地铁分期建设对沿线环境振动影响的测试研究与探讨.pdf

118MODERN URBAN TRANSIT 3/2024 现代城市轨道交通论坛园地地铁分期建设对沿线环境振动影响的 测试研究与探讨叶利宾1，田桂英1，程朝伟2（1.北京市地铁运营有限公司，北京 100044；2.中国铁道科学研究院集团有限公司城市轨道交通中心，北京 100081）1 引言地铁因其具有节约用地、速度快、运输能力强、安全舒适以及准时等优点，已成为我国主要城市解决交通拥堵、出行耗时等民生问题的重要手段。截至 2022 年12 月 31 日，中国内地地铁总长度达 8 008.17 km1。随着地铁开通线路逐渐增加，线网逐渐加密，沿线居民数摘 要：随着地铁运营线路的不断增加，以及人们对生活环境质量的日益关注，地铁沿线居民的振动投诉问题越来越普遍。在地铁线路分期建设时，由于上下行轨道类型的差异以及各期车辆服役状态的不同，沿线环境经常会出现振动问题。文章在某线路分期建设的背景下开展现场振动测试研究，并对实测数据进行深入分析，包括振动加速度时域指标、频谱特性以及隧道壁 Z 振级等。研究结果表明，远轨减振措施不足和部分列车状态不良是产生振动过大的主要原因。文章可以为后续地铁线路分期建设提供借鉴，同时为减振设计提供参考，减少振动扰民问题的发生。关键词：地铁；分期建设；环境；振动；减振；现场测试；研究中图分类号：U213.9基金项目：北京市自然科学基金丰台轨道交通前沿研究联合基金项目(L221001);面向声-振综合管控的城市轨道交通车辆/轨道养护维修策略研究(2022YJ041);基于轨道动态几何检测数据的精调技术及实践研究(2022ZXJ005)第一作者：叶利宾,男,高级工程师引用格式：叶利宾,田桂英,程朝伟.地铁分期建设对沿线环境振动影响的测试研究与探讨J.现代城市轨道交通,2024(03):118-125.YE Libin,TIAN Guiying,CHENG Chaowei,et al.Test,research,and discussion on the effect of the phased construction of metros on environmental vibration along railway linesJ.Modern Urban Transit,2024(03):118-125.DOI:10.20151/ki.1672-7533.2024.03.019量也在不断增加，同时，人们对生活环境的要求也越来越高，导致地铁沿线的居民对振动和噪声的投诉日益频繁。中华人民共和国噪声污染防治法于 2022 年 6 月5 日开始实施，地铁列车运行引发的振动和噪声问题被公众广泛关注。国内多地陆续开展了运营线路改造以改善和优化沿线振动环境，段玉振等2针对某小区噪声扰民投诉问题，通过系统调研、综合测试等手段，分析振动噪声产生的可能原因，并提出地铁既有线振动噪声整治的综合技术方案，有效改善了该小区振动噪声问题。吴俊3为解决运营线路部分地段存在的振动噪声扰民问题，从设计、施工及专业接口 3 方面入手进行研究，最终形成一套适用于城市轨道交通运营线路隧道内道床减振升级改造的方法。钱智敏4结合昆明地铁减振降噪案例，对地下线环境振动超标采取了相应的轨道减振措施，改造完成后该敏感建筑物环境振动低于国家限值标准。张伯林、乔海峰等5-6针对居民投诉的振动噪声问题，对目标敏感点区段内采取钢轨打磨、更换减振扣件等措施，测试结果表明减振降噪效果良好。叶利宾等7研究了通过测量轨道交通车辆轴箱加速度检测钢轨波磨情况的方法。地铁线路在分期建设中，尤其是在后期建设线路开通运营之前，就出现振动扰民投诉事件，该情况在国内119 现代城市轨道交通3/2024 MODERN URBAN TRANSIT论坛园地多个城市发生，应当引起足够重视。本文结合某地铁后期建设线路跑图阶段出现的振动扰民投诉事件，开展现场振动测试研究，分析得到引起振动过大的原因，为后续线路的改造治理提供数据依据，也可为解决类似问题提供新的思路。2 概况某地铁线路分期建设，一期工程于 2018 年底开通运营，二期工程于 2021 年底开通运营。车辆采用 6 节编组 B 型车，运营电客车的配置数量也根据线路分期建设进度分 2 次完成购置。二期工程于 2021 年开始新车空载试运行，此时线路、信号等专业调试仍在进行中，尚不具备一期与二期线路的贯通运行条件，在此期间，二期线路并未发生沿线居民振动投诉情况。