不同巖層地質(zhì)條件下地鐵振動傳遞特性研究

彭克群, 王安斌, 鞠龍華

(上海工程技術(shù)大學 城市軌道交通學院, 上海 201620)

隨著我國經(jīng)濟的迅猛發(fā)展,越來越多的人涌入大城市,為緩解地面交通壓力,城市軌道交通修建勢在必行,伴隨而來的是軌道交通所產(chǎn)生的振動噪聲問題[1-4].目前,中外學者關于地鐵振動對環(huán)境的影響做了大量研究,但研究范圍大多集中在振動波在軟土地質(zhì)環(huán)境中的傳播規(guī)律[5],對于剛度較大的巖層地質(zhì)的研究較少.隨著海濱城市地鐵的大規(guī)模修建,巖層地質(zhì)條件下的地鐵振動對周圍環(huán)境的影響不可避免.大多數(shù)海濱城市的近海區(qū)域,地層主要由剛度較大的花崗巖構(gòu)成,隨著向內(nèi)陸遷移,地層逐漸變成上層為軟土,下層為花崗巖的地質(zhì).海濱城市地質(zhì)條件具有特殊性,其振動傳遞特性與在軟土層中的傳播不同,因此對其振動波傳遞的研究有著重要的應用價值,可為海濱城市的近海區(qū)域和遠海區(qū)域的地鐵修建提供重要指導,并且有明顯的經(jīng)濟效益和社會效益.

劉濤等[6]對多個測試點研究表明,水平振動比垂直振動大,但垂直振動衰減速度比水平方向慢,所以在地表測得振動較大的是垂直振動.高廣運等[7]通過對上海地鐵1號線人民廣場站的測試分析,表明各頻率段的振動衰減起伏的特征不完全相同,增大隧道深埋可以有效降低地面振動的高頻成分.張啟樂等[8]通過對南昌地鐵的研究,發(fā)現(xiàn)土層剛度越大,振動放大區(qū)出現(xiàn)的位置越靠近隧道,振動放大區(qū)出現(xiàn)的次數(shù)也增多.張波等[9]通過有限元模型分析,發(fā)現(xiàn)不同深度巖層彈性模量的變化對地鐵振動所致環(huán)境響應的影響不同,離自由地表近的巖石彈性模量減小,自由地表加速度振級減小;而深層巖石彈性模量減小時,自由地表加速度振級增大.高盟等[10]通過對比青島地鐵3號線和上海地鐵10號線地表振動的實測數(shù)據(jù),得出上海軟土地基地鐵振動以低頻為主,青島巖質(zhì)地基地鐵振動以高頻為主,也有低頻成分,其主導頻率大于上海地鐵的主頻.王黎明等[11]建立有限元模型,對比分析不同隧道介質(zhì)下地鐵列車運行引起的地表振動響應,研究結(jié)果表明,地鐵運行振動在隧道正上方最強,地面上隨著距隧道中心愈遠,整體呈現(xiàn)振動衰減趨勢.其中,土層地鐵低頻(≤8 Hz)衰減不明顯,頻率>80 Hz時開始衰減較快;巖層地鐵在低頻(≤8 Hz)和高頻(>100 Hz)衰減均較快,衰減幅度大于土層地鐵,但中高頻能量帶寬大于土層地鐵.目前尚缺少海濱城市近海區(qū)域和遠海區(qū)域地質(zhì)條件下地鐵運行振動的詳盡分析研究.

本文對某海濱城市遠海區(qū)域和近海區(qū)域2種典型的巖層地質(zhì)下地鐵的隧道壁和地表振動進行現(xiàn)場振動測試,并對實測數(shù)據(jù)振動加速度進行1/3倍頻程分析.通過研究振動波在地層中的振動傳遞損失和不同距離地面振動曲線的對比,分析遠海區(qū)域和近海區(qū)域地鐵振動特性的差異.

1 測試概況

1.1 測試儀器

現(xiàn)場測試采用的是北京東方振動和噪聲技術(shù)研究所研制的INV3060V采集儀.該儀器是一種小型、便攜式儀器,其輸入具有12條通道,可以實時采集不同位置、不同方向的數(shù)據(jù),集采集系統(tǒng)、感應系統(tǒng)和數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)于一體.

