易丙旺,殷琳,張?chǎng)?周卓琳,黃鵬

（寧波工程學(xué)院 建筑與交通工程學(xué)院,浙江 寧波 315211）

0 引言

我國地鐵系統(tǒng)發(fā)展迅速，目前45座城市總的地鐵運(yùn)營里程已達(dá)7 978.19 km[1]。地鐵對(duì)城市發(fā)展貢獻(xiàn)顯著，然而也帶來一些負(fù)面影響。因地鐵線路一般穿越住宅或?qū)懽謽敲芗闹行某菂^(qū)，地鐵線路離建筑物很近，所以地鐵運(yùn)行誘發(fā)的振動(dòng)會(huì)對(duì)人們生活和工作的環(huán)境造成影響。國際上公認(rèn)的七大環(huán)境公害就包含地鐵運(yùn)營引發(fā)的振動(dòng)與噪聲。目前，我國關(guān)于地鐵運(yùn)營引起的環(huán)境振動(dòng)與噪聲方面的投訴較多，這也引起了相關(guān)科研人員的廣泛關(guān)注[2-5]。

研究地鐵引起環(huán)境振動(dòng)的主要方法有三種：現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、數(shù)值計(jì)算和理論分析。其中現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法最為方便有效，且其分析結(jié)論可用于驗(yàn)證其他兩種方法的正確性。

我國用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法研究環(huán)境振動(dòng)問題始于20世紀(jì)80年代，茅玉泉[6]針對(duì)火車引起的振動(dòng)問題，對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸，得到地面振動(dòng)衰減公式。潘昌實(shí)等[7]針對(duì)地鐵引起的振動(dòng)進(jìn)行實(shí)測(cè)，其數(shù)據(jù)主要用于計(jì)算模型中荷載的確定和計(jì)算結(jié)果的驗(yàn)證。閆維明等[8]對(duì)測(cè)得的地鐵引起的加速度時(shí)程進(jìn)行了頻譜分析，并計(jì)算了加速度有效值和振級(jí)，證實(shí)了振動(dòng)放大區(qū)的存在。栗潤德等[9]采用加窗及線性平均技術(shù)，將地鐵引起的地面振動(dòng)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為倍頻程譜，分析了地面振動(dòng)的影響因素，發(fā)現(xiàn)了“交匯頻率”現(xiàn)象。崔高航等[10]通過對(duì)地鐵引起地面振動(dòng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，得知荷載的變化會(huì)影響地面振動(dòng)的振幅和衰減規(guī)律。樓夢(mèng)麟等[11]的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明：地鐵引起的振動(dòng)在距地鐵隧道中心線10 m范圍內(nèi)振動(dòng)水平較高，高頻成分多；在距中心線35 m左右處基本衰減至最小值。樓夢(mèng)麟等[12]利用Hilbert邊際譜分析了地鐵引起地面振動(dòng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，得出的振動(dòng)信號(hào)譜特性比利用Fourier譜得出的特性更符合實(shí)際。

目前，關(guān)于寧波地區(qū)地鐵引起的環(huán)境振動(dòng)研究少見報(bào)道，本文針對(duì)寧波市地鐵某一地下線場(chǎng)地進(jìn)行環(huán)境振動(dòng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，通過采集數(shù)據(jù)分析地面振動(dòng)規(guī)律，以期為城市規(guī)劃與設(shè)計(jì)提供參考。

1 場(chǎng)地簡況與測(cè)點(diǎn)布置

本次測(cè)量場(chǎng)地選在寧波地鐵某線區(qū)間地下段對(duì)應(yīng)的地面。地鐵線由2條平行單線圓形隧道組成。地鐵車型為國家標(biāo)準(zhǔn)的B2車型，接觸網(wǎng)授電，6節(jié)車廂，由四動(dòng)二拖方式組合。高峰期發(fā)車頻率為4 min左右一班，運(yùn)行最高時(shí)速80 km/h。測(cè)線選擇在兩個(gè)車站的中點(diǎn)附近，此處列車通過時(shí)車速最大。測(cè)線垂直于隧道軸線，測(cè)線上布置6個(gè)測(cè)點(diǎn)，由近及遠(yuǎn)依次命名為P1～P6，各測(cè)點(diǎn)距隧道中心分別為17.0、24.0、29.3、32.1、39.1和51.1 m，如圖1。

