高架桥段与路堤段CRH 动车组运行引起的地面振动对比测试

第３３卷第５期南京工业大学学报（自然科学版）Ｖｏｌ．３３Ｎｏ．５２０１１年９月ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＮＡＮＪＩＮＧＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）Ｓｅｐ．２０１１ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１－７６２７．２０１１．０５．００４高架桥段与路堤段ＣＲＨ动车组运行引起的地面振动对比测试毛昆明，陈国兴，张杨，洪小星，阮滨（南京工业大学岩土工程研究所，江苏南京２１０００９）摘要：现场测试沪宁城际中国高速铁路（ＣＲＨ）动车组运行引起的高架桥段和路堤段的地面振动竖向速度，分析２种线路的地面振动特征及其传播的衰减规律。结果表明：ＣＲＨ动车组运行引起的地面振动主频在８０Ｈｚ以下，属于低频振动；车厢数量对列车运行引起的地面振动强度影响小；对１５３～２０１ｋｍ／ｈ列车的运行速度，车速的大小对地面振动幅值的影响不明显；随着测点离轨道距离的增加，高架桥段的地面振动主频降低、峰值地面速度衰减曲线较为平稳光滑，路堤段的地面振动主频几乎不变、峰值地面速度衰减曲线存在多个振动反弹区；高架桥段的地面振动强度高于路堤段的地面振动强度；路堤旁修建的排水沟对地面振动具有隔振作用。关键词：列车运行振动；高架桥；路堤；地面振动中图分类号：ＴＵ４３５文献标志码：Ａ文章编号：１６７１－７６２７（２０１１）０５－００１９－０５ＣｏｍｐａｒａｔｉｖｅｔｅｓｔｉｎｇｏｎｇｒｏｕｎｄｓｕｒｆａｃｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｃａｕｓｅｄｂｙＣＲＨｔｒａｉｎｒｕｎｎｉｎｇｏｎｖｉａｄｕｃｔａｎｄｅｍｂａｎｋｍｅｎｔＭＡＯＫｕｎｍｉｎｇ，ＣＨＥＮＧｕｏｘｉｎｇ，ＺＨＡＮＧＹａｎｇ，ＨＯＮＧＸｉａｏｘｉｎｇ，ＲＵＡＮＢｉｎ（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１０００９，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｖｅｒｔｉｃａｌｖｅｌｏｃｉｔｙｏｎｇｒｏｕｎｄｓｕｒｆａｃｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｗａｓｍｅａｓｕｒｅｄｂｙＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙＨｉｇｈｓｐｅｅｄ（ＣＲＨ）ｔｒａｉｎｓｒｕｎｎｉｎｇｏｎｖｉａｄｕｃｔａｎｄｅｍｂａｎｋｍｅｎｔｏｆＨｕＮｉｎｇＩｎｔｅｒｃｉｔｙＲａｉｌｗａｙ．Ｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎｒｕｌｅｓｏｆｔｈｅｇｒｏｕｎｄｓｕｒｆａｃｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｏｆｔｗｏｒｏｕｔｅｓｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．ＲｅｓｕｌｔｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｍａｉｎｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｎｇｒｏｕｎｄｓｕｒｆａｃｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｃａｕｓｅｄｂｙＣＲＨｔｒａｉｎｓｒｕｎｎｉｎｇｗａｓｌｅｓｓｔｈａｎ８０Ｈｚ，ｗｈｉｃｈｂｅｌｏｎｇｅｄｔｏｌｏｗｆｒｅｑｕｅｎｃｙｖｉｂｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｃａｒｒｉａｇｅｓｈａｄｌｉｔｔｌｅｅｆｆｅｃｔｏｎｇｒｏｕｎｄｓｕｒｆａｃｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｉｎｔｅｎｓｉｔｙ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｔｒａｉｎｓｐｅｅｄｆｒｏｍ１５３ｋｍ／ｈｔｏ２０１ｋｍ／ｈｏｎｇｒｏｕｎｄｓｕｒｆａｃｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｉｎｔｅｎｓｉｔｙｈａｄｎｏｏｂｖｉｏｕｓｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ．Ｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅｄｉｓｔａｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｇｒｏｕｎｄｓｕｒｆａｃｅａｎｄｔｈｅｔｒａｃｋ，ｔｈｅｍａｉｎｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｇｒｏｕｎｄｓｕｒｆａｃｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｏｎｖｉａｄｕｃｔｄｅｃｒｅａｓｅｄ，ａｎｄｔｈｅａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎｃｕｒｖｅｏｆｐｅａｋｖａｌｕｅｏｆｇｒｏｕｎｄｓｕｒｆａｃｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｖｅｌｏｃｉｔｙｂｅｃｏｍｅｓｍｏｏｔｈｅｒ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅｍａｉｎｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｇｒｏｕｎｄｓｕｒｆａｃｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｏｎｅｍｂａｎｋｍｅｎｔｗａｓｎｅａｒｌｙｕｎｃｈａｎｇｅａｎｄｔｈｅａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎｃｕｒｖｅｏｆｐｅａｋｖａｌｕｅｏｆｇｒｏｕｎｄｓｕｒｆａｃｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｖｅｌｏｃｉｔｙｈａｄｓｅｖｅｒａｌｒｅｂｏｕｎｄｒｅｇｉｏｎｓｏｆｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎ．Ｇｒｏｕｎｄｓｕｒｆａｃｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｉｎｔｅｎｓｉｔｙｏｆｖｉａｄｕｃｔｗａｓｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ．Ｔｈｅｄｒａｉｎａｇｅｄｉｔｃｈｂｕｉｌｔｂｅｓｉｄｅｔｈｅｅｍｂａｎｋｍｅｎｔｈａｄｖｉｂｒａｔｉｏｎｉｓｏｌａｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔｓｏｎｇｒｏｕｎｄｓｕｒｆａｃｅｖｉｂｒａｔｉｏｎ．收稿日期：２０１１－０６－０７基金项目：江苏省自然科学基金资助项目（ＢＫ２００８３６８）；中国地震局地震工程与工程振动开放实验室基金资助项目（２００７Ａ０２）作者简介：毛昆明（１９８５—），男，江苏南京人，博士生，主要研究方向为轨道交通引起的环境振动；陈国兴（联系人），教授，Ｅｍａｉｌ：ｇｘｃｈｅｎ＠ｎｊｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ． ２０南京工业大学学报（自然科学版）第３３卷Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｖｉｂｒａｔｉｏｎｏｆｒｕｎｎｉｎｇｔｒａｉｎ；ｖｉａｄｕｃｔ；ｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ；ｇｒｏｕｎｄｓｕｒｆａｃｅｖｉｂｒａｔｉｏｎ２００７年４月１８日开始，中国铁路已进入第六次大面积提速，部分线路列车最高时速已达３５０ｋｍ。列车速度的提高对铁路路基的要求也越来越高，所以设计部门在确定路基方案时，常会遇到高架桥与路堤的选择问题。这需考虑众多影响因素，例如路线总体设计、工程可靠度、工程造价等。近年来，人们逐渐关注振动对生活和工作环境［１］的影响，并把振动列为七大环境公害之一，因此有必要从环境振动的角度来比较高架桥与路堤２种图１排水沟和防护栏Ｆｉｇ．１Ｄｒａｉｎａｇｅｄｉｔｃｈａｎｄｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅｂａｒｒｉｅｒ线路的优劣性。