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        哈爾濱地鐵環(huán)境振動(dòng)噪聲測(cè)試與降噪處理*

        2020-05-01 10:49:34于海英周寶峰馬溫喜
        地震研究 2020年1期
        關(guān)鍵詞:脈動(dòng)車站濾波

        于海英,祝 達(dá),周寶峰,徐 旋,馬溫喜

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

        0 引言

        20世紀(jì)初,Omori(1908)首次使用測(cè)震儀器觀測(cè)地脈動(dòng);Kanai等(1954)在20世紀(jì)50年代將1 s以下短周期的地脈動(dòng)觀測(cè)值作為評(píng)估工程場(chǎng)地動(dòng)力性能的一種方法;Udwadia和Trifunac(1973)通過對(duì)美國(guó)加州同一場(chǎng)地獲得的地脈動(dòng)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(dòng)在不同的時(shí)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(dòng)通過大地傳播后,同樣會(huì)成為附近居民區(qū)的重要噪聲干擾源,地面振動(dòng)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(dòng)會(huì)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(dòng)相比,其振動(dòng)具有高頻成分(30~250 Hz)。因此,感官上,此類振動(dòng)噪聲會(huì)比其它振動(dòng)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(duì)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(guó)地震觀測(cè)技術(shù)的不斷進(jìn)步,地脈動(dòng)觀測(cè)方法得到廣泛應(yīng)用。彭遠(yuǎn)黔等(2000)將地脈動(dòng)卓越周期作為場(chǎng)地類型分類的標(biāo)準(zhǔn),并給出各種場(chǎng)地土類型所對(duì)應(yīng)的卓越周期。綜上所述,國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究主要集中在利用地脈動(dòng)觀測(cè)值評(píng)估工程場(chǎng)地動(dòng)力性能、鐵路環(huán)境振動(dòng)噪聲對(duì)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(dòng)噪聲的評(píng)價(jià)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(duì)環(huán)境振動(dòng)噪聲對(duì)地震緊急處置系統(tǒng)中地震信號(hào)識(shí)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(shí),地震P波預(yù)警的效果受實(shí)時(shí)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(dòng)噪聲(尤其是在軌運(yùn)行的列車引起的振動(dòng)噪聲)混疊在一起,使得地震P波更難被有效識(shí)別。

        為了研究地鐵環(huán)境振動(dòng)噪聲對(duì)未來城市地鐵地震警報(bào)系統(tǒng)中地震信號(hào)識(shí)別的影響,并分析處理地鐵環(huán)境振動(dòng)噪聲對(duì)地震信號(hào)識(shí)別的影響,針對(duì)修建城市地鐵所常見的Ⅱ類和Ⅲ類場(chǎng)地,本文選取哈爾濱地鐵1號(hào)線的4個(gè)地鐵站的上行線首部和尾部作為環(huán)境振動(dòng)觀測(cè)點(diǎn),采集凌晨安靜時(shí)段和白晝列車工作時(shí)段的地脈動(dòng)數(shù)據(jù)以及環(huán)境振動(dòng)噪聲數(shù)據(jù)?;诨瑒?dòng)平均法,提出確定帕曾窗帶寬b值的經(jīng)驗(yàn)方法,對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,給出地脈動(dòng)和地鐵列車振動(dòng)的加速度均方根值統(tǒng)計(jì)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(dòng)觀測(cè)

        1.1 測(cè)試儀器

        為了滿足哈爾濱市地鐵環(huán)境振動(dòng)噪聲測(cè)試的頻率要求,即既要保留地脈動(dòng)信號(hào)(地脈動(dòng)成分在20 Hz以下的頻率段內(nèi),長(zhǎng)周期地脈動(dòng)信號(hào)的頻率甚至低于0.1 Hz),也要監(jiān)測(cè)到外界振動(dòng)干擾信號(hào)(列車振動(dòng)成分高于30 Hz),因此要求測(cè)試儀器采樣頻段的下限要低于所獲取信號(hào)的頻段下限(曾立峰,2012)。在哈爾濱地鐵的地脈動(dòng)信號(hào)測(cè)量中,測(cè)試儀器主要包括2套強(qiáng)震動(dòng)記錄器和加速度傳感器,分別采用美國(guó)凱尼公司(Kinemetrics Inc.)生產(chǎn)的Basalt型號(hào)和FBA ES-T型號(hào)。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(cè)試的頻率要求。

