎn)典型振動(dòng)加速度時(shí)程Fig. 3 Typical vibration acceleration time histories of track bed center and tunnel wall

圖4 地面0～45 m測點(diǎn)典型振動(dòng)加速度時(shí)程Fig. 4 Typical vibration acceleration time histories of ground measuring points in the range of 0～45 m

圖 5 地面60～90 m測點(diǎn)典型振動(dòng)加速度時(shí)程Fig. 5 Typical vibration acceleration time histories of ground measuring points in the range of 60～90 m

1）由加速度響應(yīng)時(shí)程曲線與地鐵列車長度簡單推導(dǎo)列車經(jīng)過測試斷面的運(yùn)行速度約71 km/h。

2）隧道內(nèi)道床中心振動(dòng)加速度峰值在 100m·s–2量級(jí)，隧道壁1.25 m處振動(dòng)加速度峰值在10–1m·s–2量級(jí)；地面0～45 m測點(diǎn)振動(dòng)加速度峰值在10–2m·s–2量級(jí)，60～90 m測點(diǎn)振動(dòng)加速度峰值在10–3m·s–2量級(jí)；背景振動(dòng)加速度峰值主要在10–4m·s–2量級(jí)。

3.2 振動(dòng)加速度有效值

加速度有效值反映了振動(dòng)信號(hào)的強(qiáng)度，其定義為：

式中：a(t)為加速度時(shí)間函數(shù)，T為分析時(shí)間長度。

根據(jù)式（1）計(jì)算地鐵列車經(jīng)過測試斷面時(shí)間段各測點(diǎn)振動(dòng)加速度有效值，道床中心與隧道壁測點(diǎn)振動(dòng)加速度有效值分別為 0.272 0 m·s–2、0.058 8 m·s–2，地面各測點(diǎn)振動(dòng)加速度有效值如圖 6所示。分析得出：

1）道床中心、隧道壁、地面振動(dòng)加速度有效值呈衰減趨勢。道床中心至隧道壁、隧道壁至隧道中心線正上方地面振動(dòng)加速度有效值衰減了4.6倍與9.3倍。

2）地面振動(dòng)加速度有效值隨著與隧道中心線距離的增加呈波動(dòng)衰減趨勢。30 m與75 m測點(diǎn)振動(dòng)加速度有效值較其前一測點(diǎn)處有所增大，為本測試場地存在的兩個(gè)振動(dòng)放大區(qū)。文獻(xiàn)[14]在距地鐵線路水平距離26 m處，測試發(fā)現(xiàn)振動(dòng)放大現(xiàn)象，隧道形式為馬蹄形，但隧道埋深及土層類別未作說明。文獻(xiàn)[3]在距線路中心線80 m處發(fā)現(xiàn)振動(dòng)放大現(xiàn)象，隧道形式為馬蹄形，底面埋深16 m，土層從上至下依次為填土（0～2.5 m）、粉質(zhì)黏土（2.5～12.5 m）、砂卵石（12.5 m以下）。

圖6 地面各測點(diǎn)振動(dòng)加速度有效值Fig. 6 Virtual values of vibration acceleration of ground measuring points

4 頻域分析

按照我國《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)測量方法》（GB10071—1988）規(guī)定，采用 ISO2631/1—1997的1/3倍頻的計(jì)算方法，計(jì)算振動(dòng)加速度級(jí) VAL，計(jì)算分析1/3倍頻程中心頻率最大值為200 Hz。

式中：arms為加速度有效值，m·s–2；a0為基準(zhǔn)加速度，一般取 10–6m·s–2。

道床中心與隧道壁測點(diǎn)振動(dòng)加速度級(jí)如圖7所示，地面各測點(diǎn)振動(dòng)加速度級(jí)如圖8所示。可以看出：

1）隧道內(nèi)振動(dòng)主要在50 Hz以上，200 Hz處振動(dòng)最為顯著。道床中心至隧道壁垂向振動(dòng)傳遞損失在10.8～37.2 dB之間，25 Hz以內(nèi)傳遞損失值較大，均在20 dB以上。

2）地面振動(dòng)同樣集中在50～200 Hz，其中60～80 Hz的振動(dòng)最為顯著。隨著地面測點(diǎn)距離線路中心線距離增加，30 Hz以上的振動(dòng)呈衰減趨勢，頻率越高，衰減越快；30 Hz以內(nèi)振動(dòng)變化不大。

3）30 m與75 m處兩個(gè)振動(dòng)放大點(diǎn)，相對(duì)于其前一測點(diǎn)，均在8～25 Hz與60～80 Hz頻段有放大，在其他頻段，振動(dòng)大小呈交替變化趨勢。