一期与二期线路具备贯通运行条件后，一期车辆（旧车）与二期新购置车辆（新车）在二期线路上开展混跑空载试运行，以进一步验证设备系统及信号系统的功能匹配性能，与此同时，二期线路沿线居民陆续反映列车运行时的振动噪声过大，严重影响他们的日常生活。3 现场测试与分析为分析引起振动过大的原因，选取居民反映较为强烈的某振动敏感小区作为测试研究对象，开展现场振动测试工作，给后续的治理工作提供思路。测试内容包括振动源强测试和环境振动测试。3.1 测试方案该敏感小区临近线路的右线，水平距离约 10.5 m，线路埋深约 20.5 m，根据环评预测，该位置的振动超标量较大。为减少对居民的影响，轨道设计时采用钢弹簧浮置板道床，并使用 DTVI2 型扣件。左线距该敏感小区水平距离约 26.5 m，埋深 20.6 m，根据环评预测，该位置的振动不会超标，因此，轨道设计时没有采用减振措施，而是采用普通整体道床，并使用 DTVI2 型扣件。为便于描述与理解，下文将距离敏感小区较远的左线称为“远轨”，将距离敏感小区较近的右线称为“近轨”。为更全面地分析地铁运行产生的较大振动扰民的原因，对该敏感小区同步开展振动源强测量和环境振动测量。在振动源强测量中，分别在远轨和近轨各选取 1 个测试断面，振动源强测点包括钢轨、道床和隧道壁的铅垂向振动加速度8-10。在环境振动测量中，在敏感小区的地表选择 2 个相距 15 m 的点位，并安装振动加速度传感器进行测试，以确保数据的准确性。现场测试测点示意图如图 1 图 3 所示。现场测试采用无人值守的智能化采集系统，根据预地铁分期建设对沿线环境振动影响的测试研究与探讨图 2 普通整体道床测点布置示意图图 1 钢弹簧浮置板道床测点布置示意图图 3 环境振动测点布置示意图隧道壁垂向钢轨垂向道床垂向钢轨垂向道床垂向隧道壁垂向近轨远轨普通整体道床测点1测点2振动敏感小区钢弹簧浮置板道床120MODERN URBAN TRANSIT 3/2024 现代城市轨道交通论坛园地设程序自动触发，将列车通过时的振动源强及环境振动数据进行采集并存储。3.2 分析指标（1）时域指标。振动加速度时域波形反映的是地铁列车经过时引起各测点振动加速度随时间的变化。本文对时域指标分析内容包括有效值（分析窗长 1 s）和最大值。（2）1/3 倍频程。1/3 倍频程谱能够描述不同频率下振动物理量的大小，能够反映某一频段内的振动能量的有效值4。（3）Z 振级。Z 振级是按 ISO 2631-1-1997机械振动与冲击 人体处于全身振动的评价 第 1 部分：一般要求规定的全身振动 Z 计权因子修正后得到的振动加速度级11，GB 10070-88城市区域环境振动标准将铅垂向 Z 振级作为环境振动的评价指标，并规定了城市各区域铅垂向 Z 振级振动标准值12，同时，在环境评价及轨道减振产品减振效果评价时，Z 振级也作为评价量被广泛采用。GB 10070-88 中对于城市各类区域铅垂向 Z 振级标准值如表 1 所示12。本文所述敏感小区适用地带范围为“混合区、商业中心区”。表 1 城市各类区域铅垂向 Z 振级标准值dB适用地带范围昼间夜间特殊住宅区6565居民、文教区7067混合区、商业中心区7572工业集中区7572交通干线道路两侧75723.3 振动源强分析为全面客观分析振动源强的差异，本文将对全天每一趟车通过时的实测数据进行分析。3.3.1 振动加速度时域分析远、近轨的振动加速度典型时域波形如图 4 所示。对列车通过时段的振动加速度数据进行分析，计算得到各测点振动加速度有效值和最大值，如图 5 和图 6所示，测试数据统计值如表 2 和表 3 所示。地铁分期建设对沿线环境振动影响的测试研究与探讨图 5 各测点垂向振动加速度有效值a 钢轨b 道床c 隧道壁图 4 各测点垂向振动加速度典型时域波形10111213141516171819-0.4-0.20.00.20.4振动加速度/ms-2时间/s 远轨 近轨10111213141516171819-300-200-1000100200300时间/s 远轨 近轨振动加速度/ms-210111213141516171819-15-10-5051015时间/s 近轨 远轨振动加速度/ms-2a 钢轨b 道床c 隧道壁01020304050607080020406080100120 远轨 近轨序号0102030405060708001234567 远轨 近轨序号010203040506070800.00.10.20.30.4 远轨 近轨振动加速度有效值/ms-2振动加速度有效值/ms-2振动加速度有效值/ms-2序号121 现代城市轨道交通3/2024 MODERN URBAN TRANSIT论坛园地从表 2 和表 3 中可以看出，近轨隧道壁振动加速度远小于远轨隧道壁的振动加速度。