西安轨道交通运营线路振动源强度实测研究

马 茜

(西咸新区轨道交通投资建设有限公司，710086，西安∥高级工程师)

随着轨道交通线网规模的增大和行车密度的不断增加，既有线路上的环境振动影响问题日益凸显。一方面，城市轨道交通环境振动会对存放文物及精密仪器等的敏感建构筑物造成影响，为此，北京及西安等地曾多次因文物受振问题而优化轨道交通线路方案。另一方面，城市轨道交通环境振动会影响居民的生活环境，降低生活质量。西安轨道交通沿线有较多敏感建筑物，尤其是文物建筑，且越来越多的线路穿越居民小区，故有必要对其环境振动情况进行深入研究。

城市轨道交通环境振动是较为复杂的系统问题，其影响因素众多。主要影响因素有轨道结构、车辆特征、行车速度、行车密度与速度、车辆和轨道保养维修状态、地质条件、线路条件、地铁土建结构型式、房屋建筑特性以及受振体的远近等。从研究内容上看，列车的振源特性、振动波的传播规律是研究的核心，而对振动进行实测是研究的基础，也是研究关键。深入认识运营线路的振动源强，不仅对后期工程建设有重要的指导意义，而且对改善和优化振动环境有直接的参考价值。

本文对西安轨道交通已运营2年以上的4条线路进行了全面、系统的振动源强监测，根据监测数据初步分析其衰减规律，并探讨曲线半径及道床形式对减振效果的影响。

1 振动监测方案

地铁线路振动源强度受沿线地质条件、地下隧道段和地上高架段及道床形式等多种因素的共同影响。西安轨道交通1号线—4号线所处的地质环境变化较大，主要包括渭河低阶地、高阶地、黄土梁洼、黄土塬等4类；地铁结构形式涉及地下隧道段和地上高架段；道床结构主要为整体道床，在地裂缝区段采用框架板道床，环境敏感点按要求采用减振道床。车辆均为B型车。

为尽可能全面了解线路振动现状，本研究共布置了31个监测断面(其中1号线4个、2号线10个、3号线7个、4号线10个)，每个隧道断面均在钢轨(左右股)、道床及隧道侧壁布置5个测点。根据HJ 453—2018《环境影响评价技术导则 城市轨道交通》，在高架段布置振动源强监测点，监测隧道内振动加速度。监测工作实施基本情况如表1所示。

表1 隧道内振动监测工作基本情况表

本次振动监测使用了型号为INV3060A的动态信号采集分析仪，拾振器参数如表2所示。

表2 拾振器基本参数表

拾振器的布设不仅需满足监测断面里程的要求，还需避开任何可见的有缺陷区域或特殊区域(有大裂缝的区域、渗水区、道岔和道口区域)。考虑到监测仪器及监测现场条件的具体情况，每处监测断面布设5个振动测点，具体布置点位如图1所示。① 位于列车行驶方向左、右侧钢轨，垂直于轨面的钢轨底部(a、b点)；② 位于列车行驶方向右侧道床，垂直于道床(c点)；③ 位于列车行驶方向右侧隧道壁，测点距轨面竖向距离约1.2 m(d、e点)，分别监测水平向和垂直向振动加速度。

对于高架段，当两侧有挡板结构的桥梁或有腹板结构的U形梁时，拾振器应置于距邻近行车线路中心线水平距离7.5 m、距轨顶面以上5 m处；当两侧无挡板结构时，拾振器应置于距邻近行车线路中心线水平距离7.5 m、距轨顶面以上3.5 m处。具体如图1 b)所示。

a)地下隧道

钢轨底部测点的传感器安装实景图如图2 a)所示。先将钢轨底部用砂纸打磨、去杂质，再安装传感器；传感器采用绝缘磁座进行电绝缘，并用绝缘胶带固定，以防止接头松动脱落。

隧道壁测点的传感器安装实景图如图2 b)所示。需借助安装辅助设备将传感器牢固固定在道床、隧道壁上，以防导线因接头松动脱落后被高速行驶的列车卷入车轮。高架段测点的传感器安装实景图如图2 c)所示。拾振器安装完成后，对监测系统进行调试。监测采用定时启动方式，且数据直接存储在笔记本电脑中。在隧道内，将采集仪与可附着的固定物绑扎牢固；在高架段，将采集仪用橡皮泥固定于坚固地面上。

a)钢轨与道床测点

2 监测结果分析

分别于2019年12月25日—2020年1月22日、2020年3月13日—2020年4月15日完成了对西安轨道交通4条线路、31个监测断面的振动监测工作。以1号线三桥站—后卫寨站区间上行方向里程K7+163处监测断面为典型断面进行详细分析。图3为监测时间段内典型断面的典型时程与1/3倍频程分析图。由图3可见，通过该断面的时间约为6.5 s，结合列车长约120 m，计算得到当前列车运行速度约为66 km/h。而列车实际运行时由于经历了起动-加速-匀速-减速-停站的过程，故可推断地铁隧道区间内列车实际运行速度为40～78 km/h。

图3 监测时间段内典型断面的典型时程与1/3倍频程分析图

典型断面振动情况统计如表3所示。

表3 典型断面振动情况统计表

由表3可见，断面位置处的振动加速度级沿钢轨-道床-隧道壁传播路径依次递减，符合振动能量传播规律。故此，选取振动加速度级最大值作为统计指标，对5组列车通过时间段内加速度级最大值求平均值，作为该断面处加速度级的评价指标。为确定振动能量衰减规律及程度，本文主要针对垂直向振动加速度级自钢轨至道床及隧道壁的衰减程度进行定量评价分析。具体衰减程度δ计算方法如下：

(1)

(2)

式中：

δ道床——钢轨至道床的衰减程度；

δ隧道壁——钢轨至隧道壁的衰减程度；

VLZ0 max(钢轨)——钢轨处振动加速度级；

VLZ0 max(道床)——道床处振动加速度级；

VLZ0 max(隧道壁)——隧道壁垂直向振动加速度级。

2.1 各线路监测结果

1号线—4号线隧道内各断面的振动监测结果如表4所示。

表4 1号线—4号线隧道内各断面监测结果

通过比较各线路不同断面的钢轨、道床及隧道壁振动加速度级及δ可以看出：由于能量的扩散和结构阻尼的作用，振动衰减较明显；隧道壁水平向振动加速度级明显小于隧道壁垂直向振动加速度级，说明垂直向振动能量在地铁振动对周围结构的影响中占主导作用。

2.2 不同道床类型及曲线半径的减振效果比较

由于各线路钢轨类型、列车编组、运行速度基本相同，以道床类型和曲线半径分别评价减振效果，结果如表5所示。由表5可知：与小曲线半径线路相比，同等条件下大曲线半径线路的减振效果更优；与短轨枕式整体道床相比，减振垫浮置板道床的减振效果更优，钢弹簧浮置板道床的减振效果优于碎石道床。

表5 不同道床类型及曲线半径的减振效果评价表

3 结语

1)首次开展了西安轨道交通31个监测断面的运营轨道振动实测，全面系统地掌握了西安轨道交通运营振动源强，为后续工程设计、研究奠定了坚实的基础。

2)对比分析了钢轨至隧道壁振动的衰减特征，研究表明，同等条件下大曲线半径的减振效果优于小曲线半径，减振垫浮置板道床的减振效果优于短轨枕式整体道床，钢弹簧浮置板道床的减振效果优于碎石道床。