地鐵運營誘發(fā)振動衰減規(guī)律實測研究

地鐵運營誘發(fā)振動衰減規(guī)律實測研究

0地鐵環(huán)境振動主要研究方法近年來，中國公共交通運輸系統(tǒng)發(fā)展迅速，但與此同時，也產(chǎn)生了一些負面影響，主要是由公共交通主導(dǎo)的振動對環(huán)境的影響。根據(jù)相關(guān)文獻，公共交通系統(tǒng)的振動對環(huán)境的影響不容忽視。尤其是與振動相對應(yīng)的建筑和設(shè)施，已經(jīng)發(fā)展影響其正常工作水平。公共交通運輸工人的干擾和噪聲已成為世界七大環(huán)境事件之一。國外關(guān)于環(huán)境振動的研究,早期主要根據(jù)現(xiàn)場振動測量結(jié)果,給出經(jīng)驗公式.20世紀(jì)80年代以后,各國學(xué)者進一步深入研究了地鐵振動影響,其中Rucker采用有限元法,討論了地鐵運行時所產(chǎn)生的振動輻射變化.80年代后期及近年來,Melke和Voberg發(fā)展了一種分析技術(shù):實驗室試驗和現(xiàn)場的定量預(yù)測方法,并建立了對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,給出了一套理論計算預(yù)測振動響應(yīng)的復(fù)變函數(shù)數(shù)學(xué)關(guān)系式.日本的古田勝指出了地鐵運營引發(fā)振動主要應(yīng)研究的問題,即振源的軌道振動、隧道振動、振動在土中的傳播,并提出了針對軌道的構(gòu)造和通過切斷振動傳播線路的2種減振措施.此外,西班牙、捷克等國在這些方面也做了大量的測試、調(diào)查和研究工作,通過對幾種不同場地土的測試結(jié)果統(tǒng)計,分析了列車引起的地面振動波的傳播和衰減特性,并從降低行車速度、減輕荷載質(zhì)量、提高路面平整度等方面提出了減少振害的措施.總的來說,對地鐵沿線環(huán)境振動的評價、預(yù)測方法基本上仍以現(xiàn)場實測和經(jīng)驗公式為主,缺乏系統(tǒng)的研究和定量的評價方法.國內(nèi)關(guān)于地鐵交通引起的環(huán)境振動研究,主要是評價單位針對某具體的地鐵工程所作的環(huán)境影響評價報告書,其預(yù)測評價方法主要為簡單定量預(yù)測方法,及根據(jù)國內(nèi)外已有的研究成果,用經(jīng)驗公式預(yù)測某預(yù)測點的Z振級.一般經(jīng)驗公式包括振級與車速、距離、軌道參數(shù)、地質(zhì)情況等一些修正項的關(guān)系.基于目前我國地鐵環(huán)境振動影響預(yù)測,主要服務(wù)于地鐵工程的可行性研究階段.隨著我國高速列車項目的啟動,已經(jīng)建成或正在建設(shè)地鐵和輕軌系統(tǒng)的城市越來越多,列車的運行速度也在不斷提高,振動對環(huán)境的影響已經(jīng)到了必須重視的地步.但由于目前對沿線環(huán)境振動的評價、預(yù)測方法仍以現(xiàn)場實測和經(jīng)驗公式為主,缺乏系統(tǒng)的理論和定量的評價方法,因此不能有效地指導(dǎo)設(shè)計和施工.隨著人們對生活環(huán)境要求的提高,對這一問題的研究將對提高我國城市居民的生活質(zhì)量,對列車的高速化、多輛化所引起的環(huán)境振動的減振方法的改進和完善也有重要意義.