馮青松，廖春明，張 凌，劉慶杰

( 華東交通大學鐵路環(huán)境振動與噪聲教育部工程研究中心，南昌330013)

隨著我國城市軌道交通的快速發(fā)展，城市地鐵線路不斷密集，兩條或多條地鐵線路交匯的換乘站頻繁出現(xiàn)?；诰G色交通概念，地鐵換乘站可提高土地資源利用率，方便乘客換乘，提高地鐵交通網(wǎng)的運輸效率，并能緩解地面交通壓力和空氣污染問題，同時車站內可進行物業(yè)開發(fā)，利用其商業(yè)價值，提高經(jīng)濟效益。換乘站有著許多的優(yōu)點，但由于車站內地鐵列車進出站頻繁，其振動激勵通過軌道、道床傳到站臺，再經(jīng)由樓板傳到站廳層及工作人員辦公區(qū)，工作人員長期暴露于振動環(huán)境中易影響工作甚至生理健康[1]。

目前國內外學者對地鐵振動問題進行了一系列研究。劉維寧等[2]明確給出了交通環(huán)境振動的一般強度、頻率與傳播特征，并且分析了12 個影響振動的主要因素，總結國內正在研究的8 個方向和面臨的3個問題。張謙等[3–5]根據(jù)波數(shù)展開法推導列車進出站時所引起的柱面縱向振動和軸向激勵作用下的出平面波的振動響應。高偉等[6]建立了地下多層島-側式交疊式換乘站模型，對比分析不同工況下商場樓板振動規(guī)律。Ma 等[7]、張逸靜等[8]分析了列車通過軌道時所引起的土層振動。馮青松等[9]基于實測振動數(shù)據(jù)采用大質量法進行多點激勵，分析了雙振源激勵對上蓋建筑物樓板振動的影響。陳艷明等[10]基于下沉式車輛段實測數(shù)據(jù)分析了下沉式地鐵車輛段咽喉區(qū)的振源特性與地鐵振動沿蓋板和不同樓層的傳播規(guī)律。崔聰聰?shù)萚11]建立高鐵地鐵綜合交通樞紐車站模型，從時域和頻域的角度分析了地鐵列車激勵下南昌西站的振動特性。Tao 等[12]基于實測分析了地鐵列車對上蓋物業(yè)建筑內部振動與噪聲特性的影響及振動傳遞規(guī)律。周凌宇等[13]基于現(xiàn)場實測分析了列車運行所引起的振動與噪聲對地鐵車站站廳層的影響。目前地鐵列車進出站引起的車站結構振動響應研究多停留于理論研究與模型仿真階段，相關的地鐵換乘站的振動現(xiàn)場實測研究較少，并且已有文獻中的地鐵車站多為單線車站，結構簡單，目前少有關于復雜地鐵換乘車站的振動特性研究。

本文基于廣州某地鐵換乘車站內的各層樓板的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，分析在不同行車工況下的地鐵換乘站各樓板的振動特性，為地鐵換乘站振動精準預測及振動控制提供指導。

1 試驗概況

1.1 換乘站概況

換乘站位于廣州地區(qū)某兩條線路交匯處，呈十字交叉型，共兩層，負一樓由地鐵A號線與站廳層及辦公區(qū)共用，站臺類型為側式站臺，上下行線路之間為設備夾層，兩側式站臺之間通過負二層通道換乘。地鐵B號線在負二層，站臺類型為島式站臺，此換乘站也是地鐵B 號線終點站。根據(jù)資料顯示，地鐵A號線走向為東南至西北，車站總長為195.5 m，站臺有效寬度為3.8 m，線路西南端為明挖區(qū)段；地鐵B號線總長為291.32 m，站臺有效寬度為12 m。地鐵車站辦公區(qū)也設置在負一樓，在換乘站東北角。

1.2 測點布置及儀器選用

本次測試中采集儀采用德國Head 公司SQuadrigaⅢ數(shù)據(jù)采集儀，采用ArtemiS 數(shù)據(jù)采集分析軟件分析數(shù)據(jù)，采用941B 加速度傳感器和DH610V加速度傳感器，如圖1所示。

