于海英，祝 達(dá)，周寶峰，徐 旋，馬溫喜

(1.中國地震局工程力學(xué)研究所，黑龍江 哈爾濱 150080；2.中國地震局地震工程與工程振動重點(diǎn)實(shí)驗室，黑龍江 哈爾濱 150080)

0 引言

20世紀(jì)初，Omori(1908)首次使用測震儀器觀測地脈動；Kanai等(1954)在20世紀(jì)50年代將1 s以下短周期的地脈動觀測值作為評估工程場地動力性能的一種方法；Udwadia和Trifunac(1973)通過對美國加州同一場地獲得的地脈動與EL Centro地震波進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)兩者沒有相關(guān)性，并且地脈動在不同的時段亦不穩(wěn)定；Thompson(2013)認(rèn)為，與空氣噪聲類似，不同類型的在軌列車(如地面上和地下隧道內(nèi)高速運(yùn)行的列車)引起的振動通過大地傳播后，同樣會成為附近居民區(qū)的重要噪聲干擾源，地面振動問題變得日益重要。地下隧道內(nèi)高速運(yùn)行的列車引起的振動會傳遞到上方地面及其周邊建筑物，與地面上運(yùn)行的列車引起的振動相比，其振動具有高頻成分(30～250 Hz)。因此，感官上，此類振動噪聲會比其它振動噪聲更令人煩躁，該現(xiàn)象被稱為“地面誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)聲”。瑞士學(xué)者證實(shí)該現(xiàn)象的確存在，日本學(xué)者對日本新干線的調(diào)查結(jié)果亦有相似結(jié)論(Muller，2008；Yokoshima，Tamura，1999)。20世紀(jì)80年代以后，隨著我國地震觀測技術(shù)的不斷進(jìn)步，地脈動觀測方法得到廣泛應(yīng)用。彭遠(yuǎn)黔等(2000)將地脈動卓越周期作為場地類型分類的標(biāo)準(zhǔn)，并給出各種場地土類型所對應(yīng)的卓越周期。綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者的研究主要集中在利用地脈動觀測值評估工程場地動力性能、鐵路環(huán)境振動噪聲對列車運(yùn)行線路附近居民的干擾程度，以及如何建立環(huán)境振動噪聲的評價標(biāo)準(zhǔn)和制定噪聲減緩措施等方面。然而，在城市地鐵地震緊急處置領(lǐng)域，鮮有針對環(huán)境振動噪聲對地震緊急處置系統(tǒng)中地震信號識別的影響方面的研究。事實(shí)上，在城市地鐵采取地震緊急處置時，地震P波預(yù)警的效果受實(shí)時采集到的地震波的信噪比影響很大，且在P波觸發(fā)后3 s內(nèi)的加速度幅值與地鐵環(huán)境振動噪聲(尤其是在軌運(yùn)行的列車引起的振動噪聲)混疊在一起，使得地震P波更難被有效識別。

為了研究地鐵環(huán)境振動噪聲對未來城市地鐵地震警報系統(tǒng)中地震信號識別的影響，并分析處理地鐵環(huán)境振動噪聲對地震信號識別的影響，針對修建城市地鐵所常見的Ⅱ類和Ⅲ類場地，本文選取哈爾濱地鐵1號線的4個地鐵站的上行線首部和尾部作為環(huán)境振動觀測點(diǎn)，采集凌晨安靜時段和白晝列車工作時段的地脈動數(shù)據(jù)以及環(huán)境振動噪聲數(shù)據(jù)?；诨瑒悠骄ǎ岢龃_定帕曾窗帶寬b值的經(jīng)驗方法，對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，給出地脈動和地鐵列車振動的加速度均方根值統(tǒng)計結(jié)果以及相應(yīng)的頻譜，并確定哈爾濱地鐵地震P波預(yù)警濾波頻帶范圍。

1 地鐵環(huán)境振動觀測

1.1 測試儀器

為了滿足哈爾濱市地鐵環(huán)境振動噪聲測試的頻率要求，即既要保留地脈動信號(地脈動成分在20 Hz以下的頻率段內(nèi)，長周期地脈動信號的頻率甚至低于0.1 Hz)，也要監(jiān)測到外界振動干擾信號(列車振動成分高于30 Hz)，因此要求測試儀器采樣頻段的下限要低于所獲取信號的頻段下限(曾立峰，2012)。在哈爾濱地鐵的地脈動信號測量中，測試儀器主要包括2套強(qiáng)震動記錄器和加速度傳感器，分別采用美國凱尼公司(Kinemetrics Inc.)生產(chǎn)的Basalt型號和FBA ES-T型號。加速度傳感器的頻率響應(yīng)范圍為0～100 Hz，完全可以滿足測試的頻率要求。

