轨道交通环境振动的主要影响因素

来源：北京交大轨道交通环境振动研究所微信公众号（ID：BJTU-GDJT），原文摘编自《我国城市轨道交通环境振动影响的研究现况》，作者：刘维宁教授等。

交通环境振动是由轨道交通与地面或高架的非轨道交通共同引发的，但是其中轨道交通占主要贡献。目前这个问题，已经由个别线路的影响正在发展成为整个交通路网的区域性问题，因此，研究交通环境振动的重点是轨道交通的贡献程度。

轨道交通网区域环境振动的影响是一个十分复杂的系统问题，总体上看，至少包括如下12个主要影响因素。

1轨道结构

轨道既是引起列车振动的主要振源之一，也是承担和传递振动的第一子结构。因此轨道的结构型式、材料组成及其相应的动力特性，极大地影响着轨道交通环境振动的特性。轨道结构型式的动力特性随着轨道单元的质量、刚度和阻尼的不同而改变，改变轨道的动力特性意味着直接改变了振源的频率组成及振动强度。对轨道结构动力特性的合理优化，可设计出不同的减振轨道产品；相反，不合理的设计会恶化轮轨相互作用关系。

2车辆结构

包括车辆的类型、轴重、轴距、悬挂特性等。车辆的轴重影响着振动准静态低频分量的能量集度，而列车各轮轴间的相对位置关系则直接影响着振源的频率特性。如图1所示，除扣件间距外的4种特征距离构成不同行车车速下引发的4种通过频率。

1. 扣件间距；2. 转向架内轴距；3. 转向架间轴距；4. 车辆内轴距；5. 车辆间轴距

图1 车辆与轨道特征距离^[1]

3行车速度

通常，轨道交通由轨道和车辆特征距离引发的特征频率主要在40Hz以下的低频段。另外，对于城市轨道交通来说，其站间距相对较小，约30%的线路上列车运行处于变速行驶状态。而且列车在进出站时的频繁加速与减速，比城际列车的加速度要高出许多。研究表明^[2]：当通过速度相同时，变速移动荷载作用下轨道结构的动力响应超过匀速荷载通过时的响应，即列车频繁的加减速是交通环境振动影响研究中不容忽视的一个问题。

4车辆-轨道相互作用

列车运行引起的振动，通常可分为准静态激励和动态激励两部分^[3]。准静态激励与轴重的静态成分相关，其频率相对较低；动态激励与车辆-轨道动力相互作用相关，其频率相对较高。轨道不平顺、车轮圆顺度是造成动态激励的主要诱因。特征波长、行车速度与频率也满足上式的关系，如图2所示。

图2 特征波长、车速与频率的关系

5轨道和车辆的养护维修水平

车辆和线路的工作状态，尤其轮轨关系，对振动噪声有较大影响，钢轨和车轮打磨、扣件维修、轮轨接触面摩擦管理，以及小半径曲线等养护技术和维修管理水平，与轨道交通环境振动影响及噪声水平直接相关。

6行车密度和运量

城市及城际轨道交通属于高密度大运量交通系统，行车密度直接影响城市轨道交通振动作用持续的时间。通常情况下，一列地铁列车通过时，在地面建筑物上引起振动的持续时间大约为10~15s，很多线路在高峰小时发车间隔可降至2min甚至更短，再加上交汇运行和相邻线路振动影响的相互传播作用，交通环境振动的影响持续时间可达到总运营工作时间的80%以上。而且随着早晚高峰与非高峰时段的运量不同，振动量级的大小也有明显变化。

7线路条件

线路条件包括曲线半径、坡度、道岔、线间距等。大量实测表明^[4]，列车在曲线上运行时，地表的横向振动分量明显增加。一般城市轨道交通线路的曲线长度可达整个线路长度的60%以上，计算分析表明^[5]：曲线轨道的振动响应大于直线轨道的响应，且响应频谱更为丰富。

8桥梁、隧道结构类型

不同型式或跨度的桥梁结构，以及不同型式的隧道结构会引起地表环境振动特性的差异。以隧道结构为例，研究表明^[6]：圆形隧道的尺寸改变会影响垂直于隧道径向的波的传播。当隧道尺寸明显小于土中波长时，尺寸效应并不明显；随着隧道尺寸的增大，不同隧道模态的贡献会引起较高频率的差异。而隧道截面形状则会引起地表近场振动的差异，而在远场这种差异较小。

9振动敏感点距线路中心的距离

总体上交通环境振动随离开振源距离的增大而衰减，但具体到某一频率分量则表现为起伏式衰减，即这类振动的衰减并非一致单调，频率越低这种衰减的起伏越明显。与地面线列车环境振动问题相比，地下线路的埋置会造成土体中体波与面波的复杂叠加效应，研究表明：当距离线路中心线水平距离与隧道埋深量值大体相当时，会出现一个较为明显的振动放大区^[7,8]。因此，受隧道埋深、建筑物基础、地下管线等因素影响，随敏感点距线路中心距离的增加，地表总的振动衰减也可能出现局部放大现象，这都会增加对其进行预测评价的难度、影响预测精度。

10地质条件

各地轨道交通线路间的地质条件千差万别，即使同一条线路也会穿越各种不同的地质区域。地质条件差异和不确定性，大大加剧了交通环境振动影响精准预测的技术难度。

11房屋建筑结构的特性

建筑物体量、楼层数、平面布置、基础型式、建筑材料等因素的不同，会直接影响建筑物周边地表环境振动场的改变，以及建筑物内振动及二次噪声的传播与分布。

12受振体对交通振动承受限值和范围

建筑结构、仪器设备、人体对振动频率、幅值和持续时间的敏感程度、承受能力都有很大差异，确定合理的限值标准是轨道交通环境振动评价的必要条件。

参考文献：

[1] International Standard. Ground-borne noise andvibration arising from rail system, Part 1: General guidance. ISO14837-1. 2005

[2] 李克飞. 基于变速及曲线车轨耦合频域解析模型的地铁减振轨道动力特性研究. 博士学位论文.北京: 北京交通大学, 2012

[3] Lombaert G, Degrande G. Ground-borne vibration dueto static and dynamic axle loads of intercity and high speed train. J SoundVib, 2009,319: 1036–1066

[4] 袁扬, 刘维宁, 刘卫丰. 基于现场测试的曲线段地铁地面振动传播规律. 中国铁道科学, 2012, 33: 133–138

[5] 刘维宁, 李克飞, Markine V L. 移动荷载作用下曲线轨道振动响应解析解研究. 土木工程学报, 2013, 46: 133–140

[6] Gupta S, Stanus Y, Lombaert G, et al. Influence oftunnel and soil parameters on vibrations from underground railways. J SoundVib, 2009,327: 70–91

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[8] 马龙祥. 基于无限-周期结构理论的车轨耦合及隧道-地层振动响应分析模型研究. 博士学位论文. 北京: 北京交通大学, 2014