圖1 振動測試設備

在換乘站測試中主要布置了3個測試斷面。共選取9 個測點S1～S9。S1～S4測點位于負一樓垂直于地鐵A 號線列車運行方向，分別距離地鐵A 號線線路中心線5.3 m、9.3 m、13.3 m 及17.3 m，S1、S3測點位于柱腳；S2、S4測點位于梁跨中位置；S5～S8測點位于負二樓垂直于地鐵B 號線列車運行方向，因測試期間，地鐵B 號線列車進站出站都在下行線上運行，因此，測點S5設置于下行線玻璃墻旁；測點S6位于柱腳，在負一樓測點S1正下方；測點S7位于負二樓站臺中部；測點S8位于框架柱旁，S5～S8分別距B號線下行中心線1.7 m、3.7 m、7.7 m及11.7 m。測點S9位于負一樓辦公區(qū)休息室內，休息室是平時供工作人員休息、就餐的場所。振動測點的位置及數(shù)量能準確反映地鐵列車進出站時樓層的振動特性，S1～S8每個測點處放置兩個方向的拾振器(Z為垂直方向，X為順軌方向)，測點S9處僅放置Z方向的拾振器，測點布置如圖2所示。

圖2 測點布置圖

A 號線路車型為L 型列車，編組為4 組，總長70 m；B 號線路車型為B 型列車，編組為6 組，總長120 m。在負一樓和負二樓測點處各自獨立進行測試，在處理數(shù)據(jù)時，將地鐵列車進出站同一時刻的振動加速度數(shù)據(jù)進行歸納整理，每個測點處測了22組的數(shù)據(jù)，根據(jù)波形完整、無干擾無畸形的原則，分別選取10 組列車進、出站有效車次進行時域、頻譜、1/3倍頻程加速度級分析及Z振級分析。

2 站臺振動響應分析

2.1 負一樓振動分析

本節(jié)測試了多組地鐵A號線列車進、出車站時所引起的地面垂向、水平振動加速度數(shù)據(jù)，選取其中一組典型數(shù)據(jù)進行對比。圖3至圖6給出了負一樓柱邊測點S1與梁跨中測點S3在列車進、出站時垂向、水平加速度時域與頻譜曲線，可知：

圖3 列車進站時垂向加速度時程與頻譜

圖4 列車進站時水平加速度時程與頻譜

圖5 列車出站時垂直加速度時程與頻譜

圖6 列車出站時水平加速度時程與頻譜

(1)在列車進站制動工況下，測點S1和S3的垂向加速度峰值分別為0.079 m/s2和0.054 m/s2，水平加速度峰值分別為0.048 m/s2和0.023 m/s2，垂向加速度幅值明顯大于水平加速度，進站工況下列車一開始所引起的垂向、水平振動加速度最大，隨著車速逐漸降低，振動加速度幅值逐漸減小，在列車最后停止前那一段時間，振動加速度經(jīng)歷短暫驟增再減小的過程。測點振動加速度幅值隨著與線路中心線垂直距離增大而明顯降低。

(2)在列車出站啟動工況下，測點S1和S3的垂向加速度峰值分別為0.19 m/s2和0.126 m/s2，水平加速度峰值分別為0.08 m/s2和0.063 m/s2，垂向加速度幅值顯著大于水平加速度，且列車出站啟動所引起的振動加速度明顯大于列車進站制動所引起的振動加速度，列車出站啟動時所引起的垂向、水平振動加速度在前幾秒內經(jīng)歷較小驟增然后減小的過程，再隨著列車速度增大而逐漸增加到峰值。

(3)列車進、出站工況下，測點S1和S3垂向振動響應在頻譜上主要分布在25 Hz～50 Hz 和90 Hz～140 Hz頻段上；其水平振動響應主要分布在90 Hz～120 Hz 頻段，測點振動響應隨距線路中心線的增大而減小，垂向振動響應幅值顯著大于水平向。

