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地铁曲线段施工现场结构评估与地铁引起的振动测量

史伟兴，白力刚，和韩建平

1同济大学土木工程学院结构工程与减灾研究所，上海200092

2甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室，兰州理工大学，兰州，730050中国

摘要：近年来，地铁建筑产业在中国各大城市迅速发展。地铁引起的振动可能会影响地铁沿线建筑物的使用性能和地铁上方或附近居民居住的舒适度，越来越受到专业人员和学术专家的关注。本文根据深圳地铁1号线施工现场的振动测量数据，运用合理完整的数据处理方法对测量数据进行处理和分析。通过对实测数据的分析，研究了地铁沿线垂直方向自由场的地铁诱发振动的传播趋势。结果表明，自由场对地铁引起的沿地铁线路垂直方向的振动传播有整体的阻尼作用。但局部地区可能存在反弹现象。研究了沿三个方向在竖井中与桩相邻的桩顶和土壤上的反应，并比较了其时间和频率领域的特点。比较表明，地铁引起的桩顶振动强于桩附近的土壤。自由场的测量结果表明，这条地铁线路弯曲部分最明显的特征是沿垂直方向的振动强于其他方向。但竖井实际测量结果表明，竖向振动主要通过桩传导，桩身竖向振动占主导地位。最后，对建筑模型在实测加速度作用下进行了动力时程分析。分析结果表明，两个评价指标的振动响应随着三个方向阻尼比的降低而增加。建筑物每层的竖向振动比其他两个方向的振动更占优势。振动水平沿垂直方向随层数增加而减小，沿两个横向随层数增加先减小后增大。

1．介绍

随着城市化的快速发展和人口的不断增加，合理规划、有效利用城市土地已成为当务之急。地铁站及地铁站附近区域的地产开发，即所谓的地铁地产开发，逐渐成为各大地产开发商关注的焦点，具有良好的发展前景。在地铁线上方或附近的地铁地产建筑，特别是地铁线上方的建筑物，都可能存在舒适度和使用性能等问题。当地铁车辆通过时，地铁引起的振动通过铁轨和轨道床、桩和土壤覆盖的隧道传播到隧道上方的建筑物。地铁引发的振动导致建筑物的振动和噪声，这是不良的环境问题。当振动水平超过一定限度时，会引起住户的不适，损害住宅的商业价值。例如，根据中国某城市地铁站振动的现场测 试，当地铁以每小时15sim;20km/h的速度通过时，地铁站上方住宅楼的振动水平达到85分贝，引起了住户的投诉[1]。地铁或其他轨道交通引起的环境振动是介于确定性和随机性振动之间的一种振动。其确定因素是，列车的编组和模型基本不变，卧铺间距也确定。随机性是车轮和轨道的胎面随机分布，地下岩土条件复杂，列车的重量也会发生变化。难以准确确定地铁引起的环境振动的影响，同时分析应与现场测量相结合。哈桑[2]研究了地面列车和地铁引起的地面振动的传播。研究发现，振动主要通过粒子运动在传播方向上的的压缩波，垂直于传播方向的剪切波和垂直平面上椭圆粒子运动的表面波传播。杨和洪[3]提出，当地铁通过隧道时，许多因素导致隧道结构的振动，包括列车轨道系统的荷载产生机制、隧道结构的几何形状和位置以及土壤层的不规则性等。从土壤到建筑物的振动程度取决于土壤和地基之间的耦合程度。当振动从土壤传播到地基时，由于两种介质之间的阻抗不匹配或变化，接口的能量会反射出来，从而导致振动水平的降低 [4，5] 。当建筑物底板和土壤完全接触时，确定在低于底板共振频率的频率下，耦合损失为0分贝，底板的振动与土壤相似[6]。对于直接支撑在岩石上的轻型建筑，耦合损失为 0 分贝。而对于其他基础类型，由于频率域和基本类型的多样性，耦合损失在 2sim;15分贝 之间变化[7]。这解释了一些建筑物内部的振动水平低于开放领域测量的振动水平的原因。

在不同区域进行了一些现场振动测量。例如，陈等人[8]揭示了我国大庆季节性冰冻地区列车诱发振动的加速特性，表明垂直部分突出的观点。魏等人[9]对上海某隧道及其上方六层砌体建筑进行了地铁激振试验，得出了类似的结论。测量了地铁站台上建筑物的振动，发现振动信号主要沿着桩柱路径向上层传播[10]。以上研究均集中在地铁直线段的地铁引发的振动方面，其中垂直部分尤为突出。对于地铁线路的曲线段，地铁引起自由场或结构基底的振动可能有不同的情况，地铁引起振动的水平部分也有必要关注。在地铁引起的振动现场测量中，几位研究人员调查了地铁站、过轨道建筑或附近建筑物的振动传递[11-14]。超轨道建筑的振动研究涉及到地铁曲线段，但由于地铁时速不足10km/h，其振动并不明显。

此外，还对地铁引起的振动进行了许多数值研究。周等人[15] 对某过轨道建筑进行了数值研究，结果表明，一楼的振动程度不能满足要求，应采取一些减震措施。采用3D FEM方法之一的子结构方法来预测地铁交通对建筑物的振动。建筑物与地面的耦合是考虑到土壤结构相互作用（SSI）而建立的[16-18]。洛佩兹-门多萨等人[19]提出了一个范围模型，该模型可以预测建筑物内的地面承载的铁路振动水平，通常需要分析复杂的SSI问题，从而为快速分析铁路线附近许多建筑物的振动反应提供一个实用的工具。此外，还采用了一种有限元素-边界元素耦合的方法，分别分析建筑物和铁路隧道在均匀半空间表面的相互作用[20]。虽然上述数值方法或模型相对准确，但计算成本太高。对地铁引起的振动问题采用数值模拟与现场实际测量相结合的研究方法。[21-23]