1.2 測試內(nèi)容

為避免交匯列車間的相互干擾和地面交通對試驗數(shù)據(jù)采集的影響,本次測試只記錄列車通過時的隧道壁和距離隧道中心線0、15和30 m的地表垂向振動加速度.為避免測試時的隨機性干擾,每個測點分時段測量,選取6:00-8:00、11:00-13:00、17:00-19:00、21:00-23:00等4個時段,每時段至少記錄15組數(shù)據(jù),然后挑選其中10組效果較好的記錄數(shù)據(jù)取均值,進行數(shù)據(jù)處理和分析.

1.3 測試場地選取

該試驗測試場地選取遠海區(qū)域(土巖組合地層)和近海區(qū)域(巖層地層)2種典型地質(zhì)特性的斷面,其中遠海區(qū)域(土巖組合地層)為“上軟下硬”的地質(zhì)特性,地基土層參數(shù)見表1;近海區(qū)域(巖層地層)為“無軟土層”的地質(zhì)特性,地基土層參數(shù)見表2.

表1 遠海區(qū)域地基土層參數(shù)Table 1 Parameters of subsoil in far-sea area

表2 近海區(qū)域地基土層參數(shù)Table 2 Parameters of subsoil in offshore area

1.4 測點布設及測試儀器

在隧道內(nèi)部布置1個測點,地面布置3個測點.隧道壁上的測點是將固定塊粘在墻壁上,然后將加速度計分別水平、豎直方向與固定塊粘接,如圖1所示.地面振動測試主要測試距離隧道中心線正上方0、15和30 m的地表的垂向加速度,如圖2所示.如圖所示,在地表距離軌道中心線水平距離為0、15和30 m處布置3個拾振點.

圖1 隧道壁上加速度計位置圖Fig.1 Location map of accelerometer on tunnel wall

圖2 地表加速度計的位置圖Fig.2 Location map of ground accelerometer

2 不同巖層地質(zhì)條件下地鐵振動傳遞特性

2.1 不同巖層地質(zhì)下振動衰減特性

某海濱城市遠海區(qū)域和近海區(qū)域,地鐵振動經(jīng)隧道壁傳遞至隧道正上方地表過程中所產(chǎn)生的振動能量傳遞損失曲線如圖3所示.從振動能量傳遞損失曲線可以看出,遠海區(qū)域地鐵振動在地層中的優(yōu)勢損失頻率有2個頻段,分別為4～10和100～200 Hz,損失振動能量分別為15.7～33.9和13.4～44.8 dB,振動的損失波峰位于200 Hz;近海區(qū)域地鐵的優(yōu)勢損失頻段與遠海區(qū)域相接近,在4～10和100～200 Hz,近海區(qū)域地鐵的振動能量損失小于遠海區(qū)域,為9.7～13.5和5.8～31.2 dB,但近海區(qū)域地鐵在地層中振動的損失波峰位于4 Hz.出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因是振動波的衰減與地層中的土動力參數(shù)有關.遠海區(qū)域地基(土巖組合地層)上層為軟土層,阻尼較大,對高頻振動有很好的阻礙作用,下層為剛度較大的花崗巖層,阻尼較小,對低頻具有較好的阻礙作用,因此土巖組合層地質(zhì)條件下對地鐵的低頻振動和高頻振動能量都具有較好的吸收能力;近海區(qū)域地基(巖層地層)是由剛度較大的花崗巖構(gòu)成,阻尼較小,對低頻振動具有較好的阻礙作用,對高頻振動的吸收較差.因此,相對于近海區(qū)域地基(巖層地層),遠海區(qū)域地基(土巖組合地層)對地鐵的振動有較好的衰減作用.