圖1 測(cè)線及測(cè)點(diǎn)布置示意圖（單位：m）

測(cè)量儀器選用B&K公司的振動(dòng)與噪聲測(cè)試分析系統(tǒng)，其中數(shù)采儀型號(hào)為B3053-B-120，測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍130 dB，分析頻率范圍0～25.6 kHz；傳感器選用靈敏度為10 V/g的8340型加速度計(jì)。測(cè)試時(shí)，采樣頻率設(shè)置為8 192 Hz。選擇平坦堅(jiān)實(shí)的地面放置傳感器，先將一有螺絲口的鐵塊用502粘在地面，然后通過絲桿將傳感器固定在鐵塊上。崔高航等[10]測(cè)試分析結(jié)果表明地鐵引起的地面振動(dòng)以鉛垂向振動(dòng)為主，本文僅對(duì)垂向振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試與分析，后面提及的振動(dòng)均為垂向。因地鐵線路正上方的地表就是機(jī)動(dòng)車道，所以測(cè)試數(shù)據(jù)易受到地面機(jī)動(dòng)車的干擾，經(jīng)過挑選，最終確定了10條僅由地鐵引起的地面振動(dòng)數(shù)據(jù)作為分析基礎(chǔ)。

2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

2.1 加速度時(shí)程

圖2為某次地鐵通過測(cè)線時(shí)，各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度時(shí)程曲線圖。圖中橫軸為時(shí)間，單位為s；縱軸為加速度測(cè)量值，單位為cm/s2。由圖2可知，地鐵通過測(cè)線時(shí)引起的地表振動(dòng)持續(xù)時(shí)間為10 s左右。在6個(gè)測(cè)點(diǎn)范圍內(nèi)振動(dòng)幅值隨距離的增加先變大，后變小，再變大。如，在17 m處的P1測(cè)點(diǎn)時(shí)振動(dòng)峰值在3.0 cm/s2左右，振動(dòng)傳至24 m處的P2測(cè)點(diǎn)后振動(dòng)峰值升為3.7 cm/s2左右，24 m以后振動(dòng)峰值逐漸減小。傳至39.1 m的P5測(cè)點(diǎn)時(shí)振動(dòng)減為最小，為0.9 cm/s2左右；傳至P6測(cè)點(diǎn)后振動(dòng)峰值增加為2.0 cm/s2左右。

圖2 各測(cè)點(diǎn)垂向加速度時(shí)程:(a)P1測(cè)點(diǎn);(b)P2測(cè)點(diǎn);(c)P3測(cè)點(diǎn);(d)P4測(cè)點(diǎn);(e)P5測(cè)點(diǎn);(f)P6測(cè)點(diǎn)

其他工況時(shí)各測(cè)點(diǎn)加速度峰值數(shù)據(jù)見表1，該表中的正峰值、負(fù)峰值和平均峰值分別指加速度時(shí)程的最大值、最小值的絕對(duì)值和最大值與最小值的絕對(duì)值的平均值。為直觀起見，也通過圖的形式給出各工況時(shí)所有測(cè)點(diǎn)的加速度峰值，如圖3。

圖3 各工況時(shí)各測(cè)點(diǎn)垂向加速度峰值:(a)正峰值;(b)負(fù)峰值的絕對(duì)值;(c)正負(fù)峰值平均值

表1 （續(xù)）

表1 各工況下各測(cè)點(diǎn)的加速度峰值

從圖3可以看出，各工況無論是振動(dòng)的正峰值、負(fù)峰值還是平均值，其隨距離變化曲線均成“海馬”狀，即P2測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)峰值相對(duì)前一測(cè)點(diǎn)P1有反彈放大，P6測(cè)點(diǎn)相對(duì)P5測(cè)點(diǎn)也有反彈放大現(xiàn)象。

