黃江華，李西峰

（1.浙江華東工程安全技術(shù)有限公司，浙江 杭州310014；2.鄭州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州450001）

1 概述

近年來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各城市的地鐵線路的增多，地鐵也產(chǎn)生了一些負(fù)面影響，地鐵運(yùn)行引起的振動(dòng)會(huì)影響地面和建筑物，進(jìn)而影響地鐵周邊的工作和生活[1]。地鐵線路的增多，往往造成多條地鐵隧道的凈距越來越小，這致使地鐵列車運(yùn)行對(duì)相臨隧道的振動(dòng)問題愈發(fā)突出。因此明確列車振動(dòng)荷載對(duì)相臨近距離隧道的影響對(duì)保障隧道長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)過程的安全性和穩(wěn)定性具有重大意義[2-6]。

以鄭州地鐵為例，通過統(tǒng)計(jì)各測(cè)點(diǎn)的加速度峰值、加速度振級(jí)以及頻域數(shù)據(jù)，分析了地鐵荷載對(duì)鄰近隧道的振動(dòng)傳播規(guī)律，為本地區(qū)地鐵運(yùn)行引起的振動(dòng)評(píng)價(jià)提供了參考。

2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置和振動(dòng)信號(hào)預(yù)處理方法

2.1 測(cè)點(diǎn)布置

鄭州某在建地鐵隧道與已經(jīng)運(yùn)行的地鐵隧道距離僅2.4m。選取在建隧道417 環(huán)位置，共布置了四個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)可以對(duì)隧道豎直向、橫向和徑向進(jìn)行加速度采集。測(cè)點(diǎn)1 位于靠近運(yùn)營(yíng)地鐵一側(cè)的拱腰位置，測(cè)點(diǎn)4 位于遠(yuǎn)離運(yùn)營(yíng)地鐵一側(cè)拱腰處。由于現(xiàn)場(chǎng)道床已鋪設(shè)無法測(cè)拱底處，因此將測(cè)點(diǎn)設(shè)于隧道的最低處，測(cè)點(diǎn)2 位于靠近運(yùn)營(yíng)地鐵一側(cè)隧道與道床交界處，測(cè)點(diǎn)3 位于遠(yuǎn)離運(yùn)營(yíng)地鐵一側(cè)隧道于道床交界處，具體測(cè)點(diǎn)布置如圖1。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置示意圖

2.2 振動(dòng)信號(hào)預(yù)處理

在現(xiàn)實(shí)條件下進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)時(shí)，由于周圍較復(fù)雜的測(cè)試環(huán)境，測(cè)試信號(hào)往往參雜了大量噪聲污染，使得信噪比下降，因而需要對(duì)實(shí)測(cè)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確和真實(shí)。

本文通過Matlab 實(shí)現(xiàn)最小二乘法的計(jì)算，構(gòu)造出趨勢(shì)項(xiàng)，并在實(shí)測(cè)信號(hào)中去除。并運(yùn)用五點(diǎn)三次平滑法對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了四次數(shù)據(jù)平滑處理，提高信噪比，使波形更加光滑。根據(jù)曾宇等對(duì)地鐵振動(dòng)信號(hào)的信號(hào)小波降噪?yún)?shù)的研究，采用Symlets A 4 階小波作為小波基，經(jīng)過3層小波分解，基于無偏似然估計(jì)閾值和軟閾值進(jìn)行去信號(hào)去噪。

3 實(shí)測(cè)信號(hào)結(jié)果與分析

3.1 實(shí)測(cè)加速度時(shí)域分析

根據(jù)采集的實(shí)測(cè)結(jié)果，經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理后，分別得到測(cè)點(diǎn)1-測(cè)點(diǎn)4 在的加速度峰值見表1，各測(cè)點(diǎn)振級(jí)值見表2。

