彭克群, 王安斌, 鞠龍華

(上海工程技術(shù)大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院, 上海 201620)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展,越來越多的人涌入大城市,為緩解地面交通壓力,城市軌道交通修建勢(shì)在必行,伴隨而來的是軌道交通所產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲問題[1-4].目前,中外學(xué)者關(guān)于地鐵振動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響做了大量研究,但研究范圍大多集中在振動(dòng)波在軟土地質(zhì)環(huán)境中的傳播規(guī)律[5],對(duì)于剛度較大的巖層地質(zhì)的研究較少.隨著海濱城市地鐵的大規(guī)模修建,巖層地質(zhì)條件下的地鐵振動(dòng)對(duì)周圍環(huán)境的影響不可避免.大多數(shù)海濱城市的近海區(qū)域,地層主要由剛度較大的花崗巖構(gòu)成,隨著向內(nèi)陸遷移,地層逐漸變成上層為軟土,下層為花崗巖的地質(zhì).海濱城市地質(zhì)條件具有特殊性,其振動(dòng)傳遞特性與在軟土層中的傳播不同,因此對(duì)其振動(dòng)波傳遞的研究有著重要的應(yīng)用價(jià)值,可為海濱城市的近海區(qū)域和遠(yuǎn)海區(qū)域的地鐵修建提供重要指導(dǎo),并且有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益.

劉濤等[6]對(duì)多個(gè)測(cè)試點(diǎn)研究表明,水平振動(dòng)比垂直振動(dòng)大,但垂直振動(dòng)衰減速度比水平方向慢,所以在地表測(cè)得振動(dòng)較大的是垂直振動(dòng).高廣運(yùn)等[7]通過對(duì)上海地鐵1號(hào)線人民廣場(chǎng)站的測(cè)試分析,表明各頻率段的振動(dòng)衰減起伏的特征不完全相同,增大隧道深埋可以有效降低地面振動(dòng)的高頻成分.張啟樂等[8]通過對(duì)南昌地鐵的研究,發(fā)現(xiàn)土層剛度越大,振動(dòng)放大區(qū)出現(xiàn)的位置越靠近隧道,振動(dòng)放大區(qū)出現(xiàn)的次數(shù)也增多.張波等[9]通過有限元模型分析,發(fā)現(xiàn)不同深度巖層彈性模量的變化對(duì)地鐵振動(dòng)所致環(huán)境響應(yīng)的影響不同,離自由地表近的巖石彈性模量減小,自由地表加速度振級(jí)減小;而深層巖石彈性模量減小時(shí),自由地表加速度振級(jí)增大.高盟等[10]通過對(duì)比青島地鐵3號(hào)線和上海地鐵10號(hào)線地表振動(dòng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),得出上海軟土地基地鐵振動(dòng)以低頻為主,青島巖質(zhì)地基地鐵振動(dòng)以高頻為主,也有低頻成分,其主導(dǎo)頻率大于上海地鐵的主頻.王黎明等[11]建立有限元模型,對(duì)比分析不同隧道介質(zhì)下地鐵列車運(yùn)行引起的地表振動(dòng)響應(yīng),研究結(jié)果表明,地鐵運(yùn)行振動(dòng)在隧道正上方最強(qiáng),地面上隨著距隧道中心愈遠(yuǎn),整體呈現(xiàn)振動(dòng)衰減趨勢(shì).其中,土層地鐵低頻(≤8 Hz)衰減不明顯,頻率>80 Hz時(shí)開始衰減較快;巖層地鐵在低頻(≤8 Hz)和高頻(>100 Hz)衰減均較快,衰減幅度大于土層地鐵,但中高頻能量帶寬大于土層地鐵.目前尚缺少海濱城市近海區(qū)域和遠(yuǎn)海區(qū)域地質(zhì)條件下地鐵運(yùn)行振動(dòng)的詳盡分析研究.

本文對(duì)某海濱城市遠(yuǎn)海區(qū)域和近海區(qū)域2種典型的巖層地質(zhì)下地鐵的隧道壁和地表振動(dòng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試,并對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)振動(dòng)加速度進(jìn)行1/3倍頻程分析.通過研究振動(dòng)波在地層中的振動(dòng)傳遞損失和不同距離地面振動(dòng)曲線的對(duì)比,分析遠(yuǎn)海區(qū)域和近海區(qū)域地鐵振動(dòng)特性的差異.

1 測(cè)試概況

1.1 測(cè)試儀器

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試采用的是北京東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研究所研制的INV3060V采集儀.該儀器是一種小型、便攜式儀器,其輸入具有12條通道,可以實(shí)時(shí)采集不同位置、不同方向的數(shù)據(jù),集采集系統(tǒng)、感應(yīng)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)于一體.