从振动加速度有效值的角度来看，近轨隧道壁振动加速度有效值为 0.005 7 m/s2，远轨隧道壁振动加速度有效值为 0.13 m/s2，近轨隧道壁的振动加速度为远轨隧道壁振动加速度的 4.4%。从振动加速度最大值的角度来看，近轨隧道壁振动加速度最大值为 0.022 m/s2，远轨隧道壁振动加速度最大值为0.51 m/s2，近轨隧道壁的振动加速度为远轨隧道壁振动加速度的 4.3%。表 2 各测点振动加速度有效值m/s2测试位置振动加速度有效值钢轨垂向道床垂向隧道壁垂向近轨最小值28.91.80.004 4最大值33.85.50.007 8平均值31.23.10.005 7远轨最小值46.71.40.070最大值81.12.80.27平均值58.31.90.13表 3 各测点振动加速度最大值m/s2测试位置振动加速度最大值钢轨垂向道床垂向隧道壁垂向近轨最小值128.36.30.016最大值235.325.30.031平均值161.712.40.022远轨最小值216.35.80.29最大值671.521.81.10平均值331.310.20.513.3.2 1/3 倍频程分析地铁引起沿线环境的振动主要由 200 Hz 以下的振动组成，实际上，根据轨道交通环境振动测量的研究成果，能够测量低频 4 Hz 以上的振动测量仪器就可以满足地铁沿线振动测量的要求13。为详细了解地铁列车通过时隧道壁 4 200 Hz 频率范围的振动情况，对测试数据进行 1/3 倍频程谱分析，如图 7 所示。图 6 各测点垂向振动加速度最大值a 钢轨b 道床c 隧道壁0102030405060708002004006008001000 远轨 近轨序号010203040506070800816243240 远轨 近轨序号010203040506070800.00.30.60.91.21.51.8 远轨 近轨序号振动加速度最大值 /ms-2振动加速度最大值/ms-2振动加速度最大值/ms-2地铁分期建设对沿线环境振动影响的测试研究与探讨101003045607590105120加速度级/dB频率/Hz 近轨隧道壁垂向 远轨隧道壁垂向图 7 隧道壁 1/3 倍频程加速度级由图 7 可以看出，在钢弹簧浮置板道床固有频率附近，近轨的隧道壁振动能量略大于远轨，但在 25 Hz 以上，远轨隧道壁的振动能量大于近轨隧道壁，钢弹簧浮置板道床起到了良好的减振效果。3.3.3 Z振级分析根据城市区域环境振动标准，铁路交通引起的环境振动采用铅垂向 Z 振级最大值 VLZmax进行评价7。为与环境振动的数据分析指标相一致，也对隧道内远近轨的测试数据进行最大 Z 振级分析，测试数据统计值如表4 所示，远、近轨隧道壁最大 Z 振级如图 8 所示。由表 4 可以看出，远、近轨的钢轨垂向最大 Z 振122MODERN URBAN TRANSIT 3/2024 现代城市轨道交通论坛园地级基本一致，分别为 124.5 dB 和 122.6 dB；远轨道床垂向最大 Z 振级小于近轨道床垂向最大 Z 振级，分别为 94.5 dB 和 111.1 dB；远轨隧道壁垂向最大 Z 振级大于近轨隧道壁垂向最大 Z 振级，分别为 79.7 dB 和 58.5 dB。从图 8 可以看出，近轨振动源强隧道壁测点的 Z 振级量值差异较小，这也进一步表明钢弹簧浮置板道床起到了较好的减振性能。3.4 环境振动分析由图 3 可知，环境振动的 2 个测点沿线路方向布置，可根据 2 个测点采集到振动数据的时间顺序来判断列车的运行方向。通过在现场核实列车运行情况可以得出，当测点 1 首先采集到振动数据时，表明远轨有列车通过，当测点 2 首先采集到振动数据时，表明近轨有列车通过。环境振动测试共持续 2 h，采集到有效数据 65 趟，其中远轨 41 趟，近轨 24 趟，数据分析结果如图 9 所示，统计值如表 5 所示。由表 5 可以看出，远轨列车通过时地表环境振动显著大于近轨列车通过时引起的地表环境振动。远轨和近轨列车通过时，测点 1 的地表环境振动分别为 73.0 dB和 62.3 dB，两者相差 10.7 dB；测点 2 的地表环境振动分别为 73.9 dB 和 63.9 dB，两者相差 10.0 dB。