2.2 負二樓振動分析

圖7 至圖10 給出了地鐵B 號線列車在進、出站工況下負二樓門邊測點S5和柱邊測點S8垂向、水平加速度時域與頻譜曲線，可知：

圖7 列車進站時垂向加速度時程與頻譜

圖8 列車進站時水平加速度時程與頻譜

圖9 列車出站時垂向加速度時程與頻譜

圖10 列車出站時水平加速度時程與頻譜

(1)在列車進站制動工況下，測點S5和S8的垂向加速度峰值分別為0.107 m/s2和0.045 m/s2；水平加速度峰值分別為0.034 m/s2和0.019 m/s2，垂向加速度幅值略大于水平加速度，負二樓垂向加速度大于負一樓垂向加速度，負二樓水平加速度大于負一樓水平加速度。列車出站啟動工況下，測點S5和S8的垂向加速度峰值分別0.166 m/s2和0.081 m/s2；水平加速度峰值分別為0.039 m/s2和0.035 m/s2，垂向加速度大于水平加速度，負二樓垂向、水平加速度小于負一樓。

(2)進站制動工況下各測點的垂向、水平加速度振動響應在頻譜上主要分布在25 Hz～50 Hz 和100 Hz～140 Hz 兩頻段上。出站啟動工況下，垂向、水平振動響應主要分布在75 Hz～150 Hz頻段上，測點的垂向振動響應峰值隨著到振源距離的增大而向低頻偏移，測點S5水平振動響應在主頻段小于測點S8的振動響應，在其它頻段大于測點S8的振動響應。

3 Z振級分析

3.1 豎向振動衰減規(guī)律

為研究換乘站振動沿柱方向衰減規(guī)律，采集負二樓地鐵B 號線列車出站工況下測點S1和S6的垂向、水平加速度，采用1/3 倍頻程及插入損失進行分析。

振動加速度級記為La，單位為分貝（dB）。

其中：a為振動加速度有效值，m/s2；a0為基準加速度，a0=10-6m/s2。

圖11 為兩測點的垂向、水平1/3 倍頻程圖，可知：同樓層測點垂向振動加速度級大于水平加速度級，且振動加速度級在不同中心頻率處大小、趨勢相同；負二樓測點S6在4 Hz～31.5 Hz頻段加速度級遞增，在31.5 Hz～50 Hz頻段略微衰減，在50 Hz～100 Hz頻段加速度級逐漸增加并在100 Hz出現(xiàn)峰值，垂向最大加速度級為77.06 dB，水平最大加速度級為73.53 dB，之后逐漸降低。負一樓測點S1垂直、水平加速度級在4 Hz～80 Hz頻段增加，在80 Hz以后減小，在中心頻率80 Hz處出現(xiàn)最大值，垂向最大加速度級為59.58 dB，水平最大加速度級為53.64 dB。

圖11 樓層1/3倍頻譜

采用分頻段插入損失比分析樓層豎向振動衰減，分頻段插入損失比公式為

式中：ηi為負二樓與負一樓第i個1/3 倍頻段的插入損失比；Ti為負二樓第i個1/3倍頻段振動加速度級；Bi為負一樓第i個1/3倍頻段振動加速度級。

圖12 為負二樓與負一樓分頻段插入損失比垂向、水平對比，可得：在4 Hz～6.3 Hz 和50 Hz～63 Hz 頻段上，垂向加速度插入損失比大于水平加速度，在8 Hz～50 Hz 和63 Hz～200 Hz 頻段上，垂向加速度插入損失比小于水平加速度，垂向最大插入損失比為0.25，水平最大插入損失比為0.29。

圖12 負二樓-負一樓插入損失比

3.2 橫向振動傳播規(guī)律

為掌握地鐵換乘站各樓層振動分布情況，基于實測數(shù)據(jù)分析地鐵振動沿樓板的傳播規(guī)律。圖13分別為負一樓、負二樓各測點的垂向振級隨距離的變化曲線。Z 振級分析中，通過將測試數(shù)據(jù)按ISO2631/1—1997規(guī)定的頻率計權曲線Wk計權修正得到Z振級。