        1.2 測(cè)點(diǎn)布設(shè)

        薄景山(2003)指出,在哈爾濱市地鐵1號(hào)線(一期)18個(gè)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(chǎng)地為Ⅱ類場(chǎng)地,其它車站所在場(chǎng)地均為Ⅲ類場(chǎng)地??紤]哈爾濱市地鐵環(huán)境振動(dòng)噪聲測(cè)試觀測(cè)點(diǎn)應(yīng)保證包括兩種場(chǎng)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(cè)試車站。測(cè)試車站的場(chǎng)地參數(shù)見表1。

        表1 測(cè)試車站的場(chǎng)地等效剪切波速、覆蓋層厚度和場(chǎng)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(cè)試車站地鐵隧道底部上行線的首部和尾部,各觀測(cè)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(cè)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(dòng)噪聲觀測(cè)點(diǎn)測(cè)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(dòng)噪聲包括地鐵列車振動(dòng)、地脈動(dòng)以及市電等產(chǎn)生的干擾。本文分析地鐵環(huán)境振動(dòng)中地脈動(dòng)和列車振動(dòng)噪聲,僅考慮LEA和LSA所獲取的加速度波形信號(hào)。從連續(xù)多天各時(shí)段觀測(cè)采集的數(shù)據(jù)中提取。雖然是在凌晨進(jìn)行地脈動(dòng)信號(hào)的測(cè)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(hào)與地脈動(dòng)信號(hào)相比有明顯的區(qū)別:干擾信號(hào)的振動(dòng)過程較短,而地脈動(dòng)信號(hào)則會(huì)一直存在。這是由于地脈動(dòng)信號(hào)的最大幅值不能代表地脈動(dòng)的振動(dòng)幅值,而是代表干擾信號(hào)的振幅(李友鵬,鄒桂高,2004)。本文利用從各測(cè)試車站采集的各時(shí)段地脈動(dòng)數(shù)據(jù)計(jì)算加速度均方根平均值(表3),結(jié)果表明:各測(cè)試車站洞體的地脈動(dòng)加速度均方根平均值為(3.7~8.5)×10-2gal。

        表3 各測(cè)試車站地脈動(dòng)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(shí)段地脈動(dòng)數(shù)據(jù)中提取加速度均方根平均值最小的、記錄長(zhǎng)度為1 min的地脈動(dòng)信號(hào)作為典型,并繪制其時(shí)程曲線(圖2)。從采集的各時(shí)段列車振動(dòng)數(shù)據(jù)中提取典型的列車振動(dòng)信號(hào),并繪制其時(shí)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(cè)試車站采集的列車振動(dòng)數(shù)據(jù)計(jì)算得到列車振動(dòng)信號(hào)峰值加速度平均值由表4可見:與水平向振動(dòng)相比,各測(cè)試車站列車的豎向振動(dòng)較大;在水平向振動(dòng)中,軌道切向振動(dòng)大于徑向振動(dòng),且水平向合成值為2.1~18.0 gal。

        表4 各測(cè)試車站列車振動(dòng)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(jí)地震警報(bào)預(yù)測(cè)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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選。警報(bào)參數(shù)τc的計(jì)算結(jié)果受地震信號(hào)的信噪比影響較大,計(jì)算時(shí)應(yīng)選取滿足一定信噪比要求的地震信號(hào)。雖然地鐵地脈動(dòng)信號(hào)的加速度均方根平均值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于地震警報(bào)系統(tǒng)對(duì)地震信號(hào)信噪比的要求,但是地鐵列車振動(dòng)信號(hào)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(jí),若不對(duì)其進(jìn)行降噪處理則無法有效識(shí)別地震波。

        3 降噪處理

        為了使城市地鐵地震警報(bào)系統(tǒng)在地震發(fā)生時(shí)能夠準(zhǔn)確撿拾地震動(dòng)信息,必須采用濾波技術(shù)有效濾除城市地鐵環(huán)境振動(dòng)噪聲。降噪處理通常采用滑動(dòng)平均法,但適用于城市地鐵P波預(yù)警降噪處理的滑動(dòng)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(dòng)平均法,提出確定帕曾窗(Parzen Window)窗口帶寬b值的經(jīng)驗(yàn)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(dòng)及市電干擾濾除。

