北京地铁1号线地面振动响应测试与分析
北京地铁1号线地面振动响应测试与分析 摘要:采用高灵敏度加速度传感器，对北京东单建国门区间的运营地铁进行了现场测试，为研究相似区段特殊的减振措施提供依据.测试结果的分析主要是针对振动敏感仪器的，在频域内采用1/3倍频程频谱，重点考虑低频段的地面响应.通过对测试结果的分析，得出了环境背景振动、公交车等地面车辆和地铁的地面振动响应规律.关键词:地铁;地面振动;振动敏感仪器;测试 目前已开工的北京地铁4号线成府路约800m段，穿越北京大学北大理科试验基地.10号线科南路约400m段，距中国空间技术研究院、卫星遥感等建筑中心较近.作为该地段特殊减振措施研究的部分工作，对相似区段的运营地铁列车引起的地面振动进行测试. 由于所研究的问题主要是地铁列车振动对精密仪器的影响，关心的振动量为0.5100×10-6g，属于微振动范围，因此需要特殊的测点方式并配备高精度的量测仪器设备.本文的测试和讨论主要针对振动敏感仪器(精密仪器)，目的是为研究特殊的减振措施提供依据. 地面交通车辆、地铁交通等引起的环境振动对精密仪器的影响受到各国学者关注.Naggar，Hes-ham1详细论述了放置敏感仪器的建筑物基础受地面振动的影响，考虑了仪器运行时基础的动力反应，并现场测试记录了交通引起的地面振动加速度值.Crispino2的研究表明，实际的交通车流的车速一般不可能与振动水平之间建立很好的相关关系.Wolf3测试研究了地下交通产生的低频(小于6.3Hz)地面振动对科学实验和振动敏感仪器的影响. 安放精密仪器的建筑物楼板需要严格的振动限制4.对于高精度的光学仪器，即使是配置了尖端昂贵的主动控制系统，仪器本身的隔振系统不能对振动，尤其是低频振动进行完全的隔离保护. 环境振动会使精密仪器产生读数不准、精度下降6-7.精密仪器可以接受的振动水平取决于仪器对振动的敏感性，对数百种振动敏感仪器样品调查表明8，这些仪器能接受的振动水平是，位移振幅为0.310m，峰值质点速度(PPV)为0.030.5m/s. 关于精密仪器的环境振动评价标准，Amick9认为，测试数据的处理分析最好在频域内采用均方根值(rms)，对于采用何种度量单位如位移、速度、加速度都没有本质的差别.Gordon10回顾了振动敏感仪器的各种环境振动评价标准曲线(TheVCCurves)，这些标准主要是为振动敏感仪器的生产和隔振措施提供设计依据. 最初的环境振动评价标准曲线大多考虑4100Hz的频谱范围，这是因为当时的仪器对低于4Hz的低频干扰不很敏感.后来的仪器由于采用了气动隔振系统(pneumaticisolationsystems)，如空气弹簧作为仪器装置的一部分，有人建议标准曲线考虑13Hz的低频成分，因为这是仪器隔振装置的共振频率.1 测试仪器和测点布置 测试采用LanceAS130型高灵敏度加速度传感器，测试数据由24位动态信号采集记录系统进行采集和记录，其加速度传感器的指标为:灵敏度40V/g，量程0.125g，频率范围0.21000Hz，分辨率0.5×10-6g，温度范围-40120. 对北京地铁1号线东单建国门区间上行约40km/h出站断面进行了测试，现场采样频率为640750Hz.沿垂直线路方向，距离线路中心线27m，40m，80m，100m分别布置4个测点，对应的测点编号分别为CH1，CH2，CH3，CH4.如图1所示.2 测试结果分析 为了研究环境地面振动对精密仪器的影响，测试结果的分析主要是针对精密仪器的. 选用电子显微镜Tecnai30为代表，其正常工作对环境振动要求的1/3倍频程频谱如图2所示. 图2中区域被两条曲线划分为3个区.当振动加速度的均方根值位于区，仪器能正常工作;位于区，仪器量测结果需作进一步分析;位于区，仪器不能正常工作.测试结果主要以3个区为标准进行评价. 本次测试，地面及地下无车时的背景记录共测试3次，小汽车记录2次，公交车记录6次，地铁G型车记录16次，地铁S型车记录7次.其它如小面包车、中型汽车记录各2次，可作为对比参考.这里给出距线路中心线27m处地面振动的典型时程，如图3所示.经过随机信号分析得到的1/3倍频程频谱，如图4所示. 对测试结果的讨论采用1/3倍频程谱均值，必要时给出上下限包络线. 2.1 无车时的环境背景本底值 环境背景振动的1/3倍频程谱均值如图5所示.图5中分别是距线路中心为27、40、80、100m测点处的1/3倍频程谱均值及其上下限包络线. 从图5可看出，地面、地下无车时环境背景振动在小于2Hz频率点的频段都有超出区进入区的点，但最大值不超过20×10-6g.该频段距线路中心80m处的谱均值最大，为12×10-6g.而2Hz以上频率点的频段都保持在区. 从图5中知，无车时环境背景振动在整个分析频带的最大值不超过30×10-6g.2.2 对比分析 环境背景振动、小汽车、小面包车、中型汽车、公交车、地铁G型车、地铁S型车地面振动的1/3倍频程谱均值的综合比较如图6所示. (1)距离线路中心线27m处 如图6(a)所示，在12Hz和820Hz频段，各车辆的地面振动均有进入区或区的点，此时地铁地面振动的贡献与公交车相当. 大于5Hz频段，除背景振动和小面包车以外，都有超出区的点，其中公交车的地面振动进入区，地铁地面振动进入区. 