这项研究主要包括两个部分。第一部分，首先在深圳地铁1号线弯曲段的施工现场进行振动测量，测量点设置在自由场和竖井内。其次，通过合理的数据处理技术对测量的加速度进行处理，包括重点去除背景振动，然后从三个方向获得测量点的加速度、速度和位移的动态时间记录响应。傅立叶变换技术（FFT）用于获得测量点的时频域振动特性。最后，从时间和频域的角度，分析了自由场在三个方向上的振动延伸趋势，比较了桩顶和桩附近土壤之间地铁引发的振动。第二部分，着重分析了子结构的振动。以建在在竖井上的建筑物结构模型为基础，以实测桩加速度作为激发基础，研究了阻尼比对每层评价点平均振动水平的影响。此外，文中还提到了平均振动水平沿建筑物高层的分布情况。

2.振动场测量

虽然已经对轨道交通引起的振动进行了大量实地测量，但众所周知，土壤本身的复杂性、区域站点的变异性以及轨道交通振动的随机性会导致地铁引起的振动局部差异。为了更可靠地预测拟建建筑物的振动水平，进行场内振动测量是非常必要的。

2.1. 测量点的安排

进行了振动测量，测量点安排在深圳地铁1号线弯道段的自由场和建筑工地的垂直轴上，在那里将建造一个建筑群。振动测量包括两个部分。第一部分在自由场执行，其海拔plusmn;0.00米，具体测量点图显示在图中1 沿地铁线的径向方向排列了四个测量点，这些测量点垂直于地铁线路的前方方向。从 4 个测量点（W1、W2、W3 和 W4）到右地铁线（图中的上行）的距离1分别为15米、27米、36米和45米。第二部分在垂直轴上执行，在那里进行了提升桩的轴承测试。提升桩顶部的海拔高度为 12.00 米，具体测量点图也显示在图中1，垂直轴中的字段测量照片显示在图中2在垂直轴上排列了两个测量点（S1 和 S2）。S1 点设置在升高桩的顶部，直径为 1000 mm，S2 点设置在远离 S1 点 4 米的原始土壤上。对于地铁这条弯曲路段，左右线的曲线半径分别为415米和400米。从土壤表面到隧道顶部的深度约为 17 米，表中显示了不同土壤层的土壤参数1当地铁在地铁1号线的这个弯曲路段行驶时，车速低于每小时40公里。对于左线，地铁的运行方向是从下到上，它是完全相反的右线，如图所示1.运行地铁的类型是A型，最多可载2500人，有6个车厢，每节36吨重，长度140米。灵活的软卧铺作为轮底，以减少对运行地铁的振动效果。隧道直径6米，隧道段厚度30厘米，地铁线路这一段隧道深度约13.8sim;17.45米。

每个测量点都安装了三个加速度传感器，分别标有 X、Y 和 Z，这些传感器是与地铁线平行、垂直于地铁线路和垂直到地面的方向标识符。以下章节都遵守此命名规则。

2.2. 测量仪器

该仪器在此测量中使用了 SVSA 数据采集和信号处理系统。这个系统最初是由我们的研究小组在2006年独立开发的具有采样频率高、工作时间长、便携携带等优点。它不仅能获取高精度的振动信号，而且能通过强大的数据处理功能，完全满足轨道交通环境振动的测试要求。

Lance LC0132 T 电压加速度计（灵敏度 49.67 V/g;振幅范围：plusmn;0.1 克;频率范围：0.05-500 Hz;分辨率比：0.0000006 g;重量：1200 g，使用重力安装）。在现场测量之前，所有加速度计都进行了校准。靶场的主导能量一般在100赫兹以下，振动可维修性评价的聚焦敏感频率在1sim;80赫兹以内。 根据采样理论，样品频率设定为200赫兹，可满足要求。整个振动测试系统，主要由加速度计和SVSA数据采集仪器组成，以图为图3.

每个测量点都安装了三个加速度传感器，分别标有 X、Y 和 Z，这些传感器是与地铁线平行、垂直于地铁线路和垂直到地面的方向标识符。以下章节都遵守此命名规则，并以此来进行实验现场测量时收集了多个地铁引起的振动数据。分析了每个测量点所有时间记录信号的峰值值和根均值（rms）值的统计结果。

建筑工地的测量点

垂直轴中测量点的照片

3.数据处理

振动测试系统获取的数据或信号需要预先处理，以获取相关指标（如加速度、速度和位移）的可能时间域信息。相关索引的频率域信息在预处理数据后，采用适当的时间频率分析方法获取。25,26].经典的傅立叶转换 （FFT） 方法在此数据处理中采用。

3.1. 数据预处理

数据预处理是正确评估环境振动的基础。如果预处理步骤不适当或引入主观人为因素的影响，评估结果将不准确。根据本研究的分析需要，预处理步骤显示为图4.这整个预处理步骤是在MATLAB软件中开发的。27].最常用的信号处理方法，如数据拦截、频率域内的低通滤、平滑、移除趋势等，可轻松使用 MATLAB 软件的相对工具箱实现。但是，消除背景振动，作为一个关键步骤，必须自我编程才能实现它。在这项研究中，每个信号被截获到40秒。部分3.2和3.3详细介绍消除背景振动的理论和范例。

SVSA振动测试系统

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