圖3 不同區(qū)域地鐵在地層中振動能量傳遞損失曲線Fig.3 Vibration energy transmission loss curves in the stratum of subway in different regions

2.2 地鐵振動在地表的衰減特性

遠海區(qū)域和近海區(qū)域地鐵距離軌道中心線0、15和30 m處,地表拾振點1/3倍頻程譜如圖4和圖5所示.地表振動歸一化加速度級見圖4(a),可以看出地鐵振動波在不同的介質(zhì)環(huán)境中傳播具有以下特點:遠海區(qū)域地鐵的1/3倍頻程譜有2個峰值,分別為12.5和80 Hz,這是因為在該頻率點的振動與地層的固有頻率相接近,振動波與地基發(fā)生共振導致出現(xiàn)“共振峰”.從圖4(b)的振動能量傳遞損失曲線可以看出,在地表30 m內(nèi)振動能量損失的優(yōu)勢頻帶為8～50 Hz,這與振動波在地層中能量損失的優(yōu)勢頻帶略有差異,說明在地表振動能量衰減的過程中,土動力參數(shù)不再是影響振動能量衰減的主要參數(shù),地表振動能量衰減的主要參數(shù)與幾何衰減有關.

圖4 遠海區(qū)域地鐵振動衰減特性(Z計權(quán))Fig.4 Attenuation characteristics of subway vibration in far sea area(Z weighting)

圖5 近海區(qū)域地鐵振動衰減特性(Z計權(quán))Fig.5 Attenuation characteristics of subway vibration in offshore area(Z weighting)

與遠海區(qū)域地鐵振動相比,近海區(qū)域地鐵振動則更突出巖層地鐵的特點.近海區(qū)域地鐵振動的1/3倍頻程譜也有2個峰值,如圖5(a)所示.從圖5(b)的振動能量傳遞損失曲線可以看出,中心頻率25 Hz以后振動能量衰減為負值,即呈現(xiàn)增加的趨勢,導致這一結(jié)果的主要原因為振動波在巖層間不斷反射振動.總的來說,在遠海區(qū)域和近海區(qū)域修建地鐵時要在12.5～16和80～100 Hz的振動峰值頻帶考慮減振措施的方法.

2.3 低頻振動在不同巖層地質(zhì)條件下衰減特性分析

選取遠海區(qū)域和近海區(qū)域振動頻率為4～20 Hz的1/3倍頻中心頻率,進行低頻振動加速度級衰減特性研究,結(jié)果如圖6所示.從圖6可以看出,距離軌道中心線0～30 m時,在4～8 Hz頻段,振動波的振動在土巖組合地層和巖層地層中隨距離的增加呈先減小后增大趨勢,說明巖層地質(zhì)在4～8 Hz頻段內(nèi)存在振動放大區(qū),這與文獻[12]研究結(jié)果相吻合.從8 Hz開始,土巖組合地層中地鐵振動加速度級衰減量大于巖層地層中地鐵,且隨著頻率增大,2種地鐵衰減差異有明顯增大的趨勢,根據(jù)減振原理,相比較于巖層地層,土巖組合地層由于“上軟下硬”的地質(zhì)特性,對振動波具有較好的減振效果.

圖6 不同頻率振動加速度級衰減曲線(Z計權(quán))Fig.6 Attenuation curves of vibration acceleration level at different frequencies(Z weighting)

3 結(jié) 語

本文分別對海濱城市的遠海區(qū)域和近海區(qū)域地鐵振動進行現(xiàn)場測試與對比分析,通過對其進行1/3倍頻程轉(zhuǎn)化研究地層中和地表振動能量傳遞損失特性,得到以下結(jié)論.

1) 地質(zhì)條件對地鐵振動的傳播衰減有重要的影響,土巖組合地層對低頻和高頻振動都有較好的衰減作用,巖層地層對低頻有良好的衰減作用.

2) 遠海區(qū)域(土巖組合地層)的地鐵振動主要為中低頻,近海區(qū)域(巖層地層)主要以高頻為主,其主導頻率大于遠海區(qū)域地鐵的主頻.

3) 在海濱城市地基條件下,地鐵振動環(huán)境中的傳播均出現(xiàn)2個峰值,因此在地鐵減振設計中要避開12～20和63～100 Hz 2個頻帶.

4) 巖層地層在4～8 Hz頻段內(nèi)存在振動放大區(qū),在8～20 Hz頻段,遠海區(qū)域(土巖組合地層)地鐵的振動加速度級衰減量明顯大于近海區(qū)域(巖層地層)地鐵.