作者通過對某地鐵3處典型路段的振動實測,分析了地鐵環(huán)境振動的振動特性和傳播規(guī)律,得到了一些有意義的結(jié)果和結(jié)論,可為地面建筑的防振減振控制及城市交通的規(guī)劃與設(shè)計提供參考.1通過地鐵運營對環(huán)境振動的測量和分析1.1線路選擇實測測點選擇了某地鐵3處典型路段:①某地鐵Ⅰ號測點軌道結(jié)構(gòu)為無縫線路,道床為混凝土整體道床,軌道用彈性軌道扣件減震;②某地鐵Ⅱ、Ⅲ測點軌道結(jié)構(gòu)為無縫線路,道床為彈性短軌枕整體道床,部分地段采用浮置板道床.在其沿線選擇典型振動觀測場地及與線路垂直的觀測線,當(dāng)列車通過時,對各觀測線上諸觀測點的地面振動進行了實測.線路選擇及測點布置考慮了以下因素:沿線的場地巖土類別;隧道斷面形式及線路平面形狀;測點至隧道頂?shù)穆裰蒙疃燃爸了淼乐行牡乃骄嚯x;高速路、高架橋及其他交通的影響.測試時列車通過的車速約為65km·h-1.觀測儀器為WIJ-200加速度傳感器和DASP信號采集儀.1.2地鐵和地鐵振動傳播情況Ⅲ號路段測點振動加速度測量的結(jié)果參見圖1.根據(jù)我國《城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)》,加速度振級的定義為式中,aω為頻率計權(quán)加速度有效值(m·s-2);a0為基準(zhǔn)加速度值(10-6m·s-2).由圖1可見,觀測線上各測點的振動(加速度)幅度及其傅里葉幅值譜譜值和振級大體上是隨著與隧道軸線水平距離的增加而減小.其中,60～80Hz的振動強度較大,衰減也比較快,0～20Hz的振動衰減較小(見圖1(b)和圖1(c)),說明頻率愈高振動衰減愈快,傳到建筑物的振動主要為20Hz以內(nèi)的低頻振動.在r=20m左右處,振動強度有所增大,這證實了地鐵振動不是隨距離單調(diào)衰減而是存在一個放大區(qū)的論斷.Ⅰ、Ⅱ測點振動情況大體與Ⅲ測點相似,在距離地鐵隧道軸線25m附近和26m附近也存在振動放大區(qū),這說明放大區(qū)的位置與地層條件、隧道埋深等有關(guān).本文討論條件下,3個測點的放大區(qū)大約位于距地鐵隧道軸線20～30m處,在這一范圍內(nèi)的建筑物有可能受到地鐵列車運營的影響.圖2給出了Ⅲ號測點水平和垂直方向加速度有效值隨距離的衰減情況(x和y表示2個水平方向,z表示垂直方向),可見地鐵誘發(fā)振動的水平分量在傳播過程中的衰減要快于垂直分量,傳播到建筑物下的垂直分量大于水平分量.文獻的實測結(jié)果也表明,建筑物的水平振動一般約比垂直小10dB.因此在評價建筑物受地鐵振動的影響時,應(yīng)以垂直方向的振動為主.加速度有效值定義為圖3描述了距隧道中心線不同距離測點處振級隨頻率的變化情況.該圖表明,頻率小于20Hz的振動隨距離的衰減較小,其倍距衰減量約為5dB;35～50Hz的振動隨距離的衰減較大,其倍距衰減量約為10dB;60～80Hz的振動隨距離的衰減更大,其倍距衰減量約為10～20dB.圖4反映了不同頻率的振動分量沿地表的傳播情況.其中,A代表I號測點;B代表Ⅲ號測點(如B1Hz表示Ⅰ號測點1Hz頻率分量).總的看來,1、3、5、10、15Hz的振動幾何衰減較小,而30、60、90Hz的這些高頻振動幾何衰減很大.