1.2 測(cè)試內(nèi)容

為避免交匯列車間的相互干擾和地面交通對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的影響,本次測(cè)試只記錄列車通過時(shí)的隧道壁和距離隧道中心線0、15和30 m的地表垂向振動(dòng)加速度.為避免測(cè)試時(shí)的隨機(jī)性干擾,每個(gè)測(cè)點(diǎn)分時(shí)段測(cè)量,選取6:00-8:00、11:00-13:00、17:00-19:00、21:00-23:00等4個(gè)時(shí)段,每時(shí)段至少記錄15組數(shù)據(jù),然后挑選其中10組效果較好的記錄數(shù)據(jù)取均值,進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析.

1.3 測(cè)試場(chǎng)地選取

該試驗(yàn)測(cè)試場(chǎng)地選取遠(yuǎn)海區(qū)域(土巖組合地層)和近海區(qū)域(巖層地層)2種典型地質(zhì)特性的斷面,其中遠(yuǎn)海區(qū)域(土巖組合地層)為“上軟下硬”的地質(zhì)特性,地基土層參數(shù)見表1;近海區(qū)域(巖層地層)為“無軟土層”的地質(zhì)特性,地基土層參數(shù)見表2.

表1 遠(yuǎn)海區(qū)域地基土層參數(shù)Table 1 Parameters of subsoil in far-sea area

表2 近海區(qū)域地基土層參數(shù)Table 2 Parameters of subsoil in offshore area

1.4 測(cè)點(diǎn)布設(shè)及測(cè)試儀器

在隧道內(nèi)部布置1個(gè)測(cè)點(diǎn),地面布置3個(gè)測(cè)點(diǎn).隧道壁上的測(cè)點(diǎn)是將固定塊粘在墻壁上,然后將加速度計(jì)分別水平、豎直方向與固定塊粘接,如圖1所示.地面振動(dòng)測(cè)試主要測(cè)試距離隧道中心線正上方0、15和30 m的地表的垂向加速度,如圖2所示.如圖所示,在地表距離軌道中心線水平距離為0、15和30 m處布置3個(gè)拾振點(diǎn).

圖1 隧道壁上加速度計(jì)位置圖Fig.1 Location map of accelerometer on tunnel wall

圖2 地表加速度計(jì)的位置圖Fig.2 Location map of ground accelerometer

2 不同巖層地質(zhì)條件下地鐵振動(dòng)傳遞特性

2.1 不同巖層地質(zhì)下振動(dòng)衰減特性

某海濱城市遠(yuǎn)海區(qū)域和近海區(qū)域,地鐵振動(dòng)經(jīng)隧道壁傳遞至隧道正上方地表過程中所產(chǎn)生的振動(dòng)能量傳遞損失曲線如圖3所示.從振動(dòng)能量傳遞損失曲線可以看出,遠(yuǎn)海區(qū)域地鐵振動(dòng)在地層中的優(yōu)勢(shì)損失頻率有2個(gè)頻段,分別為4～10和100～200 Hz,損失振動(dòng)能量分別為15.7～33.9和13.4～44.8 dB,振動(dòng)的損失波峰位于200 Hz;近海區(qū)域地鐵的優(yōu)勢(shì)損失頻段與遠(yuǎn)海區(qū)域相接近,在4～10和100～200 Hz,近海區(qū)域地鐵的振動(dòng)能量損失小于遠(yuǎn)海區(qū)域,為9.7～13.5和5.8～31.2 dB,但近海區(qū)域地鐵在地層中振動(dòng)的損失波峰位于4 Hz.出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因是振動(dòng)波的衰減與地層中的土動(dòng)力參數(shù)有關(guān).遠(yuǎn)海區(qū)域地基(土巖組合地層)上層為軟土層,阻尼較大,對(duì)高頻振動(dòng)有很好的阻礙作用,下層為剛度較大的花崗巖層,阻尼較小,對(duì)低頻具有較好的阻礙作用,因此土巖組合層地質(zhì)條件下對(duì)地鐵的低頻振動(dòng)和高頻振動(dòng)能量都具有較好的吸收能力;近海區(qū)域地基(巖層地層)是由剛度較大的花崗巖構(gòu)成,阻尼較小,對(duì)低頻振動(dòng)具有較好的阻礙作用,對(duì)高頻振動(dòng)的吸收較差.因此,相對(duì)于近海區(qū)域地基(巖層地層),遠(yuǎn)海區(qū)域地基(土巖組合地層)對(duì)地鐵的振動(dòng)有較好的衰減作用.

