地铁车辆段不同区域车致上盖建筑振动传播规律研究

邹 超，陈 颖，胡子豪，何 卫

(1.广东工业大学 土木与交通工程学院，广州 510006；2.中国地质大学（武汉）工程学院，武汉 430074)

地铁车辆段作为地铁车辆停放、检查、整备和修理的场地，占地面积较大。为了提高土地资源使用效率，缓解城市用地紧张，地铁上盖物业应运而生。这一模式让上盖物业充分享受轨道交通红利，带动物业增值，同时上盖开发也可为地铁建设募集资金，实现共赢。然而，地铁列车运行产生的振动，经由轨道基础、周围土层、建筑基础传递到上盖物业，引发建筑结构振动，诱发二次结构噪声，对上盖物业中人们的生活质量产生了影响，已成为上盖物业后续发展中亟待解决的问题之一。

近年来，地铁车辆段振动引发了国内外学者对其振源特性的思考[1－2]，将振动传播规律与上盖建筑[3-4]结构特点加以结合，并对现有减振措施[5]进行针对性的研究和探索。李晓霖[6]对北京地铁八王坟车辆段的研究表明，列车引起的地面竖向和水平向振动均随着距振源距离的增大而减小，主要频率以低频为主。谢伟平等[7]基于对杭州某地铁车辆段试车线上盖建筑振动测试，认为车辆运行所致振动在上盖建筑中主要集中在0～140 Hz 频段范围内，且10 Hz～25 Hz 低频振动表现为建筑结构的整体振动。许暮迪等[8]对地铁车辆段试车线上方住宅进行现场实测，通过比较不同车速工况下车辆段上方建筑楼板Z 振级变化，发现在25 km/h～60 km/h 车速范围内，随着车速的提高，楼板Z振级相应增加4 dB～9 dB，且中部楼层受振动影响较大。

列车所致振动以应力波的形式从场地土传播到上盖建筑，在此过程中，振动会在土体与结构的交界面产生波的反射和折射，存在能量交换现象。姚锦宝等[9]建立地基土-接触面-建筑物系统模型，研究了接触状况对耦合系统振动的影响。结果表明，土体与建筑物间接触面的变化会引起不同的能量损失，经土衰减后到达建筑物内的振动主要以低频为主。曹艳梅等[10]分别探究了经过不同特性场地土传播及传递到不同刚度的上盖建筑物中振动所受到的影响，发现软土对振动波的衰减能力小于硬土，建筑物整体刚度也会对竖向振动的传播产生一定影响。

地铁车辆段涵盖了试车线、咽喉区、出入段线、检修线等不同区域，由于轨道特性、车速等影响导致振源激励不同，所以所引起的振动特性也不同。汪益敏等[11]通过分析车辆段试车线列车引起的振动响应，认为临近地面的竖向振动远大于水平向，60 Hz以上的高频振动分量在传播过程中衰减明显，传递到上盖建筑物内的竖向振动频率主要分布在5 Hz～60 Hz。邬玉斌等[12]对北京某车辆段停车列检库进行现场测试，分析了列车出入库时道床、结构柱及上盖的建筑振动响应，发现道床附近的振动随着距离的增大迅速衰减，传递到上盖建筑楼板的振动主要以竖向为主；随着楼层的增高，竖向振动呈现先增大后减小的变化。邹超等[13]对广州地铁车辆段进行振动测试，发现频率高于50 Hz的振动衰减相对较快，传递到建筑物中的振动主要以10 Hz～50 Hz的中低频振动为主。冯青松等[14]对车辆段试车线、咽喉区和检修区的振动特性进行分析，发现试车线引起地面振动的主要频率为60 Hz～80 Hz，咽喉区振动的主要频率为50 Hz，而检修区地面振动的主要频率为20 Hz～40 Hz。何卫等[15]针对车辆段不同区域列车荷载进行实测，发现咽喉区与试车线在车速相差40 km/h 的情况下，产生的振动量值较为接近，运用库列车产生的振动影响小于其他两个区域，可认为相较于车速，列车荷载的振动量值对线路的平顺度更为敏感。

目前，地铁车辆段内各区域振动研究成果仍有待丰富，同时研究内容较少针对不同区域列车运行引起同一上盖建筑内振动的传播规律差异分析。本文基于深圳某地铁车辆段现场实测，针对车辆段试车线与咽喉区并行的特点，测试了咽喉区及不同车速下试车线运行时地面的振动特性以及经由剪力墙传播到上盖高层建筑的振动变化，分析了不同振源激励引起的振动对周围土层及上盖建筑的影响，并根据国内现行规范对环境振动进行评价，结果可为日后车辆段各区域和上盖物业的振动控制提供参考。

