常 亮

（中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司 機(jī)械動力與環(huán)境工程設(shè)計研究院，天津 300308）

0 引言

隨著城市規(guī)模及人口數(shù)量日益擴(kuò)大，軌道交通不僅緩解了城市的擁堵、改善了城市的空間布局，也給人們帶來了便利，但與之相伴的環(huán)境振動問題也日益突出。地下線作為城市軌道交通主要的線路形式，其線路條件、列車運(yùn)行速度、軌道減振措施等運(yùn)營條件對周邊的環(huán)境振動水平產(chǎn)生影響[1-2]。為了掌握影響城市軌道交通振動源強(qiáng)的主要影響因素，進(jìn)而采取針對性減振措施，開展城市軌道交通列車環(huán)境振動影響因素研究及相關(guān)源強(qiáng)測試極為必要。

對于城市軌道交通環(huán)境振動問題的研究，主要有解析法、數(shù)值計算法及現(xiàn)場實測法，國內(nèi)針對城市軌道交通的振動研究相對較多，蘇浩等[3]對同一地鐵線路的4 處不同斷面進(jìn)行了現(xiàn)場測試，得出不同速度條件下的振動實測源強(qiáng)；黃俊飛等[4]以我國某地鐵線路隧道段為研究對象，測試了普通道床軌道、重量級和中量級浮置板軌道產(chǎn)生的振動響應(yīng)；梁鴻斌[5]在地鐵減振措施現(xiàn)場實測研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行了普通道床、彈性短軌枕、先鋒扣件軌道結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析，就各種減振措施的減振效果開展研究；閆維明等[6]對某地鐵運(yùn)營引起的環(huán)境振動進(jìn)行了實測，并根據(jù)實測結(jié)果進(jìn)行了回歸分析，提出計算振動隨距離衰減的經(jīng)驗公式。

以上研究均對不同運(yùn)行條件的地鐵列車隧道振動影響進(jìn)行了測試，但測試數(shù)據(jù)量相對較少，相關(guān)研究對隧道內(nèi)隧道壁處振源的針對性測試較少。為此，在某地鐵線路隧道內(nèi)開展多個測試斷面的振動測試，研究分析線路條件、列車速度、減振措施類型對環(huán)境振動水平的影響，以期研究結(jié)果對城市軌道交通沿線振動源強(qiáng)確定、采取更有效的減振措施及減少線路振動影響有積極意義。

1 振動測試

為了得到城市軌道交通列車運(yùn)營時振動源強(qiáng)的影響因素，在城市軌道交通隧道內(nèi)進(jìn)行了振動測試。測試中選取不同線路條件、運(yùn)營速度、減振措施等運(yùn)營條件的測試斷面，在鋼軌、道床及隧道壁面布置振動傳感器，振動測試各測試斷面布點情況如圖1所示。

圖1 隧道內(nèi)測點布置情況

測試采用數(shù)據(jù)采集設(shè)備及振動加速度傳感器，鋼軌測點位于2 個鋼軌扣件間，垂向加速度傳感器位于鋼軌底部。道床板傳感器位于距道床板邊緣5 cm 處，隧道壁面?zhèn)鞲衅鞴潭ㄓ谒淼辣谏?.2 m 處。傳感器連接至數(shù)據(jù)采集設(shè)備，一同置于隧道內(nèi)，監(jiān)測運(yùn)營時段列車通過時各結(jié)構(gòu)的振動水平。隧道現(xiàn)場傳感器布置如圖2所示。

圖2 地鐵隧道內(nèi)現(xiàn)場傳感器布置

2 隧道內(nèi)典型工況測試結(jié)果

本次測試選取普通道床、A型車、列車速度為60 km/h、線路埋深約為20 m等典型測試工況。通過鋼軌處的振動加速度傳感器及列車車長等信息，可以計算得到列車通過該測試斷面時的運(yùn)行速度；由鋼軌、道床、隧道壁測點測得的振動加速度，可以得出由鋼軌—道床—隧道壁振動的傳遞損失情況；隧道壁測點測得的振動加速度可用于確定地鐵列車環(huán)境振動預(yù)測評價的振動源強(qiáng)。典型工況的振動測試結(jié)果時程和頻譜曲線如圖3和圖4所示。

