周 力 何继平 明暄晖 陈屹林

(1.同济大学铁道与城市轨道交通研究院,201804,上海; 2.苏州市轨道交通集团有限公司运营分公司,215101,苏州; 3.福斯罗扣件系统(中国)有限公司,215300,昆山∥第一作者,硕士研究生)

地铁振动传播的峰值和频率特征分析*

周 力1何继平2明暄晖3陈屹林2

(1.同济大学铁道与城市轨道交通研究院,201804,上海; 2.苏州市轨道交通集团有限公司运营分公司,215101,苏州; 3.福斯罗扣件系统(中国)有限公司,215300,昆山∥第一作者,硕士研究生)

采用2种不同刚度的扣件,对地铁振动传播途径各主要部位进行了振动测试,获得了各部位相应的振动加速度时程数据。首先，统计了时域振动加速度峰值及其变化情况；然后，通过傅里叶变换计算了各部位振动的频谱,对比分析了振动在传播过程的频谱变化规律；最后，计算分析了地表Z振级变化。结果表明，扣件刚度在一定范围内变化,对60 Hz附近的振动峰值影响有限,隧道壁和地表的竖向及横向振动振级分别在650 Hz和340 Hz附近迅速下降，之后趋于平缓。使用刚度较小的扣件有利于减小地表竖向振动，但不利于减小地面横向振动。

地铁振动; 峰值; 频率特性; 加速度频谱

地铁在给人们出行带来方便的同时,其车辆运动所产生的振动与噪声也给沿线环境造成了极大的影响,成为了轨道交通的主要污染源[1-3]。和其他公路交通产生的噪声不同,地铁噪声的特点是规律性强,频率范围窄。不仅采用常规的振动控制方法往往不能取得预期的效果,而且不同频率的振动对人或结构设备产生的影响是不同的；因此，分析研究振动及其噪声频率特征对评估分析振动与噪声对不同环境影响，以及选择合理的控制措施有较大意义。研究表明,由轮轨相互作用产生的振动在沿着轨道结构、隧道结构及土介质的传播中,不仅振动幅值和频率的贡献率会变化,而且不同的结构形式也会对变化产生一定影响。长期以来,在地铁的振动与噪声控制研究中,往往较重视振动的强度变化,而忽略频率贡献率的变化。但是研究和掌握频率贡献率变化规律特性,对正确评估地铁振动噪声对环境的影响,采用合理的技术控制手段是十分重要的。地铁振动波在传播中,先后经过轨道、隧道及土介质等复杂结构,目前还无法仅依靠理论分析方法就能精确预测其频率在传播中的变化。本文通过采用在实际线路中试验的方法来研究地铁轮轨振动在传播中的变化规律特征。

1 现场试验情况

试验选取某轨道交通线路的典型运营路段,在同一测试断面,分别对2种不同参数的钢轨扣件所产生的振动传播情况进行测试。一种扣件的静刚度约为32 kN/mm,另一种扣件的静刚度约为19 kN/mm。测试方法参照GB/T 19846—2005《机械振动列车通过时引起铁路隧道内部振动的测量》进行制定。对列车通过时地铁轨道、隧道及附近地表的振动响应进行现场测试后,对比2种扣件对振动情况的影响,并分析振动传播规律。

1.1 测试方案

试验段选在线路的某直线路段,无坡度,列车为B型车。试验段共设置7个测点,分别测试钢轨、道床、隧道壁和地表的竖向和横向振动加速度。其中，地表7#测点位于隧道中心线与测试断面交点正上方附近。

1.2 测试结果

将测试得到的多组数据进行筛选统计,得到各个测点时程峰值平均值(见图1)。

由图1可见,竖向和横向传播的振动加速度峰值,沿钢轨、道床、隧道壁和地表依次减小,且横向振动加速度峰值衰减速度较竖向慢。

更换扣件后,钢轨竖向振动加速度时域峰值减小了32.6%,道床减小了48.9%,隧道壁减小了28.6%,地表减小了12.5%。由此可见,减小扣件竖向刚度时,道床的竖向振动加速度峰值显著减小,同时隧道壁和地表竖向振动加速度峰值也皆有减小。钢轨横向振动加速度时域峰值减小了4.5%,道床增加了15.6%,隧道壁增加了11.1%,地表增加了12.5%。可见，增大扣件竖向刚度后,道床、隧道壁和地表横向振动加速度峰值均有所增大。