圖13 Z振級擬合曲線

對負一樓、負二樓的Z振級進行線性擬合，結果如表1 所示。y為Z 振級，x為到振源距離?？傻茫篫振級擬合曲線公式的擬合度分別為0.78 和0.83，擬合良好，其中負一樓截距為88.05，負二樓截距為82，列車引起的振動響應隨著垂直軌向距離的增加而線性衰減，負一樓振源所引起的振動線性衰減率為0.3 dB?m-1，負二樓振源所引起的振動線性衰減率為0.91 dB?m-1，負二樓樓板振動衰減比負一樓樓板快，沿柱方向水平振動衰減大于垂向振動衰減。

表1 加速度級擬合公式

4 辦公室振動響應分析

為分析地鐵A號線列車進出站工況下辦公區(qū)休息室的振動特性，鑒于影響人體舒適度的頻率范圍在0～80 Hz 頻段上，對實測數(shù)據(jù)進行頻譜、1/3 倍頻程分析時只考慮前80 Hz以下。圖14為地鐵A號線上行線出站啟動、下行線進站制動工況及背景振動的時程圖，通過選取典型的各10趟地鐵列車進站和出站時段上所引起的振動及背景振動，采用1/3倍頻程進行分析，圖15為相對應的1/3倍頻程圖?？芍?/p>

圖14 休息室振動加速度時域圖

圖15 休息室1/3倍頻程圖

(1)列車出站工況下所引起的辦公室休息區(qū)振動加速度峰值為0.005 m/s2，列車進站工況下的振動加速度峰值為0.006 6 m/s2，背景振動加速度峰值為0.001 2 m/s2，其振動加速度大小特征相似于站臺測點處。

(2)進出站時的加速度級大小相似，2 Hz～4 Hz的振動加速度級主要是背景振動造成的，其為地鐵車站內機器設備正常工作所產(chǎn)生的，列車進出站引起的振動主要頻率范圍在20 Hz～50 Hz 和63 Hz～80 Hz 頻段，進站工況下的主要振動頻率在31.5 Hz或80 Hz處，峰值為44.98 dB～47.69 dB，出站工況下在80 Hz 上出現(xiàn)最大振動加速度級，為45.18 dB～48.73 dB。進站工況下的平均振級為64.12 dB，出站工況下的平均振級為60.87 dB，小于標準GB 10070－1988《城市區(qū)域環(huán)境振動標準》中對于線路兩側文教區(qū)所規(guī)定的振動限值70 dB，滿足規(guī)范要求。

5 結語

(1)同層地鐵列車進出站工況下測點垂向加速度大于水平加速度；出站工況下的振動加速度幅值大于進站工況下；負一樓樓板振動響應大于負二樓地板振動響應。列車進站制動工況下，加速度先驟增到峰值再逐漸減小，最后有小段加速度小幅度驟增再減的過程；列車出站啟動工況下，一開始加速度有小段增大再驟減、再逐漸增大到峰值的過程，進出站時列車加速度分兩個階段。在頻譜上，無論哪種工況，其振動響應主要頻段為20 Hz～50 Hz和80 Hz～150 Hz。

(2)列車引起的振動響應隨著垂直軌向距離的增加而線性衰減，負一樓振源引起的振動的線性衰減率為0.3 dB?m-1，負二樓振源引起的振動的線性衰減率為0.91 dB?m-1，負二樓樓板振動衰減比負一樓樓板快，沿柱方向水平振動衰減大于垂向振動衰減。

(3)辦公區(qū)休息室的加速度級在列車進出站時大小相似，2 Hz～4 Hz 上的振動加速度級主要由地鐵車站內機器設備正常工作時發(fā)生的振動所導致的，列車進出站引起的振動響應主要集中在20 Hz～50 Hz 和63 Hz～80 Hz 頻段，進站工況下在31.5 Hz或80 Hz處有最大值，為44.98 dB～47.69 dB，出站工況下在80 Hz處出現(xiàn)最大振動加速度級，為45.18 dB～48.73 dB。進站工況下的平均振級為64.12 dB，出站工況下的平均振級為60.87 dB，小于標準GB 10070－1988《城市區(qū)域環(huán)境振動標準》中對于線路兩側文教區(qū)所規(guī)定的振動限值70 dB，滿足規(guī)范要求。