在近轨列车通过时，各测点的振动均未超过限值，但远轨列车通过时，测点 1 与测点 2 的振动超过了夜间限值。3.5 新旧车辆对测试结果的影响分析由图 8 和图 9 可以看出，对于同一测点，当不同列车通过时，振动源强及地表环境振动的最大 Z 振级存在较大差异。以远轨过车时的测量结果为例，振动源强量值主要分布在 2 个集中区域，区域 1 为 71.0 76.4 dB，区域 2 为 81.1 90.3 dB，地表环境振动量值主要分布在 2 个集中区域，区域 1 为 65.2 67.6 dB，区域 2 为76.0 82.8 dB。对远轨过车时测点 1 测量结果进行分析，新旧车引起的振动源强及地表环境振动测试数据分布如图 10 及图 11 所示，1/3 倍频程如图 12 及图 13 所示，数据统计值如表 6 所示。由表 6 可知，新车通过远轨线路时引起的振动源强地铁分期建设对沿线环境振动影响的测试研究与探讨表 4 各测点最大 Z 振级dB测试位置最大 Z 振级钢轨垂向道床垂向隧道壁垂向近轨最小值121.3106.856.5最大值124.1116.677.4平均值122.6111.158.5远轨最小值106.283.171.0最大值140.3105.690.3平均值124.594.579.7图 9 地表各测点最大 Z 振级表 5 地表各测点最大 Z 振级dB行车位置最大 Z 振级测点 1测点 2近轨最小值56.959.2最大值70.170.7平均值62.363.9远轨最小值65.264.4最大值82.887.5平均值73.073.9图 8 隧道壁垂向最大 Z 振级010203040506070805060708090100110 远轨 近轨最大Z振级/dB序号0510152025303540455060708090100110 远轨列车通过时，测点1 远轨列车通过时，测点2 近轨列车通过时，测点1 近轨列车通过时，测点2最大Z振级/dB序号123 现代城市轨道交通3/2024 MODERN URBAN TRANSIT论坛园地为 73.1 dB，环境振动为 65.7 dB，旧车通过远轨线路时引起的振动源强为 86.4 dB，环境振动为 79.9 dB。新车通过远轨线路时引起的环境振动并未超过标准值，而旧车通过时引起的环境振动超过标准值。综上可知，旧车运行引起的振动是引发居民反映地地铁分期建设对沿线环境振动影响的测试研究与探讨图 10 新旧车辆引起的振动源强图 12 振动源强 1/3 倍频程加速度级图 11 新旧车辆引起的环境振动图 13 地表 1/3 倍频程加速度级铁扰民的主要原因。3.6 结论本文针对某敏感小区振动扰民问题进行了现场测试分析，得到以下结论。（1）远、近轨隧道壁振动加速度有效值分别为0.097 m/s2、0.004 7 m/s2，最大 Z 振级分别为 80.0 dB、58.2 dB。时域、频谱和 Z 振级等各指标均表明钢弹簧浮置板起到了较好的减振效果。钢弹簧浮置板对新旧车辆引起的环境振动差异具有一定削弱作用。（2）远轨列车通过时引起的环境振动远大于近轨，最大 Z 振级平均值相差约 10 dB。（3）新、旧车辆在远轨运行时引起的环境振动差异较大，分别为 65.9 dB、79.8 dB，两者差值为 13.9 dB。旧车运行引起的振动是引发居民反映地铁扰民的主要原因。表 6 新旧车辆引起的振动源强及环境振动dB行车位置振动源强最大 Z 振级环境振动最大 Z 振级新车最小值71.065.2最大值77.267.6平均值73.165.7旧车最小值81.176.0最大值90.382.8平均值86.479.90481216205060708090100110 旧车 新车最大Z振级/dB序号0481216205060708090100110 旧车 新车最大Z振级/dB序号1010020406080100加速度级/dB频率/Hz 新车 旧车1010020406080100加速度级/dB频率/Hz 新车 旧车124MODERN URBAN TRANSIT 3/2024 现代城市轨道交通论坛园地地铁分期建设对沿线环境振动影响的测试研究与探讨4 改进措施地铁沿线环境振动会受到远、近轨减振措施和车辆状态的影响，在环评、设计时应当加以重视。据了解，北京、上海、广州、郑州、石家庄、西安等地均出现了开通地铁线路的后通段振动扰民问题，该类问题具有相当程度的相似性，为切实回应居民关切，妥善解决及减少此类振动扰民问题，提出以下改进措施，供探讨交流。（1）修正环境评价源强预测值。随着地铁运营时间的延长，地铁车辆的服役性能有所下降，车轮将产生多边形等问题。