通過測試結(jié)果可以看出，測試點車速為60～70 km/h，鋼軌振動以高頻為主，主要振動頻率范圍為250～800 Hz之間，Z振級為117.1 dB；對于普通道床，其主要振動頻率在20～100 Hz 之間，其振動幅值大于隧道壁處的振動幅值，Z 振級為92.8 dB；隧道壁處的振動幅值主要頻率為40～80 Hz 之間，1/3 倍頻振動峰值頻率為63 Hz，Z 振級為83.8 dB。振動傳播由鋼軌—道床—隧道壁，并逐漸減小，符合振動傳播衰減規(guī)律。

3 環(huán)境振動影響因素研究

根據(jù)測試斷面的不同運(yùn)營條件，通過對測試數(shù)據(jù)的處理分析，對比了線路條件及施工方法、列車運(yùn)營速度及軌道減振措施對環(huán)境振動源強(qiáng)的影響，各測試斷面選擇隧道壁處振級為對比測點。環(huán)境振動源強(qiáng)的主要影響因素及影響分析如下。

圖3 列車通過時段內(nèi)隧道壁、道床、軌道振動時程和頻譜曲線

圖4 列車通過時段內(nèi)隧道壁、道床、軌道振動1/3倍頻曲線

3.1 列車運(yùn)行速度對振動源強(qiáng)的影響

為了比較不同速度條件下列車振動源強(qiáng)的變化趨勢，選取了相鄰測試斷面不同速度下的列車振動數(shù)據(jù)，以確保兩測試斷面的其他運(yùn)行條件和線路條件一致。測試工況線路選取為普通道床形式、線路埋深約為20 m。通過對地鐵列車時域數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，可以較明顯分辨出列車不同車輪通過測點的時刻，由此可得列車通過測點的時長，從而根據(jù)列車軸距、輪對間距等參數(shù)求出列車的運(yùn)行速度。不同速度下鋼軌、道床、隧道壁處Z振級測試結(jié)果及擬合情況如圖5所示。

通過計算結(jié)果可以看出，隨速度的增加，隧道壁源強(qiáng)位置處Z振級增加，受速度影響較為明顯。通過對測試統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析可得，對于隧道壁測點，列車通過速度在57～75 km/h 變化時，Z 振級大小變化為77.5～86.0 dB，車速每增加5 km/h，振級約增加2.4 dB。

圖5 不同速度下隧道振級測試結(jié)果

3.2 線路條件及施工方法對振動源強(qiáng)的影響

為了比較不同線路條件及施工方法下列車振動源強(qiáng)的變化趨勢，選取了不同測試斷面、相同軌道條件下的列車振動數(shù)據(jù)。測試工況線路選取為普通道床形式，線路埋深分別選取15 m(明挖法施工)、30 m(盾構(gòu)法施工)、38 m(盾構(gòu)法施工)，振動測試結(jié)果如圖6所示。

通過計算結(jié)果可以看出，隨埋深的增加，隧道壁源強(qiáng)位置處Z振級減小明顯。通過對測試統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析，并分別計算不同速度、隧道不同線路條件(埋深及建設(shè)條件不同)時的最大Z 振級VLz 及埋深(h)分別為15 m、30 m 和38 m 條件下的最大Z 振級差值?VLz，詳細(xì)數(shù)據(jù)如表1所示。隨著埋深的增加，隧道壁測點振級情況如圖7所示。

