轨道结构参数对地铁引起地面环境振动特性的影响分析
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Ｆ ｉ ｇ １ ㊀Ｌ ａ ｙ ｏ ｕ ｔ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅｔ ｅ ｓ ｔ ｐ ｏ ｉ ｎ ｔ
２ ㊀㊀Ｔ ａ ｂ ｌ ｅ １ ㊀Ｓ ｔ ａ ｔ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｏ ｆ ａ ｃ ｃ ｅ ｌ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｉ ｎｔ ｉ ｍ ｅｄ ｏ ｍ ａ ｉ ｎ ｓ ㊀㊀㊀ｍ／ ｓ
距轨道中心 ｍ 线距离 ／ ０ ５ １ ０ ３ ０
地铁运行对城市环境产生的振动和噪声问题 等负面影响不能忽略。虽然地铁列车经过时所引 起的环境振动强度不大，一般不会对周边建筑结 构产生破坏，但有可能影响周边居民的生活、学 习和工作，干扰精密仪器的正常使用
［ １ ］
境振动特性影响的研究还相对不足。 本文通过采用有限元和现场试验方法，针对 轨道结构参数变化对地铁列车引起的环境振动特 性进行了研究，为城市轨道交通减振降噪提供参 考。
第３ ４卷 第 ２期 ２ ０ １ ４年 ５月
桂 林 理 工 大 学 学 报
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｇ ｕ ｉ ｌ ｉ ｎＵ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
Ｖ ｏ ｌ ３ ４Ｎ ｏ ２ Ｍ ａ ｙ ㊀２ ０ １ ４
，国际社
［ ２ ］
会已经把环境振动列为七大环境公害之一
，上
海等城市颁布了相应的技术标准，用以防止和控 铁列车引起的环境振动研究大多采用现场实测或 者数值模拟的方法
［ ４ － ８ ］
１ ㊀场试验
试验地点位于广州轨道交通 １号线某区段内， 轨道结构为长枕埋入式轨道，钢轨类型为 Ｃ Ｈ Ｎ ６ ０ ， 扣件为弹条 Ｉ Ｉ 型，隧道为双线盾构结构，直径为 ６ ｍ ，埋深 ９ｍ 。选择在下行线隧道上方距离轨道中 心线 ０ 、 ５ 、 １ ０和 ３ ０ｍ的地面处 ４个位置分别布置 传感器如图 １所示，现场试验如图 ２所示。拾取列 车经过时各测点的加速度信号，拾振器为 ９ ４ １电磁 式低频振动传感器，采集系统为 Ｄ Ａ Ｓ Ｐ动态信号采 集分析系统， 车速为 ６ ０ｋ ｍ／ ｈ ， 采样频率为 ２ ０ ０Ｈ ｚ 。
肖桂元１，韦红亮２，杨圣春３，王志驹１
（ １ 桂林理工大学 ａ 广西矿冶与环境工程重点实验室；ｂ 广西岩土力学与工程重点实验室，广西 桂林㊀５ ４ １ ０ ０ ４ ； ２ 内蒙古科技大学 建筑与土木工程学院，内蒙古 包头㊀０ １ ４ ０ １ ０ ；３ 广西壮族自治区交通运输厅，南宁㊀５ ３ ０ ０ １ ２ ）
可以看出，列车经过时，由于扣件、轨道板、 隧道衬砌和地层对振动的衰减，地面各测点的加 速度时程信号已无法辨认出车轮经过时的具体时 刻，但可 分 辨 出 列 车 到 达、经 过 和 离 开 的 过 程， ０ ２ 列车经过时，地面振动加速度幅值一般在 ０
