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立体轨道交通环境三向振动和噪声研究

立体轨道交通环境三向振动和噪声研究. 报告人：李鹏 上海大学理学院力学系. 一、引言. ● 城市轨道交通环境振动和噪声的研究已成为当今国际学术界和各国政府十分关注的课题 ★ 铁路噪声国际会议 (IWRN) ，已召开了九届。 ★ 2000 年，瑞典 Gothenburg 高速列车诱发地面振动研讨会。 ★ 2000 年 12 月 . 德国 Bochum “Workshop WAVE2000” 。 ● 研究内容 ★ 环境振动和噪声的影响因素 —— 立体轨道交通构造形式 ● 研究的主要方法 ★ 实验法. 二、工程背景.

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立体轨道交通环境三向振动和噪声研究

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  1. 立体轨道交通环境三向振动和噪声研究 报告人：李鹏 上海大学理学院力学系

  2. 一、引言 ● 城市轨道交通环境振动和噪声的研究已成为当今国际学术界和各国政府十分关注的课题 ★ 铁路噪声国际会议(IWRN)，已召开了九届。 ★2000年，瑞典Gothenburg高速列车诱发地面振动研讨会。 ★2000年12月.德国Bochum “Workshop WAVE2000”。 ● 研究内容 ★ 环境振动和噪声的影响因素——立体轨道交通构造形式 ● 研究的主要方法 ★ 实验法

  3. 二、工程背景 • 立体轨道交通系统的特点是：结构庞大、环境复杂、多种振动源交织，需要采集的数据较多。 • 共和新路地铁-高架是贯穿上海市区的南北交通大动脉，仅地铁一号线每天载客就超过一百多万，特别是在闸北区和宝山区的接壤区间采用了地下、地面和空间双层高架的多种构造形式，结构复杂、车辆类型繁多、车流量大，随着地铁一号线逐渐地向北延伸，交通不断扩容，致使周边环境质量不断下降。

  4. 三、振动分析 3.1 方案规划 ● 测段 地下轨道段、地面轨道段和高架轨道段 ● 测试内容 X、Y、Z三个方向上的振动。 ● 测试工况 有地铁干扰和无地铁干扰两种 ● 测点布置 按照与轨道边缘的水平垂距D等步长增加布点，受站台空间限制， ★ 地下按照 D＝0m、5m及10m布点， ★ 地面按照D＝0m、5m及10m布点， ★ 空间高架仅布置D＝0m的测点。

  5. 3.2 无地铁干扰时环境三向振动分析 图1 无地铁干扰时地下站台三向振动曲线 图2 无地铁干扰时地面站台三向振动曲线 ★ 地下、地面和高架的三向振动的时程曲线皆近似平行与时间轴，沿Z向（竖直方向）的振动量级要明显高于沿X和Y的水平方向，从地下到空中高架，三向振动量逐渐增大。对比三幅图，可以看出，不同的测段，三向振动之间有一定的差异 。 图3 无地铁干扰时高架站台三向振动曲线

  6. 表1 无地铁干扰时站台三向振动均值 在地下站台处，X向和Y向的振动曲线近似重合，均值约为33.5 dB，反映出水平两向同性的特点，与Z向振级差较大，值为10dB左右。 与地下测试数据相比，地面站台处的三向振动变化不大，其中Y向振动趋势和均值 基本保持不变，X向和Z向振级均值略有降低，分别降低约5dB和3dB，而X向和Y向出现振级差，差值为5 dB左右。 在高架站台处，三向振动量明显增加，与地下测试数据相比，分别增加约15 dB、18 dB和11 dB，其中X向和Y向振级差为3 dB左右，也不再具有相同振级的特征 。

  7. ● 小结 ★ Z向振动量最大，其次是Y向。 ★ 无地铁干扰时，站台三向振动量较小，随着时间的变化各向分别在一个恒量附近做微小振动。 ★ 从地下到空中高架，三向振动的整体趋势是振级逐步增加，同时X、Y向等振级的特点消失，Y向振动量大于X向振动量，振级差约3～5 dB。

  8. 3.3 地铁干扰时环境三向振动分析 图5 地铁干扰时地面站台三向振动曲线 图4 地铁干扰时地下站台三向振动曲线 地铁进出站时诱发的三向振动曲线具有分段的特点 ★ 地铁缓慢减速进站 ★ 过渡段，地铁到站制动至 完全静止 ★ 地铁已完全静止，乘客上下车 图6 地铁干扰时地上站台三向振动曲线

  9. 表2 地铁干扰时站台三向振动峰值的均值 三测段的三向振动差异较大，尤其是峰值。表2直观的反映出，在地铁干扰的工况下，从地下到空中高架，随着轨道构造形式的变化，三向振动的变化特点： ★ 三向振动量和振动峰值皆逐步增加， X向和Y向的振级差也增大，振动峰值差从4.2 dB增加到8.0 dB。

  10. ●小结 ★ Z向振动量最大，其次是Y向。 ★ 在地铁干扰的工况下，从地下到空中高架，三向振动量和振动峰值均逐步增大 ，同时X、Y两向与Z向的振动峰值差值也增大。

  11. 3.4 环境三向振动沿水平方向的变化规律 表3 地铁干扰时地下站台三向振动峰值的均值 在地下站台处，X向和Y向的振动峰值均随测距D的增加而非线性衰减；Z向振动峰值在D＝5m处有一个反弹，可能是此处的土层与振源发生共振，而后随着测距D的增加逐渐衰减，当D＝10m时，Z向振动峰值为64.8 dB，衰减了14.4 dB，是X向和Y向振动峰值衰减速度的2～3倍 。

