地铁运行时轨道-隧道-地层振动实测与分析

振动、测试与诊断

,JournalofVibrationMeasurement&Dianosisg

Vol.38No.2

Ar.2018p

:/doi10.150.cnki.issn.1004-6801.2018.02.007j

*

地铁运行时轨道隧道地层振动实测与分析--,2

,黄 强1, 姚湘静3, 黄宏伟12, 葛世平3

()()1.同济大学地下建筑与工程系 上海,2000922.同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室 上海,200092

()上海申通地铁集团有限公司地铁维护保障中心 上海,3.201102

摘要 以上海地铁9号线某曲线段隧道为背景,通过在隧道内部、周围土层和地表布置加速度度传感器,对地铁运行引起的轨道隧道地层整个空间内的振动进行了现场测试。通过统计各测点的加速度平均峰值、加速度振级以--及振动主频,分析了地铁振动在整个空间内的传播规律。实测结果表明:隧道内部及近处地层以垂向振动为主,但曲线段的地表水平振动可大于竖向振动;地铁振动从钢轨传至隧道壁时会有大幅衰减,从隧道壁传递到地表正上方时,振级反而有所增大;地铁振动在传播过程中振动主频范围也在不断减少。整体振动测试有助于全面认识地铁振动传播规律,对地铁线路设计、轨道结构减振具有较好的指导意义。关键词 列车振动;加速度;加速度振级;振动主频;现场振动测试中图分类号 TH3

引 言

近年来,我国城市轨道交通建设快速发展,运营里程持续增加。与此同时,地铁运行引起的环境振动问题引起了人们的日益关注,并成为国内外研究的热点。地铁线路常穿过城市中心,两侧高楼林立,地下管线繁多,列车运行引起的振动直接影响着建筑物安全、精密仪器的正常使用和居民的日常生活

[1]

]2

。地层,威胁到地铁列车的运行安全[

,为地铁引起地面振动频率在2加速度振0~80Hz级高频部分衰减明显大于低频部分,地铁所致隧道

[]

正上方振级在70~75dB。袁扬等6对小半径曲线

段地铁线路的地面振动进行了测试,结果表明,在曲水平加速度频率的主要成分在32~5倍,0~建筑物的影响进行了实测,认为列车引起的振动频,率在3车速对地面振动有影响,地面振0~120Hz

9]动随着离振源距离增加呈波动衰减。刘鹏辉等[对

线段距离隧道5水平振动是竖向振动强度的0m内,

。此外,]文献[对地表列车运行周围临近120Hz7-8

。另外,地铁振动还可能通过影响周围的软弱现场实测可以真实了解场地的振动规律,并为

不同轨道结构下地铁隧道振动进行了测试,发现地铁振动源频谱呈宽频带特性,钢轨的加速度频谱以630~1000Hz为主。

可以看出,现场实测作为一种了解地铁环境振

理论分析和数值模拟提供验证依据,在实际中常被

3]

采用。例如,栗润德等[研究了地铁引起的地面振

动及其对精密仪器的影响,其研究结果表明地面振,动存在一个“等振频率”大于“等振频率”的范围,地

4]面振动主要受距离的影响。闫维明等[对北京地铁

动的重要手段被广泛采用。尽管目前对地铁列车引起的环境振动有诸多的现场测试,但这些测试都只在地表或是隧道内部进行,鲜有对隧道周围地层也进行实测,因而无法有效把握列车振动全过程的传播规律。基于此,笔者以上海饱和软土地铁隧道为例,对地铁列车运行引起的轨道隧道地层地表振---动全过程进行现场测试,分析地铁振动在不同监测对象中的振动特征,特别是在周围饱和软黏土中的传播规律,可为理论分析和数值计算提供参照。