1.2 測點(diǎn)布設(shè)

薄景山(2003)指出，在哈爾濱市地鐵1號線(一期)18個車站中，太平橋站、交通學(xué)院站、樺樹街站和哈爾濱東站所在場地為Ⅱ類場地，其它車站所在場地均為Ⅲ類場地?？紤]哈爾濱市地鐵環(huán)境振動噪聲測試觀測點(diǎn)應(yīng)保證包括兩種場地類別的車站，因此選取博物館站、和興路站、理工大學(xué)站和樺樹街站作為測試車站。測試車站的場地參數(shù)見表1。

表1 測試車站的場地等效剪切波速、覆蓋層厚度和場地類別Tab.1 Site equivalent shear wave velocity，cover thickness and site class of the testing station

由圖1可見，加速度傳感器LEA和LSA分別布設(shè)在各測試車站地鐵隧道底部上行線的首部和尾部，各觀測點(diǎn)加速度傳感器與軌道間的距離見表2。加速度傳感器的X軸與地鐵上行線(徑向)同方向，Y軸與地鐵上行線(切向)同方向，Z軸為豎向。

表2 各觀測點(diǎn)傳感器與地鐵軌道的距離Tab.2 The distance between sensors and tracks at all observing sites 單位：m

圖1 環(huán)境振動噪聲觀測點(diǎn)測試儀器布置示意
Fig.1 Diagram of arrangement of testing instruments at observing sites of environmental noises

2 噪聲分析

城市地鐵環(huán)境振動噪聲包括地鐵列車振動、地脈動以及市電等產(chǎn)生的干擾。本文分析地鐵環(huán)境振動中地脈動和列車振動噪聲，僅考慮LEA和LSA所獲取的加速度波形信號。從連續(xù)多天各時段觀測采集的數(shù)據(jù)中提取。雖然是在凌晨進(jìn)行地脈動信號的測量，但結(jié)果仍然受到地面行駛車輛等因素的干擾。干擾信號與地脈動信號相比有明顯的區(qū)別：干擾信號的振動過程較短，而地脈動信號則會一直存在。這是由于地脈動信號的最大幅值不能代表地脈動的振動幅值，而是代表干擾信號的振幅(李友鵬，鄒桂高，2004)。本文利用從各測試車站采集的各時段地脈動數(shù)據(jù)計算加速度均方根平均值(表3)，結(jié)果表明：各測試車站洞體的地脈動加速度均方根平均值為(3.7～8.5)×10-2gal。

表3 各測試車站地脈動加速度均方根平均值Tab.3 Average MSR of ground pulsation acceleration at all testing stations 單位：gal

從采集的各時段地脈動數(shù)據(jù)中提取加速度均方根平均值最小的、記錄長度為1 min的地脈動信號作為典型，并繪制其時程曲線(圖2)。從采集的各時段列車振動數(shù)據(jù)中提取典型的列車振動信號，并繪制其時程曲線(圖3)。

(a)上行線首部

(b)上行線尾部

(a)上行線首部

(b)上行線尾部

由各測試車站采集的列車振動數(shù)據(jù)計算得到列車振動信號峰值加速度平均值由表4可見：與水平向振動相比，各測試車站列車的豎向振動較大；在水平向振動中，軌道切向振動大于徑向振動，且水平向合成值為2.1～18.0 gal。

表4 各測試車站列車振動峰值加速度平均值Tab.4 Average peak acceleration of train vibration at all testing stations 單位：gal

根據(jù)以上分析，結(jié)合地震P波雙參數(shù)閾值高鐵Ⅰ級地震警報預(yù)測方法(宋晉東等，2018)，選取地震P波觸發(fā)后3 s內(nèi)的速度幅值大于0.05 m/s(相當(dāng)于加速度幅值2.5 m/s-2)作為信噪比的評價標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選。警報參數(shù)τc的計算結(jié)果受地震信號的信噪比影響較大，計算時應(yīng)選取滿足一定信噪比要求的地震信號。雖然地鐵地脈動信號的加速度均方根平均值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于地震警報系統(tǒng)對地震信號信噪比的要求，但是地鐵列車振動信號的加速度幅值(即便采用水平向合成值)與地震P波觸發(fā)后3 s內(nèi)的加速度幅值幾乎處在同一數(shù)量級，若不對其進(jìn)行降噪處理則無法有效識別地震波。

