隧道内脉冲激励下地层振动传递特性研究

Stratum vibration transfer characteristic under pulse excitations inside a tunnelWANG Wen-bin ， We i-ning ，SUN Ning ，LI ，NIE Zhi.1i(1.Engineering Consuhing Co.，Ltd.，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China；2.School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China)Abstract： At present，there is no systematic study on the transfer characteristic of stratum vibration induced bymetro operations.The stratum vibration transfer characteristic tests were performed in a lab.of track vibration abatement＆ control by using an automatic falling weight system to impact an underground track inside a tunne1.The propagationattenuation characteristics of vibration accelerations in the stratum were studied in a frequency range of 0 ～200 Hz.Theresults indicated that① the atenuation rate of the acceleration peak value from the tunnel to the ground surface can reach8 1.25% and the strata have a strong atenuation function；② the transfer function amplitude of the vibration responsesfrom the tunnel to the ground surface is less than 0.4，except that the transfer function amplitude is greater than 1 near30Hz frequency band；③ 1/3 octave acceleration level transmission los curve from the tunnel to the ground surfacereveals a V-shape distribution，the transmission loss is the least near 30Hz and is a negative value at this frequency band；the vibration acceleration energy from the tunnel to the ground surface is amplified。

Key words： pulse excitation； automatic falling weight system； transmission loss； vibration transfer function；nherence c0efficient近年来，城市轨道交通得到了前所未有的蓬勃发展，已成为缓解城市交通压力最有效的选择。但地铁运营引起的地面振动问题也越来越受到人们的关注 。世界各国学者应用理论解析、数值计算和现场试验的方法，对地铁运营引起的环境振动问题做了大量的工作 ，并取得了-定的成果，但很少涉及地铁运营引起的地层振动传递特性研究，原因在于理论解析与数值计算方法难以精确模拟车辆 -轨道 -隧道基金项 目：国家自然科学基金项 目(51008017)；北京交通大学优秀博士生创新基金(2011YJ$261)收稿 日期：2012-03-06 修改稿收到 日期：2012-05-10第-作者 王文斌 男 ，博士后，1982年生- 地层系统，不可能准确得到隧道结构 -地面的振动响应传递函数。试验方法虽然能精确得到地层振动响应传递函数，但国外学者更倾向于分析系统的频率响应函数 121(地面振动响应与地下激振力傅里叶变换的比值)，而忽视了振动在地层中的衰减特性研究；国内由于试验条件有限、试验费用过高，也鲜有这方面的研究↑年来，以刘维宁为首的课题组对低频振动在地层中的传递规律进行了实验室试验，研究了5～20Hz简谐激振力作用下，地层的振动传递特性，并取得了-定的成果 o为了进-步研究地层的振动传递特性，作者设计研制了自动落锤激励装置，在北京交通大学轨道减振与控制地下实验室 10m埋深隧道内，进行了地层振动振 动 与 冲 击 2013年第 32卷图3 隧道结构测点Fig.3 Tunnel structure site图4 地面测点Fig.4 Ground site3 试验结果整理测试的加速度时程信号，从试验数据时程、频谱、振动响应传递函数、1/3倍频程加速度级和传递损失等方面对地层振动传递特性进行分析。

3.1 时程与频谱分析隧道结构和地面测点加速度垂向时程和频谱幅值曲线如图5、6所示，从图中可以看出：利用自动落锤激励装置可以在隧道内激起较大振动，满足试验研究的需要；隧道结构到地面振动加速度垂向时程峰值从 800mm/s 减少到 150 mm/s ，衰减了81.25%，说明地层对E三面圈I l l IT T 1 1- - - - 图5 隧道结构加速度Fig.5 Tunnel structure acceleration振动有很强的衰减作用；30Hz附近频段振动加速度从隧道结构传递到地面存在明显放大现象，其余频段加速度都有不同程度的衰减。

3.2 地层振动响应传递函数分析振动响应传递函数分析就是通过其输入振动信号和输出振动信号，对-个系统进行振动频率响应分析的过程，它反映了系统的振动响应传递特性，撒于系统的本身特性，与输入无关。若系统的输入和输出分别为 ( )、Y( )，则振动响应传递函数定义为输出信号的傅立叶变换 y( )与输入信号的傅立叶变换X( )之比。也可以利用输出与输入信号的互功率谱 P ( )与输入的自功率谱 P ( )之比得到振动响应传递函数( )， ( )数学定义为：( )Y(∞)/X(∞)P ( )/P ( ) (1)振动响应相干函数定义为：r 2( )l Px ( )l /(P ( )·P ( )) (2)式中：r2 (∞)为振动响应相干函数，P (∞)为互功率谱，P ( )、P ( )为输入信号和输出信号的自功率谱。振动响应相干函数总是小于 1，说明有其他不相关的输入，或系统存在非线性特性。