1 试验方案

1.1 测试对象

测试车辆段位于深圳地区，车辆段表层地基土为人工填土，剪切波速为163.16 m/s，基础采用钻孔灌注桩加固。测试建筑为一栋28 层高的钢筋混凝土剪力墙结构住宅，以地面为基准面，顶层标高为97.6 m，如图1至图2所示。建筑位于试车线与咽喉区之间，可受到两种振源激励的影响。试车线和咽喉区均为有砟道床，运行的地铁列车为6 节编组的空载A 型列车。咽喉区有3 条线路，列车行驶速度约为15 km/h～20 km/h，离建筑物最近的线路1轨道中心线至剪力墙距离为19.3 m；试车线的行驶速度为20 km/h和60 km/h，轨道中心线距剪力墙28.1 m。

图1 上盖建筑与轨道的空间关系示意图

图2 上盖28层建筑实景图

1.2 测点布置及数据处理

本次试验共布置7个测点，分别位于地面层、车辆段9 m盖板、上盖平台层/1层、4层、8层、16层及屋顶层靠近剪力墙的楼板上，记录列车运行引起的地面及上盖建筑铅垂向振动加速度。采用已校准过的JM3873 无线振动采集系统对信号数据进行采集和记录，采样频率设为512 Hz。采样持续时间4小时，共收集试车线10 趟列车数据，咽喉区10 趟列车数据。

根据《城市轨道交通引起建筑物振动与二次辐射噪声限值及其测量方法标准》（JGJ/T170－2009），计算得到不同车次对应的1/3 倍频程中心频率振动加速度有效值arms,i，利用式（1）计算获得1/3倍频程中心频率fi处振动加速度级La,i（dB）：

式中：a0为基准加速度，a0=1×10-6m/s2

2 试验结果与分析

2.1 地面振动规律

分别选取了一组典型的试车线不同车速工况下地面测点实测所得的竖向振动加速度时程图及1/3倍频程图如图3和图4所示。如图3所示，当车速较快时，列车振动产生的波峰较为集中，持续时间相对较短，对其产生明显波峰的相应时间段内的加速度值进行均方根计算，得到20 km/h车速工况下试车线地面振动加速度有效值为0.001 2 m/s2，速度提至60 km/h后，有效值随之增大到0.002 5 m/s2。

图3 试车线地面测点振动加速度时程图

如图4 所示，试车线地面竖向振动整体频带分布较广，优势频段集中在50 Hz～160 Hz。在车速为20 km/h时，4 Hz～8 Hz低频段振级大小及分布与背景振动较为接近，随着频率增大，分频振级逐渐增加，整体变化趋势和速度为60 km/h时相对一致。试验中测得试车线列车运行速度为60 km/h时，加速度级峰值达到64.9 dB，对应频率为160 Hz；以20 km/h车速运行所致振动加速度级最大值为58.0 dB，出现在80 Hz处。

图4 试车线地面测点振动加速度频域图

图5 和图6 分别给出了咽喉区不同股道列车运行所致的地面振动加速度时程图及1/3 倍频程图。如图5 所示，列车运行引起的加速度随着与振源距离增大而衰减。对试验数据采取上述相同的均方根处理，计算所得距离剪力墙最近的线路1 列车引起地面振动加速度有效值为0.001 5 m/s2，线路2 和距离最远的线路3 的有效值分别为0.001 3 m/s2和0.000 7 m/s2，三者的时程图波形具有相似性，但大小存在相应差异。如图6 所示，咽喉区地面竖向振动优势频带范围为25 Hz～160 Hz，与试车线类似，列车所致高频段振动较为显著，不同股道行车振级随频率变化规律较为接近。咽喉区列车在线路1、线路2 和线路3 运行时，振动加速度级峰值均出现在40 Hz 处，峰值分别为58.0 dB、57.3 dB 和52.1 dB；在4 Hz～20 Hz 范围内，线路1、3 加速度级数值相近，且略大于线路2，表明在低频段内竖向振动受轨道平顺度的影响可能大于振源距离的影响。

图5 咽喉区地面测点振动加速度时程图

图6 咽喉区地面测点振动加速度频域图

2.2 场地土-建筑物耦合损失

列车运行产生的振动经由轨道基础传至周围土体，再通过剪力墙传递到上盖平台和上盖建筑物。在传递过程中，场地土和建筑物耦合作用会产生一定的能量损失，这种耦合损耗会对振动能量的传播规律产生一定影响，导致不同频率上振动能量的放大或衰减。通过将上盖平台和地面测点所测振动加速度级相减，得到上盖平台与地面测点的加速度级差值。差值为正时，说明振动出现放大，反之则为振动衰减。图7是试车线和咽喉区列车运行所致振动产生的场地土-建筑物耦合损失。

图7 场地土-建筑物耦合损失

分析咽喉区及20 km/h、60 km/h 速度工况下试车线作为振源激励所引起的振动从场地土传播到上盖平台的变化规律，可以看出25 Hz 以下频率的振动基本保持不变。25 Hz～50 Hz频段振动有一定放大，3 种激励下产生的耦合损失均大于0。63 Hz 以上频段在传递过程中有能量损耗，且咽喉区激励所致振动衰减速度较快且幅度大于试车线。