圖3 不同區(qū)域地鐵在地層中振動(dòng)能量傳遞損失曲線Fig.3 Vibration energy transmission loss curves in the stratum of subway in different regions

2.2 地鐵振動(dòng)在地表的衰減特性

遠(yuǎn)海區(qū)域和近海區(qū)域地鐵距離軌道中心線0、15和30 m處,地表拾振點(diǎn)1/3倍頻程譜如圖4和圖5所示.地表振動(dòng)歸一化加速度級(jí)見圖4(a),可以看出地鐵振動(dòng)波在不同的介質(zhì)環(huán)境中傳播具有以下特點(diǎn):遠(yuǎn)海區(qū)域地鐵的1/3倍頻程譜有2個(gè)峰值,分別為12.5和80 Hz,這是因?yàn)樵谠擃l率點(diǎn)的振動(dòng)與地層的固有頻率相接近,振動(dòng)波與地基發(fā)生共振導(dǎo)致出現(xiàn)“共振峰”.從圖4(b)的振動(dòng)能量傳遞損失曲線可以看出,在地表30 m內(nèi)振動(dòng)能量損失的優(yōu)勢(shì)頻帶為8～50 Hz,這與振動(dòng)波在地層中能量損失的優(yōu)勢(shì)頻帶略有差異,說明在地表振動(dòng)能量衰減的過程中,土動(dòng)力參數(shù)不再是影響振動(dòng)能量衰減的主要參數(shù),地表振動(dòng)能量衰減的主要參數(shù)與幾何衰減有關(guān).

圖4 遠(yuǎn)海區(qū)域地鐵振動(dòng)衰減特性(Z計(jì)權(quán))Fig.4 Attenuation characteristics of subway vibration in far sea area(Z weighting)

圖5 近海區(qū)域地鐵振動(dòng)衰減特性(Z計(jì)權(quán))Fig.5 Attenuation characteristics of subway vibration in offshore area(Z weighting)

與遠(yuǎn)海區(qū)域地鐵振動(dòng)相比,近海區(qū)域地鐵振動(dòng)則更突出巖層地鐵的特點(diǎn).近海區(qū)域地鐵振動(dòng)的1/3倍頻程譜也有2個(gè)峰值,如圖5(a)所示.從圖5(b)的振動(dòng)能量傳遞損失曲線可以看出,中心頻率25 Hz以后振動(dòng)能量衰減為負(fù)值,即呈現(xiàn)增加的趨勢(shì),導(dǎo)致這一結(jié)果的主要原因?yàn)檎駝?dòng)波在巖層間不斷反射振動(dòng).總的來說,在遠(yuǎn)海區(qū)域和近海區(qū)域修建地鐵時(shí)要在12.5～16和80～100 Hz的振動(dòng)峰值頻帶考慮減振措施的方法.

2.3 低頻振動(dòng)在不同巖層地質(zhì)條件下衰減特性分析

選取遠(yuǎn)海區(qū)域和近海區(qū)域振動(dòng)頻率為4～20 Hz的1/3倍頻中心頻率,進(jìn)行低頻振動(dòng)加速度級(jí)衰減特性研究,結(jié)果如圖6所示.從圖6可以看出,距離軌道中心線0～30 m時(shí),在4～8 Hz頻段,振動(dòng)波的振動(dòng)在土巖組合地層和巖層地層中隨距離的增加呈先減小后增大趨勢(shì),說明巖層地質(zhì)在4～8 Hz頻段內(nèi)存在振動(dòng)放大區(qū),這與文獻(xiàn)[12]研究結(jié)果相吻合.從8 Hz開始,土巖組合地層中地鐵振動(dòng)加速度級(jí)衰減量大于巖層地層中地鐵,且隨著頻率增大,2種地鐵衰減差異有明顯增大的趨勢(shì),根據(jù)減振原理,相比較于巖層地層,土巖組合地層由于“上軟下硬”的地質(zhì)特性,對(duì)振動(dòng)波具有較好的減振效果.

圖6 不同頻率振動(dòng)加速度級(jí)衰減曲線(Z計(jì)權(quán))Fig.6 Attenuation curves of vibration acceleration level at different frequencies(Z weighting)

3 結(jié) 語

本文分別對(duì)海濱城市的遠(yuǎn)海區(qū)域和近海區(qū)域地鐵振動(dòng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與對(duì)比分析,通過對(duì)其進(jìn)行1/3倍頻程轉(zhuǎn)化研究地層中和地表振動(dòng)能量傳遞損失特性,得到以下結(jié)論.

1) 地質(zhì)條件對(duì)地鐵振動(dòng)的傳播衰減有重要的影響,土巖組合地層對(duì)低頻和高頻振動(dòng)都有較好的衰減作用,巖層地層對(duì)低頻有良好的衰減作用.

2) 遠(yuǎn)海區(qū)域(土巖組合地層)的地鐵振動(dòng)主要為中低頻,近海區(qū)域(巖層地層)主要以高頻為主,其主導(dǎo)頻率大于遠(yuǎn)海區(qū)域地鐵的主頻.

3) 在海濱城市地基條件下,地鐵振動(dòng)環(huán)境中的傳播均出現(xiàn)2個(gè)峰值,因此在地鐵減振設(shè)計(jì)中要避開12～20和63～100 Hz 2個(gè)頻帶.

4) 巖層地層在4～8 Hz頻段內(nèi)存在振動(dòng)放大區(qū),在8～20 Hz頻段,遠(yuǎn)海區(qū)域(土巖組合地層)地鐵的振動(dòng)加速度級(jí)衰減量明顯大于近海區(qū)域(巖層地層)地鐵.