        3.1 滑動(dòng)平均法

        地震動(dòng)信號(hào)的傅里葉譜、功率譜會(huì)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(duì)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(dòng)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(jì)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(dòng)平均法示意Fig.4 Diagram of the moving average method

        經(jīng)滑動(dòng)平均法處理后,列車振動(dòng)信號(hào)頻譜的主要頻率成分被凸顯出來,且該方法能對(duì)從測(cè)試車站采集的海量列車振動(dòng)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(duì)頻譜進(jìn)行平滑化處理時(shí),本文只對(duì)功率譜進(jìn)行平滑化,以保證不改變?cè)l譜的功率。

        (1)

        3.2 確定帕曾窗帶寬b值的經(jīng)驗(yàn)方法

        為保證功率譜平滑后的面積不變,且對(duì)某個(gè)中心點(diǎn)取值時(shí),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(shí)滯域上的截?cái)鄬挾龋话銓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(yàn)滑動(dòng)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(dòng)信號(hào)的傅里葉譜為例,分別選取不同的b值,檢驗(yàn)滑動(dòng)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(shí),平滑化后的頻譜能較好地反映地脈動(dòng)信號(hào)的頻譜主頻。經(jīng)測(cè)試,其它測(cè)試車站地脈動(dòng)信號(hào)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(dòng)及市電干擾

        首先,計(jì)算各測(cè)試車站三軸向地脈動(dòng)信號(hào)的傅里葉譜和功率譜;其次,采用滑動(dòng)平均法對(duì)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(jì)算傅里葉譜;最后,由水平向(徑向和切向)的傅里葉譜計(jì)算水平合成向的傅里葉譜。

        水平合成向傅里葉譜fh的計(jì)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(cè)試車站未濾波的地脈動(dòng)信號(hào)的傅里葉譜如圖7所示,由圖可見,各測(cè)試車站上行線首部和尾部測(cè)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(cè)點(diǎn)周圍存在大量電氣設(shè)備,并且測(cè)量時(shí)由于測(cè)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(cè)試車站未濾波的地脈動(dòng)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(dòng)和場(chǎng)地土類型存在關(guān)系,可以利用地脈動(dòng)觀測(cè)值進(jìn)行場(chǎng)地劃分;黃蕾等(2009)則進(jìn)一步認(rèn)為場(chǎng)地土類型與地脈動(dòng)的卓越周期或卓越頻率存在明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系(表5)。為了探究各測(cè)試車站觀測(cè)點(diǎn)地脈動(dòng)信號(hào)的卓越頻率與場(chǎng)地土類型之間的相關(guān)性,本文分析各測(cè)點(diǎn)濾波后的地脈動(dòng)信號(hào)傅里葉譜。而建設(shè)部綜合勘察研究院(1995)認(rèn)為,地脈動(dòng)信號(hào)各軸向的卓越周期不同時(shí),應(yīng)以水平向的卓越周期為主,必要時(shí)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(cè)點(diǎn)濾波后的地脈動(dòng)信號(hào)豎向和水平合成向的傅里葉譜(圖8),并統(tǒng)計(jì)各測(cè)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(chǎng)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(cè)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(cè)點(diǎn)不滿足場(chǎng)地土類型的要求;而在豎向卓越頻率中,樺樹街站觀測(cè)點(diǎn)則完全不滿足場(chǎng)地土類型的要求。綜上所述,水平向卓越頻率和場(chǎng)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(dòng)干擾

        為了從地震動(dòng)信號(hào)中有效濾除列車振動(dòng)干擾,需要對(duì)列車振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行傅里葉譜分析,以獲得地鐵列車振動(dòng)信號(hào)的主要頻率成分。