提出了地面振级的经1号线地表振动进行了测试,验预测公式,发现距离隧道一定处地表存在振动放

2]大区。楼梦麟等[对上海地铁运行引起的地面振动

进行了实测,认为地铁运行引起的地面振动频率主,要集中在4其中60~90Hz0~80Hz高频成分对应的振级最大,同时也发现地表振动在衰减过程中

]5存在回升区。王田友[对上海地铁1号线实测后认

*

)国家自然科学基金重点资助项目(51538009

收稿日期:修回日期:2017-03-28;2017-06-15

第2期黄 强,等:地铁运行时轨道隧道地层振动实测与分析--261

1 现场实测简介

1.1 测点布置

为测试地铁运行引起的隧道结构及周围软黏

土的振动响应,现以上海地铁9号线三期醉白池站松江南站区间隧道为背景,在隧道内部及周围-土层中布置加速度传感器,测点都位于同一个横断面内,水平距离为位于一缓和曲线上(0相~邻30圆m曲。线测试区段地铁线路

半径R=450m场地开阔,远离市中心,周围有民宅、企事业单位),,建筑物主要为砖混结构。距离测试地点基本可忽略建筑物对现场振动测试的影30多米,响,现场平面图如图1所示。

图单位:Fig

.1 Pl1ano 测试场地线路平面图(fthemeasuredmetroline(mun)

it:m)现场测试对象为轨道结构(钢轨和道床)、隧道壁、周围土层和地表。隧道内和周围地层加速度计测点布置如图个加速度计,

分别位于钢轨腰部2和图3所示。隧道内部布置、钢轨底上部、钢轨底下部、道床及隧道壁,采样频率为围土层内共布置26个测点,分别距隧道5k中H心z0。,4周竖向平行排.

计的采样频率为,9.3,12.4,15.5m,

计,分别距隧道中20心0线0计的采样频率为0Hz,。地表布列置布5置个,加加速速度度依次为:①④1杂填3土00;1淤泥质黏土②Hz1。5粉隧道周围土,10,20,30质黏土;;⑤1黏土;⑤③1层m淤从,加上速泥至度质下粉质黏土;2砂质粉土;⑦2粉细砂。

加速度计的测试方向定义如下:隧道纵向为X向;隧道横断面水平向为Y向;竖直方向为Z向。

隧道内钢轨底部测点测试方向为Z向,钢轨腰部为向,

隧道壁和道床为Z和Y两个方向,土层中测点则为Z,Y,X三个方向。图Fig

.2 Meas2ur 隧道内部测点布置

ementpointsinsidethetunnel图Fig.3 3Ar 土层内及地表加速度计布置图(单位:ranementofaccelerometersintm)

andongthegroundsurface(unit

:m)hesoillay

ers.2 地铁振动评价标准

由于地铁振动的频率范围较宽,不能只考虑加速度峰值,应对其整个时程进行评价。根据《城市区

域环境振动标准》([10]

速度振级评价地铁列车运行引起的振动GB10071-88)