P2測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)反彈放大和P6測(cè)點(diǎn)振動(dòng)反彈放大機(jī)理不同。P2測(cè)點(diǎn)的垂向振動(dòng)峰值大于P1測(cè)點(diǎn)，這是由“漏斗現(xiàn)象”造成的。因地鐵隧道的沉降，地鐵隧道上方倒三角形范圍內(nèi)的土體與地鐵隧道脫開，隧道的振動(dòng)不能有效傳至地表，所以振動(dòng)較小。本次測(cè)量數(shù)據(jù)表明，倒三角形頂角小于90°。

閆維民等[8]和宗剛等[13]分別介紹了振動(dòng)反彈放大區(qū)的現(xiàn)象和機(jī)理。本文中P6測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)峰值大于P5測(cè)點(diǎn)，這是因?yàn)镻6測(cè)點(diǎn)位于振動(dòng)反彈放大區(qū)，振動(dòng)反彈放大區(qū)位于離隧道中心線51 m左右。

從表1可以看出距離隧道中心線24 m處的P2測(cè)點(diǎn)豎向振動(dòng)最大，各工況的均值約為2.70 cm/s2；距離隧道中心線39.1 m處的P5測(cè)點(diǎn)豎向振動(dòng)最小，各工況均值約為1.00 cm/s2。

2.2 加速度傅里葉譜

將2.1節(jié)中圖2所列工況各測(cè)點(diǎn)的加速度時(shí)程進(jìn)行FFT變換，可得各測(cè)點(diǎn)的加速度幅值譜如圖4。由圖4可知，地鐵地面振動(dòng)的頻譜主要集中在30～70 Hz范圍內(nèi)。根據(jù)圖4(a)可知，P1測(cè)點(diǎn)在40 Hz附近有明顯高于其他頻率處的峰值，該分量的振動(dòng)傳至P2測(cè)點(diǎn)過程中衰減最明顯。對(duì)比圖4的(a)和(b)可知，振動(dòng)從P1傳至P2點(diǎn)過程中40 Hz附近的分量衰減最快，40～60 Hz之間的分量約有增加。對(duì)比圖4的(e)和(f)可知，較遠(yuǎn)的P6測(cè)點(diǎn)相對(duì)于較近的P5測(cè)點(diǎn)，其40 Hz附近的振動(dòng)分量有所增加，由2.1節(jié)知P6點(diǎn)位于振動(dòng)反彈放大區(qū)，這種放大主要是由40 Hz附近分量引起。其他工況的頻譜特性也存在類似規(guī)律，限于篇幅，本文僅列出一個(gè)工況的相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖4 各測(cè)點(diǎn)時(shí)程的傅里葉譜:(a)P1測(cè)點(diǎn);(b)P2測(cè)點(diǎn);(c)P3測(cè)點(diǎn);(d)P4測(cè)點(diǎn);(e)P5測(cè)點(diǎn);(f)P6測(cè)點(diǎn)

2.3 振級(jí)分析

關(guān)于城市環(huán)境振動(dòng)的評(píng)價(jià)，《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》[14]給出了鉛垂向振級(jí)的限值。為計(jì)算振級(jí)，首先計(jì)算加速度時(shí)程在20個(gè)1/3倍頻程內(nèi)的均方根值，然后將均方根值轉(zhuǎn)化為各頻程內(nèi)的加速度級(jí)值，其計(jì)算公式為

式中：La,i為第i個(gè)1/3倍頻程的振動(dòng)加速度級(jí)；aw,i為第i個(gè)1/3倍頻程帶的加速度均方根值；a0為基準(zhǔn)加速度值，a0=10-6m/s2。