㊀收稿日期：２ ０ １ ３－ １ １－ １ ９ ㊀基金项目：国家自然科学基金项目 （ ５ １ １ ０ ８ １ １ ０ ；５ １ ３ ６ ９ ０ １ ０ ；４ １ ２ ６ ２ ０ １ １ ；４ １ １ ０ ２ ２ ０ ２ ） ；广西岩土力学与工程重点实验室项目 （ １ １ ；１ １ － Ｋ Ｆ－ ０ ２ ） ；广西矿冶与环境科学实验中心项目 （ Ｋ Ｈ ２ ０ １ ３ Ｚ Ｄ ０ ０ ６ ） － Ｃ Ｘ－ ０ １ ㊀作者简介：肖桂元 （ １ ９ ７ ６ —） ，男，博士研究生，高级实验师，研究方向：地下结构动力学，ｘ ｉ ａ ｏ ｇ ｕ ｉ ｙ ｕ ａ ｎ ｇ ｉ ｔ ＠１ ６ ３ ｃ ｏ ｍ 。 ㊀引文格式：肖桂元，韦红亮，杨圣春，等．轨道结构参数对地铁引起地面环境振动特性的影响分析 ［ Ｊ ］ ． 桂林理工大学学 报，２ ０ １ ４ ，３ ４（ ２ ） ：２ ７ ２ － ２ ７ ７ ．
最大值 幅值 ０ １ ５ ４ ０ １ ０ ３ ０ ０ ４ ２ ０ ０ ３ １ 有效值 ０ ０ ８ ９ ０ ０ ７ ６ ０ ０ ２ ９ ０ ０ １ ４ 幅值
平均值 有效值 ０ ０ ７ ４ ０ ０ ２ ８ ０ ０ ０ ９ ０ ０ ０ ６
０ １ ３ ６ ０ ０ ８ ９ ０ ０ ２ ７ ０ ０ ２ ０
３ ］ １ ㊀试验概况 制地铁对环境的振动和噪声危害 ［ 。国内外对地 １
，由于环境振动问题的复
杂性和计算速度的限制，数值计算方法通常采用 二维平面模型和 ２ ５维模型，文献 ［ ９ ］ 建立了有 限元结合边界元的二维和三维模型，并通过频域 求解对比了两种模型，证明了二维模型只能用于 地铁引起地面环境振动的定性分析。目前，地铁 列车引起地面环境振动的理论研究已经取得一定 成果，然而针对轨道结构参数变化对地铁引起环
摘㊀要：分别采用有限元和现场试验方法，研究了在短波不平顺条件下，轨道结构参数变化对地铁列车引 起地面环境振动特性的影响。结果表明：地铁列车引起的地面环境振动总体上由波长为 ０ ３ １ ０ｍ 的短 ０ １ ０ ０Ｈ ｚ 和３ ０ １ ０ ０Ｈ ｚ 范围内减小地面振 波不平顺所引起，减小扣件刚度和增大轨枕质量可以分别在 ５ 动水平，减小道床支承刚度可在 ２ ０ １ ０ ０Ｈ ｚ 范围内有效减小地面环境振动水平约 １ ３ ５ｄ Ｂ ，但会导致地面 环境振动水平在某些频率上出现增大。 关键词：地下列车；轨道结构；地面振动；现场试验；数值计算 中图分类号：Ｕ ２ １ ３ ３ １ ３ ㊀㊀㊀ ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标志码：Ａ
第２ 期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀肖桂元等：轨道结构参数对地铁引起地面环境振动特性的影响分析
２ ７ ３
１ ２ ㊀时域分析 现场试验共采集到 ３ ０组数据，第 ６组各测点 距轨道中心线不同距离处的加速度时程信号如图 ３ 所示，对加速度信号进行时域统计分析，结果如 表 １所示。
表１ ㊀时域幅值统计表 图１ ㊀地面振动测点布置图
文章编号：１ ６ ７ ４－ ９ ０ ５ ７ （ ２ ０ １ ４ ） ０ ２－ ０ ２ ７ ２－ ０ ６ ㊀㊀㊀㊀㊀ ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ １ ６ ７ ４ － ９ ０ ５ ７ ２ ０ １ ４ ０ ２ ０ ０ ９