隧道结构到地面振动响应传递函数幅值在 30 Hz附近频率带普遍大于1，峰值频率30 Hz，峰值为1.6，地层对此频段振动加速度有放大作用；振动响应相干系数普遍在0.8左右，说明振动信号的线性度好，受外界振动干扰少，在 120 Hz附近频率带相干系数低，达到0.1，外界振动影响较大；0-10 Hz、70-100 Hz及 130～ 200 Hz频段振动响应传递函数幅值较小，普遍小于0.3，地层对此频段内振动加速度的衰减作用强烈。

图 6 地面加速度Fig.6 Ground acceleration罂圜豁H-罂2.00 40 80 12O l6O 200z图7 隧道结构-地面加速度响应传递函数Fig.7 Tunnel-ground acceleration transfer function8 6 4 2 O 2 4 6 8 0 8 6 4 2 0 .s-山g-言 ×越 器唇嘲 。NI. Is.山骞-越 嘲器尽8 6 4 2 O 2 4 6 8 O 8 6 4 2 O - .Ⅲ吕-，z0-× 嚣唇 - NH. .山骞- 器匠嘲第8期 王文斌等：隧道内脉冲激励下地层振动传递特性研究3.3 1/3倍频程加速度级与传递损失分析1/3倍频程谱能够很好地体现振动频率带宽的能量分布情况，将时程数据转换为频域内的 1/3倍频程频谱，并采用 1/3倍频程各频段传递损失，来评价地层的振动传递特性。传递损失的定义为：L， 1- L2201g 坷 g 0lg。aL (3) g 2叭g -2 g2(3)式中：a。10 m/s 为参考振动加速度、a 、a：为沿振动传播路径上测点加速度有效值。

图 8给出了隧道结构与地面 1/3倍频程加速度级，图9为隧道结构到地面 1/3倍频程加速度级传递损失。隧道结构和地面 1/3倍频程加速度级曲线构成x型，以30 Hz附近为交点，两条曲线间的距离随着向0Hz和 200 Hz延伸增大；隧道结构 -地面 1/3倍频程加速度级传递损失曲线呈 V形分布，传递损失在 3O Hz附近最小，且为负值，这-结果与隧道结构 -地面振动响应传递函数相对应，在此频段传递函数值普遍大于1，说明此频段振动加速度从隧道传递到地面有放大现象。

图8 隧道结构与地面 1/3倍频程加速度级Fig.8 Tunnel and Ground 1/3 octave acceleration level图9 隧道结构 -地面1/3倍频程加速度级传递损失Fig.9 Tunnul-Ground 1/3 octave acceleration level tranfer loss4 结 论利用轨道减振与控制地下实验室 10 nl埋深隧道的条件，进行了地层振动传递特性试验，分析试验数据，得到以下结论：(1)自动落锤激励装置可以在隧道内激起较大振动，振动响应加速度时程频谱特性良好 ，振动响应相干系数普遍在 O.8左右，线性度好，满足试验研究 的需要。

(2)振动加速度从隧道结构传递到地面，时程峰值从 800 mm/s 衰 减 到 150 mm/s ，衰 减 率 达 到81.25%，地层对振动有很强的衰减作用。

(3)隧道结构到地面振动响应传递函数幅值普遍小于0.4，地层对大部分频段振动具有较强的衰减作用；30 Hz附近频段传递函数幅值大于 1，地层对此频谱振动有放大作用。

(4)隧道结构 -地面 1/3倍频程加速度级传递损失曲线呈 V形分布，传递损失在 30 Hz附近最小，且为负值，此频段振动加速度能量从隧道传递到地面有放大现象。

(5)考虑到北京市普遍的砂、粘土、卵石三元地层条件对30 Hz附近频段振动具有放大作用，且部分建筑物墙体和天花板共振频率在30 Hz左右，建议相关单位设计近距离下穿建筑物的地铁线路时，谨慎选择 自振频率在30 Hz附近的梯形轨枕或先锋扣件系统，采取综合措施控制此频段隧道内振源振动量。