對于Ⅰ號測點,從圖中可以看出對于1、3、5Hz的低頻振動,盡管幅值的大小不同,但都在5、20m附近出現(xiàn)了放大區(qū);而對于10、15、30Hz的振動,除10Hz在15m附近出現(xiàn)一個放大區(qū)以外,15、30Hz的振動隨著距離的增大而減小,沒有出現(xiàn)反彈放大的現(xiàn)象;而60、90Hz的高頻振動,在8m和25m附近也出現(xiàn)了放大區(qū),其中60Hz的振動在25m附近放大明顯,說明高頻振動分量總趨勢是隨著距離增大振動減小,但在某些地段也會出現(xiàn)反彈.Ⅲ號測點的情況與Ⅰ號測點基本相似,1、3、5Hz的振動都出現(xiàn)了放大區(qū)(1、3Hz的振動放大區(qū)在8m附近,5Hz振動放大區(qū)在20m附近);10Hz的振動在30m附近略微有所反彈,15Hz的振動在20m附近也略有放大;30Hz振動則隨距離的增大而減小;60、90Hz的幾何衰減很大,基本無放大現(xiàn)象.從圖中還可以看出,Ⅰ號測點10Hz以下的振動信號放大明顯,而Ⅲ號測點10Hz以下的振動信號,雖然也有所放大,但放大強度要小些;Ⅲ號測點60、90Hz的高頻振動10m內(nèi)的衰減很快,超過10m時,衰減速率反而變慢了;而Ⅰ號測點60、90Hz的高頻振動卻沒有這個特點;Ⅲ號測點10、15、30Hz的振動衰減也快于Ⅰ號測點的同頻段信號的衰減.可見,對于不同的振源,不同的土介質(zhì),其振動衰減是不同的,其振動衰減速率也是不同的.1.3地鐵相關(guān)環(huán)境振動的預(yù)測模型地鐵隧道振動在地表中的傳播受到隧道埋深、土質(zhì)、地下水、反射物、障礙物以及振動頻率、振動方向等多方面因素的影響,故振動波的衰減比空氣中聲波的衰減要復(fù)雜得多,而和聲波通過多個反射物傳播的情況相似.目前國內(nèi)尚無成熟的振動衰減模式可借鑒,只能利用類比實測的振動衰減數(shù)據(jù)擬合曲線來建立預(yù)測模型.文獻認為列車通過時隧道的振級與如下因素有關(guān):①軌道結(jié)構(gòu);②道床結(jié)構(gòu);③隧道襯砌厚度;④輪軌條件;⑤列車運行速度.由于所測試線路彎道比較多,鋼軌出現(xiàn)磨痕,導(dǎo)致軌道振動增大,因此隧道振級還應(yīng)與地鐵線路的曲率半徑有關(guān).根據(jù)以往的研究結(jié)果,地鐵引起環(huán)境振動的Z振級可以根據(jù)實測數(shù)據(jù),運用統(tǒng)計回歸的方法按經(jīng)驗公式.進行擬合.式中,r為觀測點到地鐵軸線的水平距離;v為列車行駛速度;ρ為地鐵線路軌道水平曲率半徑;V0、A、w1、w2、w3、rc與地質(zhì)條件、道床結(jié)構(gòu)、輪軌條件、隧道結(jié)構(gòu)等因素有關(guān).由式(3)可得某地鐵沿線地面Z振級的預(yù)測公式為式中各參數(shù)均由最小二乘法擬合求得(如圖5所示)由圖可見,實測數(shù)據(jù)與擬合值符合良好.2振動放大區(qū)豎向1)地鐵誘發(fā)沿線環(huán)境振動垂直分量的強度明顯高于水平分量,且其沿水平方向傳播隨距離的衰減也要慢于水平分量,故在評價地鐵誘發(fā)振動對沿線建筑物的影響時應(yīng)以垂直分量振動為主;2)地鐵運營誘發(fā)沿線環(huán)境振動(豎向)的60～80Hz分量較大,但隨著與線路中心線水平距離的增大,高頻振動的衰減明顯快于低頻振動,故傳到建筑物的振動以20Hz以內(nèi)的低頻振動為主;3)地鐵誘發(fā)的振動(豎向)在沿地表水平方向傳播時