咽喉区的振动放大峰值出现在31.5 Hz处，峰值为2.66 dB；160 Hz 的振动最大衰减量为26.26 dB。试车线20 km/h和60 km/h车速工况下引起的耦合损失曲线基本相同，与咽喉区情况类似，31.5 Hz 的振动在传递过程中分别放大了4.97 dB 和6.67 dB，在160 Hz 处存在最大衰减，为16.2 dB，与咽喉区相比衰减幅度减小了10 dB左右。

综合来看，在中低频段，不同车速工况下耦合损失曲线的走向基本一致，场地土与建筑物呈现整体振动特点，表现出土体的低通滤波特性；由于基础质量与惯性的影响，振动从场地土传播至上盖建筑的过程主要体现为高频分量的衰减，而产生放大或衰减的频率分界点与车速关联不大。

2.3 振动在上盖建筑中传播规律

为了比较上盖建筑各楼层的振动加速度级分布情况，图10 给出了车辆段9 m 盖板、平台层/1 层、4层、8层、16层及顶层的振动加速度级。如图8所示，试车线与咽喉区列车运行引起的振动频谱有较大的差异，两者的振动峰值分别出现在63 Hz～80 Hz 和31.5 Hz～40 Hz，与振源的频谱特性密切相关。试车线上20 km/h 运行的列车与咽喉区上列车运行速度相差不大，但咽喉区列车所致最大分频振动加速度级整体大于车速为20 km/h试车线列车，差值在6 dB以内。试车线列车在不同速度工况下产生的振动频谱在建筑内基本一致，车速为60 km/h列车运行所致振动峰值比车速为20 km/h 列车运行所致振动峰值高出约3 dB～5 dB，不同楼层有一定的差异。

图8 上盖建筑振动加速度级

图9为不同区域地铁列车激励引起的分频振动加速度级随楼层的变化。可以发现，振动并不单纯随楼层增高而增大，4 Hz～16 Hz频带的振动随着层高的增加有放大趋势，约每4 层增大1 dB。造成这一现象的原因是低频振动波长较长，传播到建筑物顶层的振动周期较少，而入射的振动波与楼顶的自由端反射的振动波叠加，造成楼层越高，低频振动更大。在20 Hz 至振动峰值所在频率，各楼层的加速度级变化幅度不大，具有较好的一致性。在峰值频率以上高频区段，由于振动周期较多，受到材料阻尼的作用能量衰减较多，加速度级衰减幅度明显加快。

图9 不同激励引起的分频振动加速度级随楼层的变化

总体看来，列车车速、不同振动荷载特性、振源中心与测点距离、上盖建筑固有频率都影响着振动在上盖建筑中的传播。传播规律不仅仅表现为简单的加速度级线性增大或减小，而是在不同频段有不同的特性；但结构整体的主要表现以中高频振动为主，咽喉区作为激励时，所产生振动的频率分布集中于31.5 Hz～50 Hz，试车线则集中在较高的50 Hz～100 Hz。

3 振动影响评估

根据《城市轨道交通引起建筑物振动与二次辐射噪声限值及其测量方法标准》（JGJ/T 170－2009）规定，将测量所得的铅垂向振动加速度按规定的1/3倍频程中心频率进行计权处理，修正后得到各中心频率的振动加速度级，采用其最大振动加速度级为评价量。

修正后盖下不同区域列车激励引起的各楼层振动最大分频振级如表1所示。本次试验车辆段位于住宅区，其昼间建筑物室内振动限值为65 dB，夜间限值为62 dB。

由表1 可知，咽喉区车辆运行引起的加权分频振级相对较大，在4层出现最大振级，达49.11 dB；试车线列车激励下Z振级随着层高的增加而减小，但在顶层处有所放大，所有测点所得振级均未超过规范限值要求，并且最大值与夜间规范仍有12.89 dB的差值，能够满足住宅区内人们的舒适度要求。

表1 各楼层不同区域列车激励下最大计权分频振级/dB

4 结语

对深圳某车辆段及上盖建筑进行了现场测试，研究了咽喉区和试车线列车振源在周围土层及上盖建筑物中的传播规律，对比了不同激励下的振动特性差异，并对其进行环境影响评估。主要结论如下：

（1）盖下不同区域地铁列车激励引起同一建筑物的振动峰值所在频率不同，试车线与咽喉区列车运行引起的振动峰值分别出现在63 Hz～80 Hz 和31.5 Hz～40 Hz，与振源的频谱特性密切相关。

（2）场地土与上盖建筑物的耦合振动特性与振动频率相关，在4 Hz～25 Hz较低频段表现出整体振动特性，在25 Hz～50 Hz 的中部频率出现一定程度的放大，在63 Hz以上的中高频段中存在耦合损失。

（3）地铁列车所致振动在上盖建筑物中的传播主要表现为31.5 Hz～80 Hz 的中频振动，传播规律在不同频率段有不同的特性。在较低频段内，振动的传播表现出随着楼层的增高而增大的规律。而在各激励振源引起的振动主要频率范围内，则变为随着层高增加振动加速度级先减小再增大。

（4）所测试车辆段、咽喉区和试车线列车运行产生的振动均满足《城市轨道交通引起建筑物振动与二次辐射噪声限值及其测量方法标准》中相应限值要求。