2 测试结果分析

2.1 频谱特性分析

要深入研究振动传播过程的规律特性,必须分析其频率构成及其变化规律,并对测试数据进行频谱分析。

将实测数据进行快速傅里叶变换(FFT),得到如图2和图3所示的轨道线路各主要结构竖向振动频谱曲线。更换扣件前后,各测点竖向振动主要频段如表1所示。

可见,振动在传播过程中,其主要频段逐渐缩窄,且振动向中低频振动变化。且这一点与振动的高频易衰减特性相符。

图2 换扣件前竖向振动频谱

当更换刚度较小的扣件后,钢轨在670 Hz以上频段的振动显著减小,主要振动频率范围向中低频段缩窄。频率1 047 Hz和1 314 Hz附近的2个峰值显著减小。道床在中高频段内的振动减小,但在610 Hz和1 590 Hz频段附近存在2个显著的峰值。隧道壁在500 Hz以上频段的振动显著减小,但610 Hz附近存在峰值。地表竖向振动的频率主要集中于0～150 Hz，较更换扣件前的0～250 Hz频段范围更窄。

从振动传播的频率特征分析,竖向振动在由钢轨传播到隧道壁的过程中,频率分布由高频到低频集中,反映了高频振动成分在传播中不断地衰减的特性。但是在振动由钢轨向轨枕的传播中,发现不同扣件的传播衰减规律也有不同。使用刚度较大的扣件时,竖向振动由钢轨传播到道床的过程中,其主要振动频率范围在一定程度上分散。而更换刚度较小的扣件后,振动从钢轨传播到道床，再到隧道壁的过程中,振动频率的变化范围相对较小。扣件刚度在一定范围内的改变对地表竖向振动频率影响不大,均在60 Hz附近存在峰值。

图3 换扣件后竖向振动频谱

测点位置竖向振动主要频段/Hz更换扣件前刚度较大的扣件更换扣件后刚度较小的扣件钢轨0～25000～2500道床0～25000～2500隧道壁0～7400～740地表0～2500～150

同样，将横向振动实测数据进行快速傅里叶变换(FFT),得到如图4和图5所示的轨道线路各主要结构横向振动频谱曲线。将更换扣件前后,各测点横向振动主要频段列举如表2所示。

图4 换扣件前横向振动频谱

由于振动具有高频易衰减特性,故横向振动在传播过程中,其主要频段逐渐缩窄,且振动向中低频振动变化。

更换刚度较小的扣件后，钢轨振动在1 000 Hz以上频段显著减小,尤其在频率1 300 Hz附近的振动峰值显著减小,其主要振动频率范围向中低频缩窄。道床横向振动在中高频段内被放大,还产生了1 500 Hz附近的显著峰值。隧道壁振动在390 Hz附近有了1个新的峰值。地表振动主要频段缩窄,在60 Hz附近的峰值较使用刚度较大的扣件时有所增大。

图5 换扣件后横向振动频谱

表2 各测点横向振动主要频段

从振动传播的频率特征分析,横向振动在由钢轨传播到隧道壁的过程中的频率分布同样也是由高频到低频集中。这也反映了高频振动成分在传播中不断地衰减的特性。更换刚度较小的扣件后,在振动从钢轨传播到道床、再到隧道壁的过程中,主要振动频率先向高频域转移，再回到低频域,主要振动频率范围在一定程度上较更换前刚度较大的扣件分散。可见采用不同扣件对横向振动有不同的影响。与竖向振动相似,更换扣件前后,地表横向振动均存在60 Hz附近的峰值。