最后計(jì)算振級(jí)，計(jì)算公式為

式中，Wi為第i個(gè)中心頻率上的計(jì)權(quán)因子，單位為dB。本文不考慮計(jì)權(quán)，取Wi=0。

圖5給出了根據(jù)公式（1）計(jì)算某工況時(shí)，P1～P6共6個(gè)測(cè)點(diǎn)的1/3倍頻程的振動(dòng)加速度級(jí)La,i。

從圖5（a）可以看出，P1測(cè)點(diǎn)的加速度級(jí)在0～25 Hz范圍內(nèi)高于P2測(cè)點(diǎn)，在25～80 Hz范圍又低于P2測(cè)點(diǎn)。P2測(cè)點(diǎn)的加速度級(jí)和加速度峰值大于P1測(cè)點(diǎn)是因?yàn)?5～80 Hz的振動(dòng)分量引起的。

由圖5（b）可以看出，P2～P4此3個(gè)測(cè)點(diǎn)的加速度級(jí)曲線在0～30 Hz頻率范圍內(nèi)基本重合，自30 Hz后開始分叉。這說明在此3個(gè)測(cè)點(diǎn)之間30 Hz以下的振動(dòng)分量衰減較少，而在30～80 Hz內(nèi)的振動(dòng)分量衰減相對(duì)較大。

從圖5（b）還可以看出，50～80 Hz范圍內(nèi)的振動(dòng)分量的衰減量，從測(cè)點(diǎn)P2到P3的衰減率大于從測(cè)點(diǎn)P3到P4的。

從圖5（c）可以看出，測(cè)點(diǎn)P6在30～50 Hz范圍內(nèi)的振動(dòng)分量高于測(cè)點(diǎn)P5，這說明測(cè)點(diǎn)P6的振動(dòng)反彈放大是由30～50 Hz的振動(dòng)引起。

圖5 各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度級(jí):(a)P1～P2測(cè)點(diǎn);(b)P2～P4測(cè)點(diǎn);(c)P4～P6測(cè)點(diǎn)

表2給出了所有工況各測(cè)點(diǎn)的振級(jí)。從表3可以看出，各點(diǎn)振級(jí)和峰值加速度有同樣的“漏斗現(xiàn)象”和振動(dòng)反彈放大現(xiàn)象。漏斗現(xiàn)象如：P1測(cè)點(diǎn)振級(jí)的均值比P2測(cè)點(diǎn)的小1.5 dB；振動(dòng)反彈放大現(xiàn)象如：P6測(cè)點(diǎn)振級(jí)的均值比P5測(cè)點(diǎn)的大4.2 dB。各工況都能看到類似現(xiàn)象。

表2 各測(cè)點(diǎn)振級(jí)

本次測(cè)量中，P2測(cè)點(diǎn)的振級(jí)最大，均值為79.9 dB；P5測(cè)點(diǎn)振級(jí)最小，均值為70.4 dB。

3 結(jié)論

本研究對(duì)地鐵引起的地面振動(dòng)情況進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，對(duì)地面各測(cè)點(diǎn)的垂向加速度時(shí)程進(jìn)行了分析，得到如下結(jié)論：

（1）地鐵引起地面振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間約為10 s。從振動(dòng)加速度峰值的均值看，P1～P6共6個(gè)測(cè)點(diǎn)中，各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)隨距離的增加先變大后變小再變大，加速度峰值的均值隨距離變化曲線均成“海馬”狀。

（2）振動(dòng)最大的測(cè)點(diǎn)為P2點(diǎn)，其振動(dòng)加速度峰值約為2.7 cm/s2，其各工況振級(jí)的均值為79.9 dB；振動(dòng)最小的為P5測(cè)點(diǎn)，其振動(dòng)加速度峰值約為1.0 cm/s2，其各工況振級(jí)的均值為70.4 dB。

（3）P6測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)放大反彈是因30～50 Hz的振動(dòng)分量增加引起的。