轨道结构参数对地铁引起地面环境振动 特性的影响分析
２ ㊀㊀Ｔ ａ ｂ ｌ ｅ １ ㊀Ｓ ｔ ａ ｔ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｏ ｆ ａ ｃ ｃ ｅ ｌ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｉ ｎｔ ｉ ｍ ｅｄ ｏ ｍ ａ ｉ ｎ ｓ ㊀㊀㊀ｍ／ ｓ
距轨道中心 ｍ 线距离 ／ ０ ５ １ ０ ３ ０
地铁运行对城市环境产生的振动和噪声问题 等负面影响不能忽略。虽然地铁列车经过时所引 起的环境振动强度不大，一般不会对周边建筑结 构产生破坏，但有可能影响周边居民的生活、学 习和工作，干扰精密仪器的正常使用
［ １ ］
境振动特性影响的研究还相对不足。 本文通过采用有限元和现场试验方法，针对 轨道结构参数变化对地铁列车引起的环境振动特 性进行了研究，为城市轨道交通减振降噪提供参 考。
第３ ４卷 第 ２期 ２ ０ １ ４年 ５月
桂 林 理 工 大 学 学 报
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｇ ｕ ｉ ｌ ｉ ｎＵ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
Ｖ ｏ ｌ ３ ４Ｎ ｏ ２ Ｍ ａ ｙ ㊀２ ０ １ ４
，国际社
［ ２ ］
会已经把环境振动列为七大环境公害之一
，上
海等城市颁布了相应的技术标准，用以防止和控 铁列车引起的环境振动研究大多采用现场实测或 者数值模拟的方法
［ ４ － ８ ］
１ ㊀场试验
试验地点位于广州轨道交通 １号线某区段内， 轨道结构为长枕埋入式轨道，钢轨类型为 Ｃ Ｈ Ｎ ６ ０ ， 扣件为弹条 Ｉ Ｉ 型，隧道为双线盾构结构，直径为 ６ ｍ ，埋深 ９ｍ 。选择在下行线隧道上方距离轨道中 心线 ０ 、 ５ 、 １ ０和 ３ ０ｍ的地面处 ４个位置分别布置 传感器如图 １所示，现场试验如图 ２所示。拾取列 车经过时各测点的加速度信号，拾振器为 ９ ４ １电磁 式低频振动传感器，采集系统为 Ｄ Ａ Ｓ Ｐ动态信号采 集分析系统， 车速为 ６ ０ｋ ｍ／ ｈ ， 采样频率为 ２ ０ ０Ｈ ｚ 。
肖桂元１，韦红亮２，杨圣春３，王志驹１
（ １ 桂林理工大学 ａ 广西矿冶与环境工程重点实验室；ｂ 广西岩土力学与工程重点实验室，广西 桂林㊀５ ４ １ ０ ０ ４ ； ２ 内蒙古科技大学 建筑与土木工程学院，内蒙古 包头㊀０ １ ４ ０ １ ０ ；３ 广西壮族自治区交通运输厅，南宁㊀５ ３ ０ ０ １ ２ ）
可以看出，列车经过时，由于扣件、轨道板、 隧道衬砌和地层对振动的衰减，地面各测点的加 速度时程信号已无法辨认出车轮经过时的具体时 刻，但可 分 辨 出 列 车 到 达、经 过 和 离 开 的 过 程， ０ ２ 列车经过时，地面振动加速度幅值一般在 ０