从测试结果分析可以看出,扣件刚度改变对轨道结构振动的传播频率特征有一定影响。使用前刚度较大的扣件时,隧道内竖向振动传播的主要振动频率范围在一定程度上分散,而更换刚度较小的扣件后,隧道内横向振动传播的主要振动频率范围在一定程度上分散。扣件刚度即使在一定范围内发生改变,其地表竖向和横向振动也均存在60 Hz附近的峰值。

2.2 振级衰减分析

GB 10071—1988《城市区域环境振动测量方法》采用振动加速度级(以下简称“振级”)La来评价环境振动[4]。

La=20 lg(a/a0)

式中：

a——振动加速度有效值;

a0——基准加速度,a0=10-6m/s2。

由于振级是从能量的角度,对列车通过时间段内的总能量进行计算分析,故能系统地反映振动传播过程中能量的变化规律特性。

2.2.1 竖向振级衰减分析

采用刚度较大的扣件时,竖向振级-频率曲线见图6。钢轨各频率振级在全频域内分布较为均匀,主要分布在中低频段。道床振动主要分布在中高频频段。在低于约650 Hz的频段内,其振级隧道壁振动与道床振动的振级几乎重合,且在此频段内的振动几乎没有衰减。而在高于约650 Hz的频段、隧道壁振动与道床振动分离,且振幅迅速下降,以致趋于平缓。地表振动集中在低频(40～100 Hz),而在高于约340 Hz的频段,振级变化趋于平缓。

更换刚度较小的扣件后,钢轨振级主要分布于低频段(见图7);道床振级在全频域内的分布较为平均;在低于约650 Hz的频段内,隧道壁振动与道床振动振级几乎重合,而在高于约650 Hz的频段,隧道壁振动振级迅速降低,之后趋于平缓,与刚度较大的扣件的情况相似;地表振动同样集中在区域40～100 Hz低频，在高于340 Hz的频段其振级趋于平缓。

图6 换扣件前竖向振级-频率曲线

图7 换扣件后竖向振级-频率曲线

值得注意的是,改变扣件刚度后,竖向振动从钢轨处产生直至传播到地表,其在60 Hz附近的峰值始终存在。这与之前频谱分析的结果相对应。可见钢轨扣件刚度在一定范围内的变化,对60 Hz附近的振动峰值频率变化影响有限。

2.2.2 横向振级衰减分析

对于刚度较大的扣件,横向振级-频率曲线见图8。钢轨振级在全频域内分布较为均匀,主要分布在中低频域;道床振动主要分布在中高频域;在高于约650 Hz的频段,隧道壁振动振级迅速下降，之后趋于平缓;地表振动集中在低频40～100 Hz频段，在高于340 Hz的频段,其振级变化趋于平缓。

更换刚度较小的扣件后,钢轨振级分布以中低频域为主(见图9);道床振级在全频域内分布较为平均;在低于650 Hz的频段内,隧道壁振动振级与道床振动振级几乎重合,而在高于650 Hz的频段,其振级迅速下降,并趋于平缓。这一点同使用刚度较大扣件时的情况相同。地表振动同样集中在低频频段,在高于340 Hz左右的频段，其振级趋于平缓。

改变扣件刚度后,横向振动从钢轨至到地表处,在60 Hz附近的1个峰值也始终存在。

图8 换扣件前横向振级-频率曲线

图9 换扣件后横向振级-频率曲线

2.2.3 比较分析

可见，横向振动与竖向振动的情况相同。除60 Hz的振动峰值之外,当扣件刚度在一定的范围内变化时,隧道壁竖向及横向振动振级均在约650 Hz处下降，之后趋于平缓;地表竖向及横向振动振级均在约340 Hz处下降，之后趋于平缓。可见，钢轨扣件刚度在一定的范围内变化，并不影响本次测试的轨道结构振级衰减特性规律。