,采,用加速度振振动加级的计算公式如下

I=20log

aaeref

(1)其中:ae为不同频率下计权修正后得到加速度有效值,计算公式如下

anCe=

∑iai2

1

01i0

=1

(2

)其中:ai为第i个中心频率下的加速度有效值;Ci为第i个中心频率对应的计权修正值,当不需考

虑计权修正时,Ci为零;a0-6m/s

2

。ref为基准加速度,

56Y11262振 动、测 试 与 诊 断第38卷

上述振动加速度有效值即为加速度均方根值,按下式计算

1T2

aadti=

T0

其中:T为时长;a为任一时刻的加速度。

表1 隧道内部测点加速度平均峰值及振级

Tab.1 Averaeaccelerationpeakandaccelerationlevelofg

measurementpointsinthetunnel测点钢轨上钢轨下道床 隧道壁钢轨腰

-2-1//()I()IdBadBam·sm·sZY/ZY/

()∫

()3

139.340112.00.1840.110

141.63140.42.2184.21

对于离散的加速度时程数据,则用频域幅值谱各离散频率的加速度有效值计算,即采用第i个中心频率所在频带内m个离散点的加速度值求得

0.200103.070 0.105

88.260135.06083.600

ai=

1m(a12+a22+…+am2

)(4

) 振动实测结果

测试段地铁列车为车长6节编组,A型车,

每节点时2间2约.8m,时速蛋”减振扣8件~1,0s现浇。约整地5体铁0~6式采用0k道床UmI/h,列车驶“过测。C6每0钢轨,

科隆个测点采集1组振动加速度数据,通过统计值及其振级,最后得到每个21组加速度数据的峰测点的加速度平均峰值和振级,同时,对加速度时程数据进行频谱分析。

.1 钢轨-隧道振动规律在本研究中,Z向、Y向、X向加速度分别表示为aX,aY和aZI;对应的振级分别为IZ,IY和X钢轨。

、道床、隧道壁Z向和Y向的加速度平均峰值与振级如表级属于工程振动1所示。钢轨、道床和隧道壁的振,不需要考虑人体的感受,这里不对其振级计权考虑。从加速度统计结果看,钢轨的振动以Z向为主,但由于测试段位于曲线段,Y向振动也较明显。钢轨振动传至道床时加速度振幅急剧减少,Z向加速度从两者相差几个数量级11。2.由于m道/s2降至床和隧0道.18连4接m为/s

2

整,体,故振动由道床传至隧道壁时,振动强度只有轻微

的降低,Z向加速度由同时,Y向加速度由0.18m/s2降至0.11m/s

2

。者相差不大。与加速度峰值变化规律类似0.20m/s2变为0.105m,/2

由钢轨s

,两传至道床时加速度振级也会急剧减少,40.42dBZ振级由

降至.21dB,Y振级由135.06d床传至隧道壁时88.26dB,下降幅度分别高达,加速度振级只有轻微减少37%和35%B降

至。。从道选择其中有代表性加速度实测数据,钢轨、道床、隧道壁的Z向加速度时程如图4所示。

图Fig.4 T4 隧道内部测点Z向加速度时程

miemnehtpoiisnttosryinotfvheetrutincnaelal

ccelerationofmeasure-.2 隧道周围地层振动规律

由于周围土层内部测点较多,这里只给出隧道正下方1#测点及隧道一侧A测点隧道正下方,土层的振动以Z202所示4测点的结果,加速度平均峰值及振级如表。可以看出,在向为主,X向与Y向振动加速度则较接近。在隧道侧向近处,如侧点,土体仍以Z向振动为主,但Y向加速度A明02显4

增大,表明Y向振动在隧道侧面较为明显,这可能和线路为曲线段有关。需要提到的是,在隧道正下方,#Z向加速度理应随着深度增加而减少,

但表测点垂向加速度小于3#测点,

这可能是2#2中测222221 第2期黄 强,等:地铁运行时轨道隧道地层振动实测与分析--263

点位于不同土层交界面上,测试误差导致。对比隧道近处土层和隧道壁的加速度值,发现土层中Z向加速度振幅值有所增加。给出隧道下方测点的Z向加速度时程曲线,如图5所示。

表2 土层测点加速度平均峰值和振级

大值在隧道正下方,加速度振幅基本随着离隧道距离增加而衰减,局部有放大效应。在离隧道15m向振级可降至58dB。

范围,距离隧道3Z向振级在68~96dB,0m时,ZTab.2 Averaeaccelerationeakandaccelerationlevelofgp

measurementpointsinthesoillayers测点加速度/(am·s

-2

)振级1I/ZaYaXIZYdBIX2##00..21837500..0078A30#

092700.07995.383.8240..12697600..0178160.0.09291.4.0073359925..25

87.828588.4942..68

75.9.8.28

图Fig.5 T5 隧道正下方测点Z向加速度时程

miemnehtpoiisnttosbryeolfvowterhtiecatlaunnceclelienrvaetrit

onofmeasure- 根据隧道周围土层中土体振动属于环境26个测点的加速度平均

峰值及计权加速度振级(,采用计权),绘制出隧道周围、土层图Z向加速度和加速度振级等值线图,如图6道7所示。土层的加速度呈弧形辐射状向外衰减,隧周围加速度幅值为0.002~0.300m30/s

m范围内的Z向

2

。Z向加速度最图Fig.6 Conto6ur 周围地层ofverticalZ向加速度等值线

accelerationinthesoillay

ers图Fig.7 Conto7u 周围地层Z向加速度振级等值线

ers

rofverticalaccelerationlevelinthesoillay-.3 地表振动规律

地表横向布置度平均峰值和振级如表5个测点,得到地表测点的加速

度看,地表Y向加速度幅值大于3所示。从实测的地表加速

Z向,比值可达倍,与文献[6]