当旧车在新建线路上运行时，轮轨关系不良导致振动增大，因此在环境评价时应适当考虑旧车车辆状态，修正源强预测值，以减少此类扰民情况的发生。（2）提高减振设防等级。当环境评价未修正源强预测值，轨道设计时应提高敏感点处的减振设防等级，防止由于车辆状态不良等原因导致的地表环境振动大于规范限值，同时提高减振设防等级对削弱新旧车辆的振动差异也具有一定的积极作用。（3）加强车轮镟修保养。国内已有学者开展车轮状态不同引起的振动响应差异的研究，马蒙等14采用多体动力学软件 Simpack 和有限元软件 Abaqus 建立车辆-轨道刚柔耦合模型，通过输入不同等级钢轨表面短波不平顺谱，分析不同磨耗状态下钢轨和隧道壁的振动响应，结果表明地铁列车环境振动源强随着钢轨磨耗发展而提高，不同等级钢轨磨耗对应隧道壁的最大 Z 振级极端差值可达到 10 dB。为减小振动，国内学者15-16对车辆轮对不圆度的规律及成因展开了相关研究，并提出基于不同轮缘厚度的轮对外形镟修方案。保持车轮的良好圆顺状态对降低环境振动具有积极作用。参考文献1 2022 年中国内地城市轨道交通线路概况J.现代城市轨道交通,2023(01):103-104.Overview of urban rail transit lines in Mainland China in 2022J.Modern Urban Transit,2023(01):103-104.2 段玉振,段海滨,刘鹏辉,等.地铁振动噪声扰民投诉问题原因分析及整治技术研究J.现代城市轨道交通,2023(01):84-89.DUAN Yuzhen,DUAN Haibin,LIU Penghui,et al.Research on the causes of metro vibration and noise complaints and its treatment 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more frequent.During the phased construction of metro lines,vibration issues often arise along the tracks due to the differences in the types of tracks upstream and downstream,as well as variations in the service states of trains during each phase.This article conducts on-site vibration tests within the context of the phased construction of metro lines and performs a thorough analysis of the measured data.This includes an examination of the time domain indexes for vibration acceleration,spectral characteristics,and Z-vibration level of tunnel walls.The research results show that the main causes of excessive vibrations are insufficient measures being taken to reduce the vibrations of far-off tracks and the poor state of certain trains.This article could serve as a reference for the phased construction of the upcoming metro line,while also offering insights into vibration reduction designs to reduce the occurrence of vibration nuisances.Keywords:metro,phased construction,environment,vibration,vibration reduction,on-site test,research