        各測(cè)試車站觀測(cè)點(diǎn)采集的地鐵列車振動(dòng)信號(hào)的傅里葉譜(圖9)表明:各測(cè)試車站觀測(cè)點(diǎn)的上行線首部和尾部的列車振動(dòng)信號(hào)的頻率成分均集中在30~90 Hz。由于測(cè)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(dòng)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(dòng)信號(hào)同樣存在低頻成分,故仍需找出地鐵列車振動(dòng)信號(hào)的低頻成分所在范圍。雖然地鐵列車振動(dòng)信號(hào)的低頻部分的譜幅值較高,但其頻帶較窄。徐旋(2018)對(duì)大量地震動(dòng)信號(hào)的低頻截止頻率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,發(fā)現(xiàn)地震動(dòng)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(bào)系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)確性的要求,需要從各種環(huán)境振動(dòng)噪聲中有效提取地震動(dòng)信號(hào)。環(huán)境振動(dòng)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(dòng)噪聲。地震動(dòng)信號(hào)的頻率主要集中在10 Hz以下,且列車振動(dòng)信號(hào)的高頻成分大于10 Hz,因此,環(huán)境振動(dòng)噪聲的高頻成分可以較為容易地從地震動(dòng)信號(hào)中被濾除。

        日本新干線地震預(yù)警采用的是兩個(gè)級(jí)聯(lián)濾波器,濾波頻帶為0.05~5 Hz,由于此種濾波器設(shè)計(jì)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(jì)算儀器地震烈度時(shí),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(dòng)信號(hào)中屬于地鐵環(huán)境振動(dòng)噪聲(列車振動(dòng)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(dòng)平均法計(jì)算確定各測(cè)試車站地脈動(dòng)信號(hào)和列車振動(dòng)信號(hào)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(dòng)信號(hào)中環(huán)境振動(dòng)噪聲,最后計(jì)算得到各測(cè)試車站經(jīng)濾波處理后的列車振動(dòng)信號(hào)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(cè)試車站濾波后的列車振動(dòng)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(duì)比表3和表7可知,經(jīng)濾波處理后的列車振動(dòng)(3.8~7.6)×10-2gal與地脈動(dòng)信號(hào)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(jí),且被包含在地脈動(dòng)信號(hào)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(cè)點(diǎn)列車振動(dòng)信號(hào)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(dòng)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(duì)哈爾濱地鐵環(huán)境振動(dòng)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(cè)點(diǎn)列車振動(dòng)濾波前后的時(shí)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(dòng)信號(hào)和列車振動(dòng)信號(hào)的峰值加速度均方根平均值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于地震警報(bào)系統(tǒng)對(duì)地震信號(hào)信噪比的要求,可更容易識(shí)別出地震P波信號(hào)。

        4 結(jié)論

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

        (1)各測(cè)試車站觀測(cè)點(diǎn)洞體的地脈動(dòng)信號(hào)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(dòng)信號(hào)中,與水平向振動(dòng)相比,各測(cè)試車站列車的豎向振動(dòng)較大;在水平向振動(dòng)中,軌道切向振動(dòng)較大于徑向振動(dòng),且水平向合成值在2.1~18.0 gal。

        (2)各測(cè)試車站觀測(cè)點(diǎn)凌晨安靜時(shí)段的地脈動(dòng)信號(hào)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(dòng)信號(hào)的卓越頻率和場(chǎng)地土類型有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系,即:水平向卓越頻率和場(chǎng)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(dòng)平均法的經(jīng)驗(yàn)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(dòng)信號(hào)的頻譜主頻。確定各測(cè)試車站地脈動(dòng)信號(hào)和列車振動(dòng)信號(hào)的頻譜濾波頻帶為0.3~10 Hz時(shí),能較好地濾除地脈動(dòng)信號(hào)中地鐵環(huán)境振動(dòng)噪聲(列車振動(dòng)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(duì)比。經(jīng)過該頻帶濾波處理后的列車振動(dòng)信號(hào)與地脈動(dòng)信號(hào)的峰值加速度均方根平均值處于同一數(shù)量級(jí)上,且被包含在地脈動(dòng)信號(hào)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(bào)系統(tǒng)對(duì)地震信號(hào)信噪比的要求。

        本文所得到的從各測(cè)試車站觀測(cè)點(diǎn)采集的凌晨安靜時(shí)段的地脈動(dòng)數(shù)據(jù)以及列車工作時(shí)段的過車振動(dòng)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(cè)試數(shù)據(jù)本身亦可為今后城市地鐵的地震安全性評(píng)價(jià)和設(shè)計(jì)提供極具價(jià)值的科學(xué)數(shù)據(jù)支撐。

        本課題組在對(duì)哈爾濱地鐵1號(hào)線進(jìn)行環(huán)境振動(dòng)噪聲測(cè)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!

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