1 地铁列车振动源特性 

    地铁列车在轨道上行驶时,由于车轮偏心,车轮与道岔、钢轨的碰撞以及线路不平顺等原因,引起车轮的振动,经铜轨→扣件→轨枕→道床→隧道结构→围护地层传至地面及建筑物,表1列出了影响地铁振动源的主要参数。 

    若将整个隧道视为振源,可近似作为半空间内埋深面波源,振动以横波、纵波、瑞利表面波合成的复杂波动形式,通过大地介质向外传播,根据已有的研究成果,近场的振动波型主要以弯曲波形式传播,远场主要以表面波形式传播。对于地铁振动传播,上述主要影响参数中以列车质量、运行速度、轮轨、扣件、道床条件、隧道结构等因素对地铁振动源特性影响较大。 

表1  地铁振动的主要影响参数

    严格意义上,上述各参量的关系为函数关系,但目前尚无成熟的精确表达关系式。本文将根据我国北京、上海、广州地铁列车运行时的实测结果及国外研究成果,给出各主要影响参数对振动源的影响,同时给出我国地铁振源特性。 

    1.1 地铁列车运行时的频谱特性 

    地铁列车运行时,隧道壁处的振动源频谱特性,其能量集中在∫=80～1000Hz范围内。见图1。图中DT-I为 全弹性分开式扣件,DT-VI为有挡肩弹性分开式扣件。 

1.2 地铁振动源强现状 

    我国既有城市地铁,隧道壁处的振动源强值见表2。 

1.3 地铁列车质量对振动源特性的影响 

    地铁列车质量的影响,经在北京地铁复兴门～西单区段的试验结果,空载与负载条件下,对隧道壁处的振动级无明显变化。 

表2 地铁隧道壁测点Z振级统计结果

                 　        注:列车运行速度均为60km/h 

1.4 地铁列车运行速度对振动源特性的影响 

     根据我国地铁实测结果对地铁列车运行速度作了修正,见图2。在υ=20～80km/h速度范围内,车辆速度加倍,隧道壁处振动加速度级增加6dB左右。    

     式中:L_υz:速度为υ时的振动加速度级(dB):Lυ₀:速度为υ₀时的振动加速度级(dB),见表2；υ:列车运行速度(km/h)；υ₀:参考速度(υ₀=6Okm/h)。 

1.5 轮轨条件、扣件、道床对振动源特性的影响 

    因条件所限,本课题未针对轮轨条件的修正开展工作。根据国外研究成果,轮轨表面粗糙、不平顺加速度级修正值可高达5～10dB，该值对应于轨下测点值。 

    不同道床、扣件的修正见本文3相关内容。 

1.6 隧道结构对振动源特性的影响 

    国外有关不同隧道结构修正值的研究结论见表3。在相同地质条件下,当隧道材料相同,结构厚度加大1倍,墙壁振动可降低5～18dB。而混凝土单洞隧道振动低于铸铁或铸钢单洞隧道壁振动；三洞隧道结构振动低于双洞隧道结构振动,站台结构振动最低。 

表3     土质基础隧道结构型式对振动的影响 

        目前我国既有的隧道结构形式主要有:矩型、马蹄型及圆形3种。矩型隧道结构由于边角折射,振动比马蹄型及圆形隧道略大,当地质条件相同时,其差值约为2～4dB。因此应注意不同隧道结构振动源强的选择。 

2 地铁环境振动现状及传播特性 

2.1 地铁环境振动现状 

    根据现场实测结果,地铁环境振动现状及影响范围。

     当地铁列车在区间以时速υ=50～70km/h运行时,对于北京地铁,隧道埋深9～16m,当V_υz<67dB(GB10070-1988居住区夜间限值要求),对地面环境振动影响范围为40～50m；对于上海地铁,隧道埋深10～16m,对地面环境振动影响范围为20m；对于广州地铁,隧道埋深12～15m,对地面环境振动影响范围仅为10m。上述测量结果表明:对于地铁隧道壁处振级接近的北京和上海地铁(L_υz=86～88dB),其环境振动影响范围却可相差20～30m；而广州地铁隧道壁振级高达90～110dB,但对环境振动的影响范围仅为10m。该结果主要因隧道结构和地质条件不同所致。 

2.2 地铁环境振动传播特性

    不同地质条件是影响环境振动的主要参数。根据大地振动衰减理论,引起地面振动衰减基于辐射衰减(振动波几何扩散)和材料阻尼(振动能量消耗)。其中几何辐射衰减按传统的理论计算表达式为: 

 式中:d为测点距振源的垂直距离(m)；ψ为测点处与有限长振源间的夹角； β为点源按指数定律随距离衰减的参数；a为点源按冥定律随距离衰减的参数。 

   在近场,由于地铁振动主要以弯曲波形式传播,则公式(2)中β=0, a=1；即公式(2)可简化为: 

    材料阻尼引起的振动衰减R_g2 为： R_g2=ηƒr/c

 式中:η为土壤损失因子,可参考表4取值；ƒ为频率(Hz)；r为测点距振源的距离(m)；c为波速(m/s)。 

表4  土壤损失因子

3 地铁振动控制措施及效果 

  目前我国地铁的振动控制主要采取弹性扣件、浮置板道床等措施。各种措施效果如下。 

3.1 轨道扣件 

    北京地铁已采用的扣件型式主要有:DTI、DTIV、DTVI；上海采用DTⅢ；广州采用单趾弹簧。各种既有扣件相对于最早使用的DTI型扣件的减振效果见图4。大部分改进后的扣件可降低振动2～9db,该结论与国外报道相符。 

3.2 轨道减振器 

    北京、广州、上海三城市的地铁还分别采用了轨枕靴、科龙蛋及改进型科龙蛋轨道减振器。其中轨枕靴的减振效果最优,可达19dB；其次为改进型科龙蛋,减振7～8dB；科龙蛋减振值为3～5dB。科龙蛋扣件为一种全弹性分开式、高压缩剪切型橡胶减振扣件,改进型科龙蛋扣件采用ω弹条、轨距垫等与DTⅢ型扣件相同；广州科龙蛋扣件采用ω弹条、轨距垫等与DTVI型扣件相同；2种减振器的型式及尺寸均相同,仅承轨板因采用不同弹条而不同。 

3.3 道床 

   广州地铁率先采用橡胶浮筑板道床,经实测该种道床相对于普通整体道床的加速度级减振效果约13～15dB, 但对于ƒ<50Hz频率范围内的振幅降低不明显,因此对应于人体感觉敏感的振动频率(ƒ=1～80Hz),其计权振动级减振效果较低。该结果与国外的测量结论相符(见表5)。因此应用时应注意低频的减振效果。 

表5 橡胶浮筑板道床减振效果D/dB 

4 结论  

   (1)我国地铁振动源可将隧道视为整体振源,其频谱特性以ƒ=80～100Hz的频率为主,不同隧道结构及地质条件,其隧道壁处的振动值不同。当隧道埋深为9～16m,列车运行速度为60km/h情况下,我国地铁隧道壁处的垂向Z振级为75～110dB。 

   (2)不同地质条件对环境振动传播特性影响较大。当地铁列车在区间以时速υ=50～7Okm/h运行时,距离隧道中心线10～50m范围内可达到GB10070-1988《城市区域环境振动标准》中居住区域标准限值的要求。 

   (3)我国地铁既有振动控制措施主要采用弹性扣件、轨道减振器、浮置板道床等措施。其中浮置板道床减振效果最佳,其次为轨道减振器,各种弹性扣件减振效果也可达2～9dB。