2.3 地表Z振级分析

评价环境振动对人体的影响时,一般采用Z振级作为指标进行分析[5]。Z振级是按照ISO 2631/1—1985规定,通过全身振动Z计权因子修正后得到的振级。通过计算列车经过时的地表振动Z振级,可评价振动环境对人体的影响。本试验得到不同扣件刚度对应的Z振级见表3。

表3 地表振动Z振级

由表3可知,更换刚度较小的扣件后,地表竖向向振动Z振级减小了2.09 dB,而横向振动Z振级增大了1.47 dB。测试结果表明,采用刚度较小的扣件有利于减小地表竖向振动,但不利于减小地表横向振动。

3 结语

针对某轨道交通线路典型运营路段，通过更换不同刚度变扣件进行现场测试对比分析,以研究改变扣件参数对轨道振动传播特性的影响。2种扣件的竖向刚度分别为32 kN/mm和19 kN/mm。通过对测试结果进行分析,主要得出以下结论:

(1) 时域上,轮轨产生的竖向和横向振动加速度峰值的传播,沿钢轨、道床、隧道壁和地表依次减小,横向振动的加速度峰值衰减速度较竖向振动慢。采用刚度较小的扣件时,道床、隧道壁和地表的竖向振动加速度峰值衰减较快,横向振动加速度峰值衰减较慢。

(2) 振动在“钢轨-道床-隧道壁-地表”路径的传播过程中,其主要频段逐渐缩窄,且振动向中低频振动变化。这与振动的高频易衰减特性相符。采用不同刚度扣件时,地表竖向振动与横向振动均存在60 Hz附近的峰值。

(3) 采用不同刚度扣件时,隧道壁竖向振动振级和横向振动振级均在高于约650 Hz的频段迅速下降，之后趋于平缓。地表竖向振动振级和横向振动振级均在高于约340 Hz的频段趋于平缓。

(4) 更换刚度为较小的扣件后,地表竖向Z加速度振级减小了2.09 dB,而横向Z加速度振级增大了1.47 dB。这表明，在所研究的扣件刚度变化范围内,使用刚度较小的扣件,有利于减小地表竖向振动,但不利于减小地表横向振动。

[1] 楼梦麟,贾旭鹏,俞洁勤.地铁运行引起的地表振动实测及传播规律分析[J].防灾减灾工程学报,2009,29(3):282-288.

[2] 耿传智,廖志军.地铁振动衰减特性研究[J].同济大学学报(自然科学版),2009,37(3):344-348.

[3] 郝珺,耿传智,朱剑月.不同轨道结构减振效果测试分析[J].城市轨道交通研究,2008,4(3):68-71.

[4] 马利衡.沪宁城际高速铁路振动及其对周围环境影响研究[D].北京:北京交通大学,2014.

[5] 耿传智,孙晓明.地铁轨道结构减振效果的实测分析[J].环境污染与防治,2011,33(11):54-62.

On Peak and Frequency Characteristics of Metro Vibration Transmission

ZHOU Li, HE Jiping, MING Xuanhui, CHEN Yilin

By adopting two metro fastenings with different rigidities, the vibration of each major part of transmission (rail,track bed,tunnel wall and ground surface) are tested, the time-histories data are collected. Firstly, the vibration acceleration peaks of time domain and its changes are summarized; then the vibration acceleration spectrums of each part are calculated by Fourier transform, the changes of spectrums in the process of vibration transmission are analyzed. The Z vibration levels of ground surface are calculated. The results show that the fastening rigidity differing in a certain range has a limited influence to 60Hz vibration peak value, the vertical and horizontal vibration levels of tunnel wall and ground surface decrease rapidly at 650Hz and 340Hz respectively, and remain on steady levels afterward. So the metro fastenings with low rigidity could reduce the surface vertical vibration, but not the horizontal vibration.

metro vibration; peak value; frequency characteristics; acceleration spectrum

Institute of Railway and Urban Rail Transit,Tongji University,201804,Shanghai,China

*国家自然基金资助项目(51678446);国家自然科学基金青年基金项目(51408434)

TB 533+2

10.16037/j.1007-869x.2017.03.021

2016-03-11)