通過計算可以看出，隨著埋深增加，15 m埋深的隧道壁振級較30 m 埋深高約11.1 dB，30 m 埋深的隧道振動較38 m埋深高約2.5 dB。由于15 m埋深的測試段采用明挖法施工，施工后回填土密實程度較天然形成的土層結(jié)構(gòu)較低，相對于30 m、38 m埋深測試斷面采用的盾構(gòu)施工方法，其隧道結(jié)構(gòu)整體剛度??；考慮到30 m、38 m 埋深測試斷面較15 m 埋深測試斷面更靠近車站(距車站最近距離分別為1 000 m、400 m)，這也將影響隧道壁測點處的振級水平。綜上，線路條件及施工方法對城市軌道交通隧道壁振動影響較為明顯，車速相同條件下，采用盾構(gòu)施工方法，隧道壁的振動水平較低。兩種施工方法下，38 m埋深隧道與15 m埋深隧道在相同速度下的振級最大相差約13.6 dB。

圖6 不同線路條件及施工方法下隧道壁振級測試結(jié)果

表1 不同線路條件(埋深)下隧道壁測點振級 dB

圖7 不同隧道埋深的隧道壁振級

3.3 減振措施對振動源強(qiáng)的影響

為了比較不同減振措施條件下列車振動源強(qiáng)的變化趨勢，選取了不同軌道條件下的測試斷面列車振動數(shù)據(jù)。測試工況線路基礎(chǔ)形式為普通道床、橡膠浮置板減振道床、鋼彈簧浮置板道床3 種，線路埋深約為20 m，振動測試結(jié)果如圖8所示。

圖8 振級隨線路減振形式變化的測試結(jié)果

通過對測試統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析，統(tǒng)計不同速度下的振級平均值，并計算得到不同減振措施條件下隧道壁測點振級如表2所示。

表2 不同線路減振形式的隧道壁振級

由表2 可以計算得出，鋼彈簧浮置板軌道減振效果為26.9 dB，橡膠浮置板減振效果為22.5 dB。經(jīng)調(diào)查，普通道床測試段主要土體類型為軟及中等密實粘土，鋼彈簧浮置板、橡膠浮置板測試段地質(zhì)類型含有部分膠結(jié)程度低的構(gòu)造巖結(jié)構(gòu)，地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件的影響將使測試得到的鋼彈簧浮置板、橡膠浮置板的減振效果增加。相同距離條件下，城市軌道交通振動在粘土及基巖中振動衰減差值約為3～4 dB[7]，由此可得鋼彈簧浮置板軌道減振效果為22.9～23.9 dB，橡膠浮置板軌道減振效果約為18.5～19.5 dB。綜上，扣除地質(zhì)影響因素，減振措施對城市軌道交通隧道壁振動影響較為明顯，工程中可采取鋼彈簧浮置板軌道、橡膠浮置板等軌道減振措施以有效降低振源振級。

4 結(jié)論

為了得到城市軌道交通列車運(yùn)營時振動源強(qiáng)的影響因素，在城市軌道交通隧道內(nèi)進(jìn)行了振動測試。測試中選取不同線路埋深、運(yùn)營速度、減振措施等運(yùn)營條件的測試斷面，得出以下主要結(jié)論。

（1）隨著速度的增加，隧道壁源強(qiáng)位置處Z 振級增加，列車通過速度在57～75 km/h變化時，列車速度每增加5 km/h，振級增加約2.4 dB。

（2）線路條件及施工方法對城市軌道交通隧道壁振動影響較為明顯，車速相同條件下，采用盾構(gòu)施工方法，15 m 埋深的隧道壁振級較30 m 埋深高約11.1 dB，30 m埋深的隧道振動較38 m埋深為高約2.5 dB。

（3）考慮地質(zhì)條件的影響，鋼彈簧浮置板軌道減振效果為22.9～23.9 dB，橡膠浮置板軌道減振效果約為18.5～19.5 dB，減振措施對城市軌道交通隧道壁振動影響較為明顯。