中曲线段振动测试结果一致,表2~

明232振 动、测 试 与 诊 断第38卷

曲线段会使得地表水平振动明显大于垂向振动。可见,对于曲线段,只用竖向振级来评价环境振动是不够的。随着测点远离隧道水平距离增加,Z向和Y向的加速度峰值快速衰减。对比地表的加速度振级,随着水平距离的增加,振级呈下降的趋势,但表明在230m处振级比20m处的稍大,0~30m地表会有一个加速度放大区,振级在20~30m先增加再衰减,这种现象在一些振动监测现场中也发现

]2,4,6-8

。地表振动中的局部放大现象与波传播过[

过程中振动叠加效应有关,导致在远离隧道中心方向上地表振动响应并非单调衰减,而是以波浪形衰减。这种衰减规律与隧道埋深、振动荷载频率、体波波速与瑞利波速不同等因素都有关。另外,可以发现,隧道正上方地表测点可见3.,4Z和地层97振.6d动传B,至地表时加速8度4振.2,Y振级分别为9大于隧道壁的和级8还3会.6d有B增,

大的现象。

表3 地表测点加速度平均峰值及振级

ab.3 Averag

eaccelerationpeakandaccelerationlevelofmeasurementpointsonthegroundsurface

测点aZ/(m·s-2)aYA(-2

9/IYA00/

0m·s)IZdBA0120.18293.3997/.dBA00.0.72A03045

0.1033340.2153940..000023

0..00609759..367081620.009

557.9.8005

65.4363.086..6975

地铁全过程振动中的频率特征

对不同测点加速度时程曲线进行频谱分析,得到地铁振动传播过程中的振动频率特征,以8Z向为例,频谱曲线如图所示。可以看到,列车振动从钢轨、道床、隧道壁传至到周围土层时,振动频率高频成分不断衰减,到052),y=15.5m处(

测点Z向振动主频已降至谱曲线也有类似规律3。0综Hz左右。同样,Y方向频合而言,动主频在动为主;道床和隧道壁主频在50~350Hz,钢轨振1000~140,以高频振振动;周围土层主频在30~50H0z高频成分衰减快于低频20~2成分0,0在H土z层。0中振Hz动,为仍传中进播频一中步衰减,到距离隧道31.5Hz附近,

1当传5.5m的至地表A时05,2处,中心频率降至振动主频会降至0~80Hz

。图ig.8 Freque8nc yZ向加速度频谱曲线

sp

ectrumofverticalaccelerationT3A2F 第2期黄 强,等:地铁运行时轨道隧道地层振动实测与分析--265

4 结 论

[]聂晗,任珉,等.地铁交通引起的环境振动的4 闫维明,

191.

]:实测分析[J.地震工程与工程振动,2006,26(4)187-

)钢轨加速度以垂向振动为主,曲线段水平向1

振动也较为明显。振动经扣件传至道床时会极大地衰减,加速度振级下降高达37%。振动从道床传递至隧道壁时振动强度只有轻微下降,差别不大,此时隧道结构的Z向和Y向加速度也差别不大。erimentandanalsisofenvironmentalvibrationinpy-[]ducedbrbansubwaransitJ.EarthuakeEniyuytqg-()191.inChinese

,N,R,YanWeiminieHanenMinetal.Insituexg--

,():neerinndEnineerinibration2006,2187-gaggV

[]5 王田友.地铁运行所致环境振动与建筑物隔振方法研是隧道下方区域2

)隧道近处周围土层仍以Z向振动为主,特别,Z向振动较X向和顶部,随着离隧道距离,Y向要大得多;隧道侧增加,Z向振动减弱,隧道侧向水平向振动表现更为明显。振动加速度以弧形辐射状向外衰减,隧道的正下方和正上方区域是振动比较剧烈部位。