4）1～8 Hz頻段，45 m處的振動(dòng)最大；11～25 Hz頻段，30 m處的振動(dòng)最大；26～45 Hz頻段，15 m處振動(dòng)最大；45～200 Hz頻段，0 m處的振動(dòng)最大。90 m處振動(dòng)在大部分頻段均最??；45 m處16～30 Hz的振動(dòng)最小。

圖7 道床中心與隧道壁測點(diǎn)振動(dòng)加速度級(jí)Fig. 7 Vibration acceleration level of track bed center and tunnel wall

圖8 地面各測點(diǎn)振動(dòng)加速度級(jí)Fig. 8 Vibration acceleration level of ground measuring points

5 振動(dòng)傳遞損失

將隧道壁測點(diǎn)作為參考點(diǎn)，計(jì)算隧道壁至地面各測點(diǎn)1/3倍頻程各頻段振動(dòng)傳遞損失，用以評(píng)價(jià)巖石類場地振動(dòng)傳遞特性。

圖 9為隧道壁至地面各測點(diǎn)1/3倍頻程加速度級(jí)傳遞損失，可以看出：

1）振動(dòng)傳遞損失曲線均近似呈 V型分布，高頻段振動(dòng)傳遞損失最大值除0 m測點(diǎn)外均在36～46 dB之間，低頻段振動(dòng)傳遞損失在7～19 dB之間，傳遞損失在20～25 Hz附近最小。

圖9 隧道壁至地面各測點(diǎn)振動(dòng)傳遞損失Fig. 9 Vibration transmission loss from tunnel wall to ground

2）除45 m與60 m處測點(diǎn)外，隧道壁至地面其他測點(diǎn)傳遞損失在 20～25 Hz附近均有負(fù)值出現(xiàn)，說明此頻段附近振動(dòng)加速度從隧道壁傳遞至地面有放大現(xiàn)象。30 m處測點(diǎn)在20 Hz處放大最明顯，達(dá)到5.2 dB。

3）實(shí)測傳遞損失與文獻(xiàn)[15]試驗(yàn)分析結(jié)果趨勢一致，由于激勵(lì)方式、隧道類型及埋深、土層分布等條件不一致，結(jié)果有所不同。

6 結(jié)論

通過對(duì)青島某地鐵線路區(qū)間普通道床段進(jìn)行隧道—地面同步過車響應(yīng)測試分析，得到以下結(jié)論：

1）隧道內(nèi)道床中心與隧道壁1.25 m處振動(dòng)加速度峰值在 10–1～100m·s–2量級(jí)；地面 0～90 m 處振動(dòng)加速度峰值在 10–3～10–2m·s–2量級(jí)；背景振動(dòng)加速度峰值主要在 10–4m·s–2量級(jí)。

2）道床中心—隧道壁—地面振動(dòng)加速度有效值衰減趨勢明顯。地面振動(dòng)加速度有效值隨著與隧道中心線距離的增加呈波動(dòng)衰減趨勢。本測試場地在距離隧道中心線30 m與75 m處，存在2個(gè)振動(dòng)放大區(qū)。

3）隧道與地面振動(dòng)主要集中在50～200 Hz，隧道200 Hz處的振動(dòng)最為顯著，地面60～80 Hz的振動(dòng)最為顯著。30 m與75 m處2個(gè)振動(dòng)放大點(diǎn)，相對(duì)于前一測點(diǎn)，均在8～25 Hz與60～80 Hz頻段有放大。

4）隧道壁至地面振動(dòng)傳遞損失曲線均近似呈V型分布，高頻段振動(dòng)傳遞損失較低頻段大，傳遞損失在20～25 Hz附近最小，大部分測點(diǎn)在此頻段傳遞損失均出現(xiàn)負(fù)值，說明此頻段附近振動(dòng)加速度從隧道壁傳遞至地面有放大現(xiàn)象，這可能對(duì)建筑結(jié)構(gòu)二次輻射噪聲產(chǎn)生不利影響，當(dāng)線路下穿附近建筑物需要進(jìn)行軌道隔振設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)謹(jǐn)慎選擇固有頻率在此頻段附近的隔振系統(tǒng)。

5）地鐵列車運(yùn)行引起青島巖石場地振動(dòng)傳遞特性與其他場地類別相比具有一定的相似性與差異性。測試結(jié)果可為青島地鐵后期線路規(guī)劃對(duì)地面環(huán)境振動(dòng)影響提供參考。