地铁车辆段列车引起的地面及附近建筑物振动和噪声测量外文翻译资料

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地铁车辆段列车引起的地面及附近建筑物振动和噪声测量

Chao Zou ⁎, Yimin Wang, Peng Wang, Jixing Guo

华南理工大学土木与交通学院，广州

摘要：地铁车辆段是停放地铁及进行维护的地方。在地铁项目中，它们通常占据的地面区域最大。由于土地利用问题，中国城市已开始在地铁车辆段上方建设结构物，用于改善人们的生活和工作。列车频繁出入地铁车辆段时，会对其上结构物产生的一定的振动和噪声，并对楼内住户造成不利影响。考虑到目前需要可靠的实验数据来建设地铁车辆段，我们对广州某地铁车辆段对邻近地面和附近三层建筑进行了振动和噪声实测，量化、比较了速度水平的幅值和频率，并捕获了以A加权为标准的复合等效声级和最大声级。在已有模型的基础上，提出了地铁车辆段振动和噪声的预测模型，并进行了验证。结果表明，在测试线附近的地面和建筑物内部，垂直振动明显大于水平振动。而在咽喉区，曲线轨道附近的水平振动明显大于垂直振动。频率在50Hz以上的振动衰减大于频率在50Hz以下的振动，传递到相邻建筑物的振动频率主要在10~50Hz之间。咽喉区产生的最大等效声级小于测试线，但车轮的刺耳尖声、轮轨接触、道岔等引起的瞬时最大声级接近甚至高于检测线。预测模型可为新建地铁车辆段的设计和评估提供了初步评价。

关键词：地铁；地铁车辆段；振动；噪声；现场实验；预测；

1 引言

在过去的三十年里，中国经济取得了快速发展，这导致了大城市面积扩张及更高的土地集约利用(Gong等人，2014年)。具体来说，中国的城镇化率已经从1978年的18%上升到2015年的50%以上(Li等人，2014年)。越来越多的人口稠密的大都市，如北京、上海和广州，正在相竞成为“亚洲的国际都市”，这也导致土地资源日益稀缺和城市环境问题日益严重（Derudder等人，2013)。实际上，开发地下空间是一种可行的方法。为了满足不断增长的人口和交通需求并减少二氧化碳排放，许多城市已经建立了城市交通网络，例如城市快速交通系统。例如，自1993年以来，广州逐步建设地铁网络，如今，已有9条线路，总长259.84公里，8个地铁车辆段和164个车站，每天为大约623万名乘客提供服务(Chen等人，2014年)。2020年前，约300公里的地铁线路将投入使用，20个地铁车辆段和359个车站将投入运营。地铁车辆段是地铁列车停放的地方，也是进行维护的地方。在地铁项目中，它们通常占据最大的地面面积。由于土地利用问题，在过去的5年里，中国许多城市已经开始在地铁站上方开发供人们生活和工作的上盖建筑(见图1)。到2020年之前，大约有300公里的地铁线路将投入使用。地铁车辆段是地铁列车停放、维护的地方，通常在地铁项目中占据了最大的地面面积。由于土地利用问题，在过去的5年里，中国许多城市已经开始在地铁车辆段上设计上盖建筑，以改善人们的生活和工作（见图1）。

图1 地铁车辆段和上盖大楼

表1 地铁车辆段内的轨道类型

上盖建筑由商场、公寓、酒店、写字楼等公共设施组成。不同类型的建筑可以通过自动扶梯、楼梯、立交桥、空中走廊相互联通，并直接连接地铁站。高密度多用途土地利用的特点是：不仅减少了环境污染和能源消耗，而且提高了人们的生活质量，使人们在工作和生活上能享受娱乐、休闲、餐饮等便利。

但是频繁进出车辆段的地铁列车会对建筑物产生过大的振动和噪声，对大楼居民的生活质量产生不利影响。为了解决地面和建筑物的振动和噪声问题，英国（Thompson，2009年）、美国（Sanayei等人，2013年，2014年、比利时（Connolly等人，2015a；Kouroussis等人，2013年)、西班牙(Maffei等人，2013年；Torija等人，2011年；Galviacute;n及Domiacute;nguez，2009年)、希腊(Vogiatzis，2012a)进行了现场试验和调查。人们比较了不同指标，如质点峰值振动速度 (PPV)，均方根值（aw）（国际标准化组织，1997年，2003年），振动速度级（vdB）（美国联邦公共交通管理局，2006年）和加权振动烈度KBF (Deutsches Institut fuuml;r Normung, 1999年)，并将其用于评估振动影响，计算出等效声级L_Aeq和最大声级L_Amax指标以评估噪声影响（美国联邦公共交通管理局，2006; GB 3096-2008, 2008)。隧道和高架桥上有轨电车、铁路和地铁附近的振动和噪声传播特性也进行了研究。人们还观察了列车通过期间的主要频率，总结了车辆特性对铁路地面和轨道振动的影响（Kouroussis等，2014b）。此外，许多研究人员开发了数值模型来预测振动和噪声影响并评估缓解措施(Vogiatzis，2010,2012b；Kouroussis等人，2015)。以雅典一个7.6公里的地铁为例，研究人员提出了一个数值模型，以获取地铁运行过程中每个路段和每个敏感建筑物受到的环境地面振动及噪声（Vogiatzis，2012a）。人们评估了布鲁塞尔地区建筑物附近轨道引起的结构振动及其产生的墙壁和地板振动引起的结构噪声(Kouroussis等人，2014a)。为了考虑不同场景下预防、管理、缓解噪声的最佳方案，人们还对德黑兰-卡拉吉通勤列车设计了计算L_Amax的方程式(Nassiri等人，2007年)。一篇有关轨道振动的综述回顾了从轨道到附近建筑物振动的整体预测措施，还概括了振动影响、建模、缓解措施和未来的趋势(Connolly等人，2015b)。