增大3,)可能与地表边界面的反射有关地层振动传至地表过程中,地表的振级有所。本研究中地表Y向振级大于Z向,这与测试段为曲线段有关,在离隧道中心约。

20~30m范围内存在加速度放大区在0504

~)14钢轨的振动频率较宽00H~20z

0H,周围00Hz,地z传至地表时衰减至层;道床和隧道壁的振动主频为,以中高频为主,中振动主频进3主频0~

2一0~步80H衰减z

,。主频在参 考 文 献

[1] 陈国兴,

苏小梅,陈斌评价[J].防灾减灾工程学报.地铁列车运行引起的环境振动,aChmebnGientuovixbinrag,SuXiaomei,C2h0tioninducedbypase0snB8,2ingi8n(1tr.)aiE:nsv7a0il-nsu7a4tui.

obnoway

fttiuonnEneln[Jgi]n.eeJroiunrg

na,l20ofD08,is2a8st(e1rP):r7e0v-e7n4ti.o(inanCnhdinMesiteig)a-[2] 楼梦麟,

贾旭鹏,俞洁勤测及传播规律分析[.地铁运行引起的地面振动实减灾工程学报,(3):282-288.

J].防灾2009,29

LmoeuntMaenndaglinna,lyJsiiaXsofupgernogun,dvYuJibriaetqiionn.inFdieulcdedbmeyassuureb-waytrains[J].JournalofDisasterPreventionandMit--

ingeaste

io)nEngineering,2009,29(3):282-288.(inChi-[3] 栗润德,

张鸿儒,刘维宁精密仪器的影响[.地铁引起的地表振动及其对学报,(1):206-214.J].岩石力学与工程2008,27

sdLuiRceduigdreou,nZdhvainbgratiHoonsngarnud,thLeiuimpWaecitnionngp.recMiseitorno-iinn-

-

Etrnugimneeenrti[nJg

],.2C0h0i8ne,s2eJ7(1ou)r:n2al06o-fR214oc.k(inCMehcihnaensiecsa)nd究[[6] 袁扬D,

].上海:同济大学,刘维宁,刘卫丰.基于现场测试的曲线段地铁地2008.

面振动传播规律分析[(Y4u)a:nY133-a1n3g8,.

J].中国铁道科学,2012,33

lLiuWeining,LiuWeifeng.Propag

ationbaawosedfognrouinndvsitiubramtieoanisurntehecurvesectionofmetro[7] S陈ien建ce国,2,

0夏12-禾,,3陈3(树4)礼:1,3等3-.1m3e运8nt.行(i[列nCJ]车h.Ci引ne起shie

n的)aRailway周围地面振动规律研究[ChenJianguo,JXi]a.工程力学,He,ChenS20h1u0li,2,7eta(1)l:9.8I-n1v0e3st.

trionofrunning-train-inducedgroundvibrationsingeaa-r[8] X1a0ilmi3wea.a(ntaHiynC[J]leo,h.fCiinhnEveensgienJe

)neeringMechanics,2010,27(1):98-stiigaantigounoo,fWraeiiPlwaeyngtbraoi,n-eitandulc.Eedvxipberrai-tionsofsurroundinroun-

b[9] Vu刘鹏辉iiblrdaintigo,

n[J杨宜谦,]2.0E09ar,,thgg尹京8q(u1a)k:eEda137n-g1i4nn8edane.

ringeaarnbdEymnuglitni-esetroinryg测试与分析[.地铁隧道内不同轨道结构振动LiuPenghui,JY]a.振动与冲击,ngYiqian,Yi2nJ01i4n,g33.(T2e)st:3a1-n3da6.

s[iJs]o.nvJibrationofdifferenantnaly-ntrdSackshotcrkuct2u0r1es4i,nt33u(n2ne)

l[10]3中华1-36.o(iunCrnalohinfVese

i)bratio,:区域环境振动标准人民共和国行[业S]标.北京准编:写中国标准出版社组.GB10070-88城市

,19.

第一作者简介:黄强,男,。主要研究方向19为87年软土9月生,博士生层地铁运行引起的环境振动与长期沉降。曾发表《饱和软土二维三维列车响应对比分析》(《西南-振动交通大学学报》2E0-1m7年第ail:qia5g2卷第huang

16期)等论文。987@163.com52