3 降噪處理

為了使城市地鐵地震警報系統(tǒng)在地震發(fā)生時能夠準(zhǔn)確撿拾地震動信息，必須采用濾波技術(shù)有效濾除城市地鐵環(huán)境振動噪聲。降噪處理通常采用滑動平均法，但適用于城市地鐵P波預(yù)警降噪處理的滑動譜窗的選擇以及窗口帶寬的確定方法尚未統(tǒng)一。本文基于滑動平均法，提出確定帕曾窗(Parzen Window)窗口帶寬b值的經(jīng)驗方法。最后，利用濾波技術(shù)確定合適的濾波頻帶，并將列車振動及市電干擾濾除。

3.1 滑動平均法

地震動信號的傅里葉譜、功率譜會出現(xiàn)鋸齒狀起伏現(xiàn)象，很難確定頻譜峰值的準(zhǔn)確位置。為了解決該問題，需要對頻譜做平滑化處理?；诖笃轫槒?2008)的研究，本文提出一種頻譜的滑動平均法，即依次以樣本點(diǎn)為中心點(diǎn)，在數(shù)據(jù)寬度為b的區(qū)間內(nèi)計算中心點(diǎn)的平均值，并將其作為樣本點(diǎn)的值(圖4)。

圖4 滑動平均法示意Fig.4 Diagram of the moving average method

經(jīng)滑動平均法處理后，列車振動信號頻譜的主要頻率成分被凸顯出來，且該方法能對從測試車站采集的海量列車振動數(shù)據(jù)進(jìn)行批量地頻譜平滑化處理。

在利用卷積運(yùn)算對頻譜進(jìn)行平滑化處理時，本文只對功率譜進(jìn)行平滑化，以保證不改變原頻譜的功率。

(1)

3.2 確定帕曾窗帶寬b值的經(jīng)驗方法

為保證功率譜平滑后的面積不變，且對某個中心點(diǎn)取值時，能夠使中心點(diǎn)兩側(cè)數(shù)值的處理保持均衡，W(f)需滿足以下條件：

(2)

滿足式(2)的譜窗W(f)有多種，本文采用帕曾窗(圖5)作為譜窗，即

(3)

式中：u稱為時滯域上的截斷寬度，一般將u當(dāng)作單純的常數(shù)處理，單位為s(大崎順彥，2008)。

帕曾窗的帶寬b為：

(4)

確定帕曾窗的帶寬b值是檢驗滑動平均法頻譜平滑化效果的關(guān)鍵參數(shù)。若b值過小，則經(jīng)平滑化處理的頻譜鋸齒狀現(xiàn)象仍十分明顯，難以分辨出主頻；若b值過大，經(jīng)平滑化處理的頻譜將過于平緩，導(dǎo)致主頻的位置更不明顯甚至削去主頻。以博物館站的地脈動信號的傅里葉譜為例，分別選取不同的b值，檢驗滑動平均法頻譜平滑化效果(圖6)。結(jié)果表明：帶寬b值較小或較大均不合適；當(dāng)帶寬b值取0.4 Hz時，平滑化后的頻譜能較好地反映地脈動信號的頻譜主頻。經(jīng)測試，其它測試車站地脈動信號的頻譜亦顯示同樣的平滑化效果。

圖5 帕曾窗示意Fig.5 Diagram of the Parzen Window

(a)上行線首部

(b)上行線尾部

3.3 地脈動及市電干擾

首先，計算各測試車站三軸向地脈動信號的傅里葉譜和功率譜；其次，采用滑動平均法對功率譜進(jìn)行平滑化處理；然后，由經(jīng)平滑化處理的功率譜計算傅里葉譜；最后，由水平向(徑向和切向)的傅里葉譜計算水平合成向的傅里葉譜。

水平合成向傅里葉譜fh的計算公式為：

(5)

式中：fx和fy分別表示徑向和切向的傅里葉譜。

各測試車站未濾波的地脈動信號的傅里葉譜如圖7所示，由圖可見，各測試車站上行線首部和尾部測點(diǎn)的頻率主要集中在2.8～50 Hz，且頻率在50 Hz處尤為明顯，該頻率成分屬于市電干擾。市電干擾主要是各觀測點(diǎn)周圍存在大量電氣設(shè)備，并且測量時由于測試儀器沒有接地條件造成的。為了消除市電干擾造成的影響，本文采用巴特沃斯低通濾波器(高頻截止頻率為10 Hz)。

