地铁诱发地面振动传播衰减特性分析

    引　言

    城市地铁具有运量大、速度快、安全准时、不占用地面道路等优点。地铁运行引起的振动和噪声会影响周围居民的生活，对振动敏感的科研仪器或精密造设备造成损坏。目前，地铁运行引起的振动和噪声已成为国际公认的七大环境公害之一［１］。

    地铁振动的研究主要集中在以下４个方面［２：波动理论分析方法、现场振动测试［３，４、经验预测模型方法、计算机数值模拟［５，６］。其中，现场振动测试是最直接有效的。

    为了得到足够的有意义的振动数据，精密的测量仪器和周全细致的测量计划是不可或缺的。对现场振动实测数据进行分析得出的结论能够印证计算机数值模拟方法的正确性，并为经验预测模型中参数的确定提供依据，从而用以评估地铁引起的环境振动。

    本文通过对上海地铁某线一区间段的振动实测，分析了地面振动的频谱特性和振动沿垂直于隧道中心线方向的衰减规律，结合有限元数值模拟的结果，为地面建筑的减振隔振和城市轨道交通的规划和设计提供参考。

    １　测点布置

    测点位于上海地铁线路某区间段，圆形隧道由２条平行单线隧道组成，分别为上行和下行隧道。隧道外径为６ｍ，两隧道中心距离为３．２ｍ，隧道中心埋深为１７ｍ，如图１所示。为了避免地面交通、行人等其他振动源的干扰和周边建筑物对振动波传播的影响，振动测试场地选择在一个空旷的水平自由场地。地面测线共设６个测点，其中１号点位于地铁下行线的正上方，其余测点与１号点的距离分别为５、１１、１５、２５、４０ｍ，如图２所示。

    本次测量采用的仪器可以同步记录６个测点各３个方向上的加速度。本文分析对象为地铁运行引起的地面竖向振动，共记录到２３组列车通过时地面各测点的竖向振动加速度。其中，上行线列车为１２组，下行线列车为１１组。

    ２　地面振动加速度峰值和有效值

    ２．１　下行列车运行引起的地面振动

　　图３为一组下行地铁列车通过时，６个测点的竖向振动加速度时程，地铁振动持时约为１２ｓ；图４为利用快速傅里叶变换得到的各测点地铁振动竖向加速度时程的傅里叶幅值谱。从图中可以看出，振动所包含的主要频率成分在４０～９０Ｈｚ之间。其他组测试得到的加速度记录的频谱分布与此类似，不再一一列出。

    图５、图６所示分别为下行１１组列车经过时，加速度峰值、均方根值沿测线的分布。由于采样过程对峰值的拾取具有不确定性，用有效值即均方根值作为统计量，样本离散程度更小。离开隧道中心线１５ｍ处前后，存在振动放大区。振动放大是由于埋置振源引发振动中的波动聚焦产生的。放大区的距离与土层性质、隧道埋深和振源的特性有关。闫维明等（文献［４］）进行的北京地铁振动测量结果中，也存在振动放大区，距离为２０～３０ｍ。