小汽车、中型汽车、公交车等地面车辆的地面振动响应的主要频率成分约为1030Hz，地铁地面振动的主要频率成分约为1030Hz和5080Hz. 在低于4Hz频段，地铁列车的地面振动超出其它车辆的地面振动;在1030Hz频段，公交车的地面振动最大;在5080Hz频段，地铁的地面振动最大. (2)距离线路中心线40m处 如图6(b)所示，在3Hz以上频段，各种车辆地面振动量级大幅降低;小于3Hz频段，谱均值有进入区的点，但不超过20×10-6g;大于3Hz频段，各车辆的地面振动均保持在区. 在低于5Hz频段，地铁列车的地面振动超出其它车辆的地面振动;在1030Hz频段，公交车地面振动最大;在3090Hz频段，地铁的地面振动最大. (3)距离线路中心线80m处 如图6(c)所示，低于2Hz频段，各种车辆的地面振动均未衰减;大于2Hz频段，各车辆地面振动的谱均值都保持在区;20Hz以上频段，地铁的地面振动成为主要贡献者，其量级有所增加. (4)距离线路中心线100m处 如图6(d)所示，低于1.5Hz频段，各种车辆的地面振动均未衰减;大于1.5Hz频段，各种车辆地面振动的谱均值都保持在区;20Hz以上频段，地铁的地面振动成为主要贡献者，其量级有所增加.3 结论 (1)地面地下无车时的环境背景振动，在小于2Hz频率点的频段，有进入“仪器不能正常工作范围(区)”的点，但最大值不超过20×10-6g;大于2Hz频率点的频段都保持在“仪器正常工作范围(区)”. (2)小汽车、中型汽车、公交车等车辆地面振动响应的主要频率成分为1030Hz;地铁振动的地面响应主要频率成分约为1030Hz和5080Hz. (3)距线路中心线40m以外，3Hz以上频段，各种车辆振动的地面响应大幅降低至“仪器正常工作范围(区)”以内;距线路中心线80m以外，10Hz以上频段，以公交车辆和地铁振动为主要贡献者，而20Hz以上频段以地铁振动为主要贡献者.致谢:本次测试工作中，北京地铁科研所给予了极大的支持与帮助，在此深表谢意. 参考文献1NaggarEI，HeshamM.PerformanceEvaluationofVibra-tionSensitiveEquipmentFoundationunderGroundTrans-mittedExcitationJ.CanadianGeotechnicalJournal，2003，40(3):598-615.2CrispinoM，DApuzzoM.MeasurementandPredictionofTraffic-InducedVibrationsinAHeritageBuildingJ.Jour-nalofSoundandVibration，2001，246(2):319-335.3WolfS.PotentialLowFrequencyGroundVibration(<6·3Hz)ImpactsfromUndergroundLRTOperationsJ.Jour-nalofSoundandvibration，2003，267:651-661.4XuYL，YangZC，ChenJ，etal.MicrovibrationControlPlatformforHighTechnologyFacilitiesSubjecttoTraffic-InducedGroundMotionJ.EngineeringStructures，2003，25:1069-1082.5UngarEricE，JeffreyAZapfy.Well-DesignedBuildingsMinimizeVibrationJ.LaserFocusWorld，2004，9(40):113-117.6JapaneseInstituteofNoiseControl.RegionalVibrationsofEnvironmentsM.Tokyo:JibaotangPress，2001:8-9.7夏禾，曹艳梅.轨道交通引起的环境振动问题J.铁道科学与工程学报，2004，1(1):44-51.XiaHe，CaoYan-mei.ProblemofRailwayTrafficInducedVibrationsofEnvironmentJ.JournalofRailwayScienceandEngeering，2004，1(1):44-51.(inChinese)8HongHao，AngTC，JayShen，etal.BuildingVibrationtoTraffic-InducedGroundMotionJ.BuildingandEnvi-ronment，2001，36:321-336.9HalAmick.OnGenericVibrationCriteriaforAdvancedTechnologyFacilitiesJ.JournaloftheInstituteofEnvi-ronmentalSciences，1997，5(40):35-44.10GordonColinG.GenericVibrationCriteriaforVibrationSensitiveEquipmentCDenver:Proceedingsofthe1999OptomechanicalEngineeringandVibrationControl，Jul20-Jul23，1999，3786:22-33. 10