(a)上行線首部 (b)上行線尾部

圖7 各測試車站未濾波的地脈動傅里葉譜
Fig.7 Unfiltered Fourier spectrum of ground pulsation at all testing stations

Kanai等(1954)認(rèn)為地脈動和場地土類型存在關(guān)系，可以利用地脈動觀測值進(jìn)行場地劃分；黃蕾等(2009)則進(jìn)一步認(rèn)為場地土類型與地脈動的卓越周期或卓越頻率存在明確的對應(yīng)關(guān)系(表5)。為了探究各測試車站觀測點(diǎn)地脈動信號的卓越頻率與場地土類型之間的相關(guān)性，本文分析各測點(diǎn)濾波后的地脈動信號傅里葉譜。而建設(shè)部綜合勘察研究院(1995)認(rèn)為，地脈動信號各軸向的卓越周期不同時，應(yīng)以水平向的卓越周期為主，必要時可分別提出水平向和豎向的卓越周期。因此，本文分別繪制各測點(diǎn)濾波后的地脈動信號豎向和水平合成向的傅里葉譜(圖8)，并統(tǒng)計各測點(diǎn)相應(yīng)的卓越頻率(表6)。

表5 按卓越周期或卓越頻率劃分場地土類型Tab.5 Site soil types categorized by predominant period or predominant frequency

(a)上行線首部

(b)上行線尾部

表6 各測點(diǎn)的卓越頻率Tab.6 Predominant frequency at all stations

結(jié)合表5、表6可知：水平向卓越頻率中，只有樺樹街站上行線尾部的觀測點(diǎn)不滿足場地土類型的要求；而在豎向卓越頻率中，樺樹街站觀測點(diǎn)則完全不滿足場地土類型的要求。綜上所述，水平向卓越頻率和場地土類型的相關(guān)性較好，而豎向卓越頻率的誤差較大。因此，巴特沃斯帶通濾波器的高頻截止頻率選擇10 Hz是比較合理的。

3.4 列車振動干擾

為了從地震動信號中有效濾除列車振動干擾，需要對列車振動信號進(jìn)行傅里葉譜分析，以獲得地鐵列車振動信號的主要頻率成分。

各測試車站觀測點(diǎn)采集的地鐵列車振動信號的傅里葉譜(圖9)表明：各測試車站觀測點(diǎn)的上行線首部和尾部的列車振動信號的頻率成分均集中在30～90 Hz。由于測試專用的加速度傳感器頻率響應(yīng)范圍為0～100 Hz，因此本文引言中所提及的“歐洲地鐵列車振動噪聲具有高頻成分(30～250 Hz)”亦得到印證。

(a)上行線首部

(b)上行線尾部

由圖9可知，列車振動信號同樣存在低頻成分，故仍需找出地鐵列車振動信號的低頻成分所在范圍。雖然地鐵列車振動信號的低頻部分的譜幅值較高，但其頻帶較窄。徐旋(2018)對大量地震動信號的低頻截止頻率進(jìn)行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)地震動的低頻截止頻率主要集中在0.3 Hz附近。因此，巴特沃斯帶通濾波器的低頻截止頻率選擇0.3 Hz是比較合理的。

3.5 噪聲處理效果比較

為了滿足地鐵地震警報系統(tǒng)對準(zhǔn)確性的要求，需要從各種環(huán)境振動噪聲中有效提取地震動信號。環(huán)境振動噪聲主要包括地鐵電氣設(shè)備工作引起的50 Hz市電干擾和列車振動噪聲。地震動信號的頻率主要集中在10 Hz以下，且列車振動信號的高頻成分大于10 Hz，因此，環(huán)境振動噪聲的高頻成分可以較為容易地從地震動信號中被濾除。

日本新干線地震預(yù)警采用的是兩個級聯(lián)濾波器，濾波頻帶為0.05～5 Hz，由于此種濾波器設(shè)計難度比較大，因此實(shí)際采用0.075～5 Hz的4階帶通濾波器(宋晉東，2013)。在計算儀器地震烈度時，日本氣象廳所使用的幅值濾波器的濾波頻帶為0.5～10 Hz(張紅才，2013)。為了盡可能濾除地震動信號中屬于地鐵環(huán)境振動噪聲(列車振動以及市電干擾)，本文分別選擇0.3 Hz和10 Hz作為巴特沃斯帶通濾波器的低頻和高頻截止頻率。日本氣象廳儀器烈度、日本新干線地震預(yù)警以及本文所采用的濾波器的頻率響應(yīng)如圖10所示。