表1 各測(cè)點(diǎn)三個(gè)方向峰值加速度峰值（m/s2）

表2 各測(cè)點(diǎn)三個(gè)方向振動(dòng)加速度級(jí)（dB）

通過表1 和表2 可以看出，運(yùn)營(yíng)列車對(duì)近距離隧道的振動(dòng)影響主要為豎直向和水平向振動(dòng)，縱向振動(dòng)影響較小，豎直向振動(dòng)在隧道底部的影響較大，其余方向均隨著水平距離的增加而不斷衰減。各點(diǎn)的振級(jí)變化與峰值加速度變化趨同，在處于凈距最小處的近側(cè)拱腰處水平振級(jí)最大，隨著距離的增大水平方向的振級(jí)逐漸減?。贿\(yùn)營(yíng)地鐵列車產(chǎn)生的豎直振動(dòng)對(duì)于近距離隧道的底部影響更大，在交接處取得最大振級(jí)；在遠(yuǎn)側(cè)隧道隨著距離的增加而衰減；縱向振級(jí)遠(yuǎn)小于豎直向和水平向振級(jí)。

3.2 實(shí)測(cè)加速度頻域分析

對(duì)預(yù)處理后的時(shí)域數(shù)據(jù)，選取Hanning 窗來減少時(shí)域信號(hào)截?cái)嗟男孤叮肕atlab 軟件采用快速傅里葉變換（FFT 變換）得到各測(cè)點(diǎn)的頻率幅值，并繪制出測(cè)點(diǎn)1～測(cè)點(diǎn)4 三個(gè)方向的頻譜曲線見圖2 所示。

通過圖2 可以看出，隧道壁的振動(dòng)頻率主要在100Hz以內(nèi)，100Hz 以上的高頻段隨著距離的增加衰減明顯。隧道壁不同位置處區(qū)別不大，各方向的優(yōu)勢(shì)頻率大多集中在50～80Hz。地鐵列車引起相臨隧道在豎直向、水平向和縱向三個(gè)方向上的加速度影響具有相似的優(yōu)勢(shì)頻率成分。各點(diǎn)在1～100Hz 的三分之一倍率頻程如圖3。

圖2 頻率曲線

圖3 1/3倍率頻程

通過圖3 可知，隧道任意位置的拾取點(diǎn)在豎直向、水平向和縱向的振動(dòng)響應(yīng)的三分之一倍率頻程的變化趨勢(shì)基本是一致的，總體來看振級(jí)最大的頻率主要分布50～100Hz內(nèi)，在5Hz 以內(nèi)逐步增加，然后在5～10Hz 以內(nèi)有小幅下降，之后逐漸上升在60Hz 左右達(dá)到峰值后逐漸下降。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)鄭州地鐵隧道進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，記錄了由運(yùn)營(yíng)地鐵引起的隧道加速度振動(dòng)時(shí)程。利用預(yù)處理的相關(guān)理論方法，對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)處理繪制出了加速度時(shí)程曲線，并計(jì)算得到了振動(dòng)加速度級(jí)的變化曲線，繪制了傅里葉頻譜圖，分析了地鐵振動(dòng)在相臨隧道的傳播和衰減規(guī)律，得到以下結(jié)論：

（1）地鐵列車引起的相臨隧道的振動(dòng)以豎直向和水平向?yàn)橹鳎v向加速度則明顯較??；近運(yùn)營(yíng)隧道側(cè)的振動(dòng)大與遠(yuǎn)運(yùn)營(yíng)側(cè)，隨著距離的增加，振動(dòng)整體呈現(xiàn)明顯的衰減趨勢(shì)；豎直向振動(dòng)最大位置在隧道的底部位置，水平向振動(dòng)受水平距離影響較大，最大位置處于水平距離最近的拱腰處，且隨著水平距離的增加振動(dòng)有明顯的縮小，縱向振動(dòng)由于隧道變形剛度較大而明顯低于其他方向振動(dòng)。

（2）振動(dòng)加速度級(jí)變化規(guī)律與振動(dòng)加速度相同，最大振級(jí)由水平向振動(dòng)在拱腰處產(chǎn)生，其余位置豎直向振級(jí)均為優(yōu)勢(shì)方向，縱向振級(jí)則明顯較小，各方向振級(jí)均在70dB 以下。

（3）振動(dòng)三個(gè)方向的頻率主要在50～100Hz，優(yōu)勢(shì)頻率集中在50～80Hz，隧道不同位置區(qū)別不大。三分之一倍率頻程在隧道壁不同位置在豎直向、水平向和縱向的變化趨勢(shì)是相似的，5Hz 以內(nèi)的振動(dòng)較弱，在60Hz 處振動(dòng)最強(qiáng)，主要振動(dòng)在50～80Hz。