尽管很多学者分别对高架桥段和路［１－６］堤段的振动进行了测试，但并未进行比较。仅［７］夏禾介绍了高架桥线路相比于路堤线路环境振动较弱，但并未给出具体数据。沪宁城际铁路是上海和南京之间的客运专线，全线长约３００ｋｍ，高架桥段２００多ｋｍ，路堤段（包括隧道）约９７ｋｍ，高架桥段和路堤段都经过南京市栖霞区兴卫村。本文通过现场测试沪宁城际铁路中国高速铁路（ＣＲＨ）动车组分别通过高架桥和路堤时引起的地面振动竖向速度，针对性地比较了２种线路引起的地面振动大小。１地面振动测试方案图２地面振动测点布置（ｍ）１．１列车参数Ｆｉｇ．２Ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔｏｆｍｅａｓｕｒｉｎｇｐｏｉｎｔｏｎｇｒｏｕｎｄ在沪宁城际铁路上运行的列车是ＣＲＨ２／ＣＲＨ３ｓｕｒｆａｃｅｖｉｂｒａｔｉｏｎ动车组，编组形式为一组８节车厢或２组１６节车厢。单组长度２０１４０、２００６７ｍ，质量３４５、３８０ｔ，总２结果与分析牵引功率为４８００、８８００ｋＷ，转向架中心距１７４００、１７３７５ｍ，转向架轴距２５、２５ｍ，转向架轴质量为２．１地面振动速度时程曲线１４、１５ｔ。图３和图４分别为ＣＲＨ动车组通过高架桥和１．２测试仪器路堤时距轨道６、１１、１５ｍ处的地面振动速度时程曲采用Ｓｕｍｍｉｔ浅层地震仪测量地面振动的竖向线。由图３和图４可知：离轨道越近，地面振动速度速度，采样间隔为１ｍｓ，配套的速度检波器在江苏省幅值越大；车厢数量增多，地面振动的持续时间延计量科学研究院进行了标定。长，但对地面振动幅值影响不大；列车运行速度在采用ＬＲＭ１５００ＳＰＤ型激光测速仪测量列车的１５３～２０１ｋｍ／ｈ范围内，车速对地面振动幅值的影响运行速度，该仪器的量程为５～５００ｋｍ／ｈ，测量精度不明显。高架桥段的地面振动比路堤段的强烈，离±１ｋｍ／ｈ，满足列车车速测试的要求。轨道越近越明显。１．３测试地点与测点布置２．２地面振动速度频谱曲线测试地点为南京栖霞区兴卫村路堤桥梁过渡段图５和图６分别为ＣＲＨ动车组通过高架桥和附近，桥墩高约３５ｍ、桥跨约４０ｍ。为了排水和安路堤时距轨道６、１１、１５ｍ处的地面振动速度频谱曲全，施工方在路堤旁修建了排水沟和防护栏（图１）。线。由图５和图６可得：列车振动主频基本在８０Ｈｚ地面振动测点布置图见图２。以下，属于低频振动。列车车厢数量对地面振动主频 第５期毛昆明等：高架桥段与路堤段ＣＲＨ动车组运行引起的地面振动对比测试２１图３高架桥段ＣＲＨ动车组运行引起的地面振动速度时程曲线Ｆｉｇ．３ＶｅｌｏｃｉｔｙｔｉｍｅｈｉｓｔｏｒｙｃｕｒｖｅｓｏｆｇｒｏｕｎｄｓｕｒｆａｃｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｃａｕｓｅｄｂｙＣＲＨｔｒａｉｎｓｒｕｎｎｉｎｇｏｎｖｉａｄｕｃｔ图４路堤段ＣＲＨ动车组运行引起的地面振动速度时程曲线Ｆｉｇ．４ＶｅｌｏｃｉｔｙｔｉｍｅｈｉｓｔｏｒｙｃｕｒｖｅｓｏｆｇｒｏｕｎｄｓｕｒｆａｃｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｃａｕｓｅｄｂｙＣＲＨｔｒａｉｎｒｕｎｎｉｎｇｏｎｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ的影响很小；仅增加约４５ｋｍ／ｈ的车速，对振动主频况下地面振动速度峰值随离轨道距离增大而衰减的的影响也不大。在高架桥段，随着离桥墩的距离增曲线。由图７可得：高架桥段的地面振动速度峰值大，地面振动速度的频谱幅值减小、振动主频降低；衰减曲线较为平稳光滑，路堤段的地面振动速度峰在路堤段，随着距轨道距离的增加，地面振动速度的值衰减曲线出现多个振动反弹区。这可能是由于高频谱幅值也减小，但其振动主频几乎不变。架桥上的列车运行振动通过桥墩传到地基，高架桥２．３地面振动速度峰值衰减曲线段地面振动的测点相当于受多个点振源的激励，各点振源之间有一定的距离，地面振动的叠加效应小；图７为高架桥段和路堤段不同车速和车厢数情 ２２南京工业大学学报（自然科学版）第３３卷图５高架桥段ＣＲＨ动车组运行引起的地面振动速度频谱曲线Ｆｉｇ．５ＶｅｌｏｃｉｔｙＦｏｕｒｉｅｒｓｐｅｃｔｒａｏｆｇｒｏｕｎｄｓｕｒｆａｃｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｃａｕｓｅｄｂｙＣＲＨｔｒａｉｎｒｕｎｎｉｎｇｏｎｖｉａｄｕｃｔ图６路堤段ＣＲＨ动车组运行引起的地面振动速度频谱曲线Ｆｉｇ．