綜上所述，本節(jié)首先基于頻譜滑動平均法計算確定各測試車站地脈動信號和列車振動信號的頻譜濾波頻帶范圍為0.3～10 Hz，然后采用巴特沃斯帶通濾波器濾除地震動信號中環(huán)境振動噪聲，最后計算得到各測試車站經(jīng)濾波處理后的列車振動信號的峰值加速度均方根平均值(表7)。

圖10 濾波器頻率響應(yīng)示意Fig.10 Diagram of filter frequency response

表7 各測試車站濾波后的列車振動的峰值加速度均方根平均值Tab.7 Average MSR peak acceleration of filtered train vibration at all testing stations 單位：gal

對比表3和表7可知，經(jīng)濾波處理后的列車振動(3.8～7.6)×10-2gal與地脈動信號的峰值加速度均方根平均值(3.7～8.5)×10-2gal處于相同數(shù)量級，且被包含在地脈動信號的峰值加速度均方根平均值區(qū)間內(nèi)。

考慮博物館站觀測點(diǎn)列車振動信號的濾波前后效果，從圖11可以看出：經(jīng)過濾波處理后，市電干擾以及列車振動干擾均被濾除。因此，本文確定的巴特沃斯帶通濾波器的濾波頻帶(0.3～10 Hz)是合理的，其對哈爾濱地鐵環(huán)境振動噪聲的濾波處理效果是明顯的。

(a)上行線首部 (b)上行線尾部

圖11 博物館站觀測點(diǎn)列車振動濾波前后的時程曲線
Fig.11 Time-series curves of filtered and unfiltered train vibration at the Museum Station

經(jīng)過以上降噪處理后，地鐵地脈動信號和列車振動信號的峰值加速度均方根平均值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于地震警報系統(tǒng)對地震信號信噪比的要求，可更容易識別出地震P波信號。

4 結(jié)論

本文以哈爾濱地鐵1號線包含Ⅱ類和Ⅲ類2種場地土類型的4個地鐵站的上行線首部和尾部作為觀測點(diǎn)，展開地鐵環(huán)境振動噪聲的測試、分析以及降噪處理研究，得出以下結(jié)論：

(1)各測試車站觀測點(diǎn)洞體的地脈動信號的加速度均方根平均值在(3.7～8.5)×10-2gal。三軸向地鐵列車振動信號中，與水平向振動相比，各測試車站列車的豎向振動較大；在水平向振動中，軌道切向振動較大于徑向振動，且水平向合成值在2.1～18.0 gal。

(2)各測試車站觀測點(diǎn)凌晨安靜時段的地脈動信號受地鐵環(huán)境工作的電氣設(shè)備引起的頻率為50 Hz的市電干擾的影響較大。經(jīng)高頻截止頻率為10 Hz的巴特沃斯低通濾波器進(jìn)行濾波處理后的地脈動信號的卓越頻率和場地土類型有明顯的對應(yīng)關(guān)系，即：水平向卓越頻率和場地土類型的相關(guān)性較好，而豎向卓越頻率的誤差較大。

(3)基于滑動平均法的經(jīng)驗方法確定帕曾窗帶寬b值為0.4 Hz，平滑化后的頻譜能較好地反映地脈動信號的頻譜主頻。確定各測試車站地脈動信號和列車振動信號的頻譜濾波頻帶為0.3～10 Hz時，能較好地濾除地脈動信號中地鐵環(huán)境振動噪聲(列車振動以及市電干擾)的頻率成分。并與日本氣象廳儀器地震烈度以及新干線地震預(yù)警系統(tǒng)的濾波頻帶進(jìn)行對比。經(jīng)過該頻帶濾波處理后的列車振動信號與地脈動信號的峰值加速度均方根平均值處于同一數(shù)量級上，且被包含在地脈動信號的峰值加速度均方根平均值區(qū)間內(nèi)，而且遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于地震警報系統(tǒng)對地震信號信噪比的要求。

本文所得到的從各測試車站觀測點(diǎn)采集的凌晨安靜時段的地脈動數(shù)據(jù)以及列車工作時段的過車振動數(shù)據(jù)的分析結(jié)果可為今后城市地鐵緊急處置技術(shù)研究提供參考依據(jù)，測試數(shù)據(jù)本身亦可為今后城市地鐵的地震安全性評價和設(shè)計提供極具價值的科學(xué)數(shù)據(jù)支撐。

本課題組在對哈爾濱地鐵1號線進(jìn)行環(huán)境振動噪聲測試的過程中得到了哈爾濱地鐵集團(tuán)有限公司的寶貴支持與配合，在此表示衷心感謝！