然而，与常见的列车引起的振动和噪声问题不同，地铁列车通常运行在地铁车辆段和上盖建筑的底层，振动能量直接通过立柱、墙壁等垂直构件传递到上层(Zhou等人，2013年)。这些近源波通常含有较高的能量，可能会引起较大的振动和噪声。另外，考虑到目前我国地铁车辆段建设需要可靠的实验数据，我们迫切需要充分了解地铁车辆段列车振动噪声的影响，进而制定安全有效的减振降噪措施。本研究以地面和地铁车辆段内三层建筑物为研究对象，对地铁引起的振动和噪声影响进行了实测研究。研究结果对地铁车辆段减振降噪措施的规划和设计有一定的参考价值，可以在标准范围内最大限度地降低上盖建筑的振动噪声水平。

2 主要振动源和噪声源

地铁车辆段的主要建筑是由维修楼、停车场和办公楼组成。这些建筑的作用分别是车辆维修，停放和办公。此外，轨道根据特性可分为三种类型，如图2和表1所示。

咽喉区的各个列车停车泊位呈扇形分布，具有大量小半径的曲线轨道、轨道接头和道岔。最小曲线半径约为150米。停车库中的备用轨道和维修大楼的维修轨道上，车速相对较慢。试车线是地铁车辆段中列车速度最高的地方，用于测试列车性能，以确保列车投入使用前的安全运行。

列车运行时，各个方向上都有振动和噪声。下面介绍地铁车辆段的振动源和噪声源。

(a) 试车线 (b)维修轨道 (c)咽喉区

图2 铁车辆段轨道类型：(a)试车线(b)维修轨道(c)咽喉区

2.1 主要振动源

振动特性与许多因素有关，如速度、轨道类型、轨枕、道床、路基、建筑地基和结构(Kouroussis等人，2012；Ding等人，2010)。列车动力系统和轨道结构的振动、轮/轨动力相互作用和轮/轨不平顺性是轨道结构的主要振源(Kouroussis等人，2014b)。对于各轨道类型，在试车线上高速运行的列车及在咽喉区小半径曲线轨道上运行的列车是主要振源。由于速度较慢，备用轨道的振动相对较小。

2.2 主要噪声源

地铁车辆段噪声主要来自轮/轨噪声、机电系统噪声和空气动力噪声。其中，轮/轨噪声最大。它是列车通过时轮轨动力相互作用产生的，包括车轮与轨道接头的碰撞声，车轮踏面不平顺引起的轰鸣声以及列车在小半径曲线轨道上运行时产生的车轮刺耳噪音。

对于咽喉区，列车在小半径曲线轨道上行驶要优先考虑低频轮/轨噪声和刺耳噪音。列车在道岔和轨道接头上运行时优先考虑冲击噪声。一般来说，噪声随着速度和列车长度增加而增加。对于试车线，噪声主要受列车加速度和高速的影响。备用轨道无道岔、曲线轨道，列车速度慢。即使列车对轨道接头产生了冲击噪声，其影响也可以忽略不计。

基于以上分析，振动和噪声问题需要集中在咽喉区和试车线上。

3 实验方案

3.1 实验地点

测量是在广州进行的。广州是中国南方的一个人口为1293万人的城市。地铁车辆段靠近广州地铁三号线，占地面积0.37平方公里。

试验设置的选择取决于对地铁车辆段主要振动和噪声源的分析。如图3所示，在距离轨道和建筑内部不同距离的空地上选择了几个地点进行振动和噪声测量，并在大约1.5米的高度上进行了噪声测量。可以将测量位置分为四种设置。

图3 地铁车辆段的四种选定设置 (a）平面图 (b)维修大楼立面图（设置D）

在所有的设置中，土壤均由软黏土组成，实验时处于饱和状态。历史钻孔数据表明，不同的黏土层至少延伸到10m的深度，表层被人工填土取代。不同土层的土壤参数如表2所示。

维修厂有三层，于2005年建成，是混凝土框架结构，开放空间大，隔墙数量少，采用混凝土空心砌块。主体构造柱的截面尺寸为0.8mtimes;0.8m，位于13.3mtimes;6.0m的网格上。混凝土梁支撑现浇钢筋混凝土楼板，大楼以混凝土钻孔桩为基础。

表2 不同土层的土壤参数

3.2 仪器仪表和信号处理

测量中使用的仪器是INV306DF数据采集和信号处理系统(图4a)、991B超低频加速度计(灵敏度0.3V/m/s²并使用胶水贴装(图4b))、941放大器(图4a)和DT-8852型噪音计(图4c)。所有仪器在测量前都进行了校准。

图4 (a) INV306DF系统和941放大器(b) 加速度计(c) DT-8852型噪音计

振动测量的采样率为410 Hz。共获得61组地面垂直和水平(垂直于轨道)加速度信号，其中51组为地面振动，10组为建筑物振动。对振动加速度的时域和频域特性进行了研究。根据联邦运输铁路管理局(FTA) 的标准（联邦公共交通管理局（美国），2006年），人体会对平均振动幅值做出反应

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