６ＶｅｌｏｃｉｔｙＦｏｕｒｉｅｒｓｐｅｃｔｒａｏｆｇｒｏｕｎｄｓｕｒｆａｃｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｃａｕｓｅｄｂｙＣＲＨｔｒａｉｎｒｕｎｎｉｎｇｏｎｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ路堤上的列车运行振动通过轨道直接传到地基的，不平顺主要是由列车长期运行引起的路基不均匀沉路堤段地面振动的测点相当于受线振源的激励，地降造成的；高架桥的桩基能深入到地下数十米，沉降［３］面振动的叠加效应明显。路堤段的竖向振动速量小。本次的测试时间为２０１０年７月２日，是沪宁度峰值小于高架桥段的竖向振动速度峰值，离轨道城际铁路正式运行的第二天，地基沉降可以忽略，轨越近越明显，这与文献［７］的论述不符。这是由于道有良好的平顺性，高架桥相对于路堤的优势尚未［７，９］轨道不平顺是引起列车振动、轮轨作用力增大的主显示出来。另由于隔振沟减弱了沟后的振动。［８］要因素。若忽略钢轨的生产和安装的误差，轨道路堤旁的排水沟虽然是为排水而修建，但在客观上 第５期毛昆明等：高架桥段与路堤段ＣＲＨ动车组运行引起的地面振动对比测试２３８０Ｈｚ以下，属于低频振动。随着离轨道距离的增加，地面振动的强度减小，高架桥的地面振动主频降低，但路堤段的地面振动主频几乎不变。２）高架桥段的竖向地面振动速度峰值衰减曲线较为平稳光滑，路堤段的衰减曲线存在多个振动反弹区。３）离轨道距离相同时，路堤段的振动强度低于高架桥段的振动强度，路堤旁修建的排水沟具有隔振作用，值得推广。４）车厢数量对其列车运行引起的地面振动强度的影响小；对１５３～２０１ｋｍ／ｈ的列车运行速度，车速对地面振动幅值的影响不明显。参考文献：［１］ＹｏｓｈｉｏｋａＯ．Ｂａｓｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｓｈｉｎｋａｎｓｅｎｉｎｄｕｃｅｄｇｒｏｕｎｄｖｉｂｒａｔｉｏｎａｎｄｉｔｓｒｅｄｕｃｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｓ［Ｊ］．ＰｒｏｃＷａｖｅ，２０００，２０：２１９－２３９．［２］ＴａｋｅｍｉｙａＨ．Ｓｕｂｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｉｎｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓｔｒａｃｋａｎｄｌａｙｅｒｅｄｇｒｏｕｎｄｄｙｎａｍｉｃｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｕｎｄｅｒｔｒａｉｎｐａｓｓａｇｅ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＭｅｃｈａｎｉｃｓ，２００５，１３１（７）：６９９－７１１．［３］高广运，李志毅，冯世进，等．秦沈铁路列车运行引起的地面图７地面振动速度峰值衰减曲线振动实测与分析［Ｊ］．岩土力学，２００７，２８（９）：１８１７－１８２２．Ｆｉｇ．７Ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎｃｕｒｖｅｓｏｆｐｅａｋｖａｌｕｅｏｆ［４］陈建国，夏禾，肖军华，等．列车运行对周围地面振动影响的ｇｒｏｕｎｄｓｕｒｆａｃｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｖｅｌｏｃｉｔｙ试验研究［Ｊ］．岩土力学，２００８，２９（１１）：３１１３－３１１８．［５］韦红亮，雷晓燕，吕绍棣．列车引发地面振动的现场测试及数起到了隔振沟的效果，使得排水沟后侧一定范围内值分析［Ｊ］．环境污染与防治，２００８，３０（９）：２３－２５．的地面振动减弱。还有可能列车的运行振动频率和［６］葛勇，张希黔，肖正直，等．无碴轨列车运行引起的环境振动高架桥体系的自振频率比较接近，加剧了车桥体系影响评价［Ｊ］．环境工程学报，２０１０，４（１）：２３５－２４０．［７］的振动，从而使地面振动增大。［７］夏禾．车辆与结构动力相互作用［Ｍ］．北京：科学出版社，２００２．［８］卢祖文．客运专线铁路轨道［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，２００５．３结论［９］高广运，彭争光，李伟，等．三维层状地基空沟主动隔振分析１）沪宁城际列车运行引起的地面振动主频在［Ｊ］．西北地震学报，２００６，２８（３）：２１０－２１５．