  12. 表4 地铁干扰时地面站台三向振动峰值的均值 随着测距D的增加，X、Y、Z三向振动峰值呈非线性衰减，衰减速度大于在地下三向振动的衰减速度；当D=5m时，三向振动峰值分别衰减了16.8 dB、17.8 dB、8.2dB，X、Y两向的振动峰值已小于地下测距D＝10m处X、Y两向的振动峰值。

  13. ●小结 ★从地下到地面，随着轨道交通构造形式的改变，X、Y、Z三向振动量在水平方向的衰减速度会增大，同时Z向振动沿水平方向衰减时，有可能会出现一个振级反弹区。

  14. 3.5 结论 ★ 无地铁干扰时，环境三向振动反映的是大地或基础的脉动，各振动曲线近似平行于时间轴，且在地下X、 Y两向振动曲线近似重合，振动均值相同。 ★ 地铁通行或轨道交通构造形式改变时， X、 Y两向具有相同振级的特点消失，出现一定的振级差，且差值随轨道交通构造形式的改变而改变。 ★ 从地下到高架，随着轨道交通构造形式的改变，环境三向振动总体趋势是逐步加强，尤其是在地铁干扰时，从地面到高架，三向振动量和振动峰值会大幅度增加。 ★ 从地下到地面，随着轨道交通构造形式的改变，环境三向振动沿水平方向的衰减速度会增大。

  15. 四、噪声分析 4.1 方案规划 ● 测试内容 轨道和道路沿线的噪声。 ● 测点布置 ★ 地下选择延长路和上海马戏城车 站，距两边轨道站台边缘约6m 。 ★ 地面选择上海马戏城和大宁国际 商业中心周边，距交通干道外边缘约7.5m处，高度分别为1.6m、3.9m 和 5.2m 。 ★ 高架测量则选择汶水路轨道车站以及共和新路高架与内环高架汇交处。

  16. 4.2 数据分析 • 噪声能量从低频一直延续到6000Hz，两曲线的分岔起点约从50 Hz开始，在250～4000HZ之间噪声具有较高的能量级并形成明显的峰值，表明列车运行对地铁车站噪声的影响主要集中在中高频，轮轨辐射噪声依然是地铁车站的主要噪声源。两曲线单频带的最大分值分别为66dB和58dB，最大差值为8dB。 • 地铁未干扰和地铁干扰两种工况下总声压级SPL[A]分别为67.1dB和 73.4dB ，差值为6.3dB 。 ★ 列车运行可使噪声明显的增加 图7 马戏城地铁站三分之一倍频图

  17. 两曲线单频带的最大分值分别为92.9dB和88.7dB，最大差值为11.5dB；总声压级SPL[A]分别为84.1dB和77.9dB，差值为6.2dB。两曲线单频带的最大分值分别为92.9dB和88.7dB，最大差值为11.5dB；总声压级SPL[A]分别为84.1dB和77.9dB，差值为6.2dB。 ★ 列车运行可使噪声明显的增加 ★ 但与马戏城车站相比，噪声声级明显提高。另外从频谱图上看，高能量区间拓宽、起点降低，主要集中在60～4000HZ之间，曲线更加平缓。 图8 汶水路地铁站三分之一倍频图 ● 原因分析 汶水路地铁站台处于一个地面道路与共和新路高架和中环高架的汇交处，结构复杂、车流量大、多种交通工具混杂、噪声成分较多。因此，噪声的成分除地铁交通噪声外，还包含了结构振动噪声、车辆牵引动力、非动力和环境干扰等一些中低频噪声，特别是因高架桥振动产生的辐射噪声占有相当的比重,致使总体噪声明显加大、频带组成拓宽。

  18. 可以看出，其噪声的大小和分布均介于图7（地下）和图8（高架）之间，但低频比重加大，说明可以看出，其噪声的大小和分布均介于图7（地下）和图8（高架）之间，但低频比重加大，说明 ★ 地面综合噪声和来自地下轨道的振动辐射噪声占据主导作用。 • 从噪声沿地面高度分布规律来看，高度1.6m处声级曲线与3.9m处相应频段最大差值为3.8dB；而高度3.9m处声级曲线又与5.2m处相应频段最大差值为5.0 dB。当高度增加2.3m时，总声压级降低了1.6dB；当高度增加3.6m时，总声压级降低了4.9dB。因此 ★ 在竖直方向上，随着高度的增加，噪声级 呈非线性递减趋势。 图9 共和新路地面三分之一倍频图 表5 共和新路马戏城地面噪声

  19. 4.3 结论 ★ 相对而言,采用地下轨道形式所引起的振动和噪声最小，主要由轮轨辐射噪声、基础振动和地面承载噪声等，轮轨辐射噪声依然是其主要噪声源。车辆运行可使噪声提高6dB以上。然而，由于频谱曲线在中高频区间形成明显的峰值，加之车站受空间的限制导致声波在传播中的多次反射，因此对人们身体和心理承受能力的影响仍不可忽视。 ★ 地面噪声主要来自于地铁辐射和地面交通噪声的混合，噪声幅值介于地下车站和高架车站之间，在一定范围内，噪声大小随高度的增加呈非线性递减趋势。 ★ 高架轨道噪声幅值最大，除了列车运行的噪声之外，由多层高架的振动所引起的二次噪声和其它交通工具所引起的混合噪声占有较大的比重，低、中、高频分布相对均衡，因此应采用综合噪声控制措施。

  20. 谢谢！

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