㊀收稿日期：２ ０ １ ３－ １ １－ １ ９ ㊀基金项目：国家自然科学基金项目 （ ５ １ １ ０ ８ １ １ ０ ；５ １ ３ ６ ９ ０ １ ０ ；４ １ ２ ６ ２ ０ １ １ ；４ １ １ ０ ２ ２ ０ ２ ） ；广西岩土力学与工程重点实验室项目 （ １ １ ；１ １ － Ｋ Ｆ－ ０ ２ ） ；广西矿冶与环境科学实验中心项目 （ Ｋ Ｈ ２ ０ １ ３ Ｚ Ｄ ０ ０ ６ ） － Ｃ Ｘ－ ０ １ ㊀作者简介：肖桂元 （ １ ９ ７ ６ —） ，男，博士研究生，高级实验师，研究方向：地下结构动力学，ｘ ｉ ａ ｏ ｇ ｕ ｉ ｙ ｕ ａ ｎ ｇ ｉ ｔ ＠１ ６ ３ ｃ ｏ ｍ 。 ㊀引文格式：肖桂元，韦红亮，杨圣春，等．轨道结构参数对地铁引起地面环境振动特性的影响分析 ［ Ｊ ］ ． 桂林理工大学学 报，２ ０ １ ４ ，３ ４（ ２ ） ：２ ７ ２ － ２ ７ ７ ．
最大值 幅值 ０ １ ５ ４ ０ １ ０ ３ ０ ０ ４ ２ ０ ０ ３ １ 有效值 ０ ０ ８ ９ ０ ０ ７ ６ ０ ０ ２ ９ ０ ０ １ ４ 幅值
平均值 有效值 ０ ０ ７ ４ ０ ０ ２ ８ ０ ０ ０ ９ ０ ０ ０ ６
０ １ ３ ６ ０ ０ ８ ９ ０ ０ ２ ７ ０ ０ ２ ０
３ ］ １ ㊀试验概况 制地铁对环境的振动和噪声危害 ［ 。国内外对地 １
，由于环境振动问题的复
杂性和计算速度的限制，数值计算方法通常采用 二维平面模型和 ２ ５维模型，文献 ［ ９ ］ 建立了有 限元结合边界元的二维和三维模型，并通过频域 求解对比了两种模型，证明了二维模型只能用于 地铁引起地面环境振动的定性分析。目前，地铁 列车引起地面环境振动的理论研究已经取得一定 成果，然而针对轨道结构参数变化对地铁引起环
摘㊀要：分别采用有限元和现场试验方法，研究了在短波不平顺条件下，轨道结构参数变化对地铁列车引 起地面环境振动特性的影响。结果表明：地铁列车引起的地面环境振动总体上由波长为 ０ ３ １ ０ｍ 的短 ０ １ ０ ０Ｈ ｚ 和３ ０ １ ０ ０Ｈ ｚ 范围内减小地面振 波不平顺所引起，减小扣件刚度和增大轨枕质量可以分别在 ５ 动水平，减小道床支承刚度可在 ２ ０ １ ０ ０Ｈ ｚ 范围内有效减小地面环境振动水平约 １ ３ ５ｄ Ｂ ，但会导致地面 环境振动水平在某些频率上出现增大。 关键词：地下列车；轨道结构；地面振动；现场试验；数值计算 中图分类号：Ｕ ２ １ ３ ３ １ ３ ㊀㊀㊀ ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标志码：Ａ
第２ 期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀肖桂元等：轨道结构参数对地铁引起地面环境振动特性的影响分析
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１ ２ ㊀时域分析 现场试验共采集到 ３ ０组数据，第 ６组各测点 距轨道中心线不同距离处的加速度时程信号如图 ３ 所示，对加速度信号进行时域统计分析，结果如 表 １所示。
表１ ㊀时域幅值统计表 图１ ㊀地面振动测点布置图
文章编号：１ ６ ７ ４－ ９ ０ ５ ７ （ ２ ０ １ ４ ） ０ ２－ ０ ２ ７ ２－ ０ ６ ㊀㊀㊀㊀㊀ ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ １ ６ ７ ４ － ９ ０ ５ ７ ２ ０ １ ４ ０ ２ ０ ０ ９
轨道结构参数对地铁引起地面环境振动 特性的影响分析