高速列车运营引起的地面振动综述

高速列车运营引起的地面振动综述

彭也也

（西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川成都610031）

摘要：随着城市化进程的加快和人们生活质量的提高，高速列车运营引起的沿线地面的振动问题越来越引起人们的关注。对高速列车运营引起的环境振动问题的国内外研究进行了综述，同时，全面分析了环境振动对人们工作、生活的影响、振动产生的原因、振动预测模拟等方面的问题。

关键词：环境振动；高速列车；现场实测；数值分析

随着我国高速铁路的快速发展，由此产生的环境振动问题愈加突出。减小高速铁路运营产生的环境振动，是提高沿线居民的生活质量，使高速铁路交通实现可持续发展的关键之一。

1.振动的产生及传播

高速铁路振动产生于运行列车车轮与钢轨之间的耦合冲击，即列车在轨道上行驶时，由于车轮与道岔、钢轨等的碰撞以及线路不平顺等原因产生振动，对建筑物内民众的工作、生活和学习造成不利影响。

轨道交通振动主要激励机理如下：（1）移动荷载（准静态）激励，如由列车移动荷载引起的轨道和支承介质的移动变形。在固定位置为时变动态作用，并在轨道和地面产生弯曲波；（2）轮轨粗糙度引起的激励，如接触面的随机不平顺，钢轨和车轮引起系统（车辆/轨道）受迫振动；（3）参量激励，对具有离散钢轨支承的轨道（如道砟上的轨枕），车轮可以看作与其位置有关的钢轨的刚度变化。车辆和轨道受移动动态力激励。车辆速度和支撑间距确定了支承通过频率。同理，轴距和车辆转向架间距产生其他谐波成分，一旦这些频率与车辆和轨道系统的固有频率一致，则在车辆轨道和周围环境间产生相当大的激励；（4）钢轨不连续（如道岔间隙，钢轨接头间隙，低钢轨接头间隙等）产生冲击力。如果连接钢轨或焊接钢轨的长度等于车辆转向架间距，振动水平将会显著增加。

振动波传播的影响因素主要包括岩土体几何阻尼和材料阻尼。由于振动波在传播过程中不断向外扩散，几何阻尼及材料阻尼均对振动能量有一定的消耗，而波在岩土层的传播过程中始终存在这两种阻尼，所以波在传播过程中能量将不断减少。

2.振动对环境的影响

（1）振动对建筑及文物等的影响

由于振动的反复作用，长期处在振动冲击中的建筑物易出现安全隐患。在少数情况下，极高的地面振动水平或大量振动循环会引发建筑物结构损伤的风险。例如，我国新建京张高铁两次下穿八达岭长城，隧道要穿越八达岭长城世界文化遗产核心区，为避免将来对国家文物造成损害，两处下穿八达岭长城的隧道，顶部距离长城底部高分别是103米和92米，这就保证了列车运营产生的振动对长城的影响较小。

（2）振动对精密仪器的影响

一般情况下仪器的主要部件不会受到高速铁路系统振动的影响，但是存在一些对振动特别敏感的仪器。例如，著名的台南科技园区事件，其主要原因是园区晶体场的发展，需要更高的精度，对于微振动的容忍程度越来越低，受到了各界的广泛关注。

（3）振动对人的影响

高速铁路远场振动的主频主要集中在5~50Hz低频部分，而人类对振动的敏感区间为1~80Hz。由于二者较为接近，易引起人体器官的共振，进而影响人的身体健康；振动还会干扰手的操作，从而导致出错，会妨碍人的精神集中，造成判断出错等，从而降低工作、学习效率。

3.环境振动分布特点

在国外，一些交通系统比较发达的国家，对高速列车运营引起的振动对周围环境及建筑物的影响的研究也特别重视。国际上已经明确认定振动为7个典型公害之一。

(1)振动加速度随振源埋深的变化

轨道交通系统产生的振动传播和一般振动相似，也是以3种波的形式进行传播，即剪切波，压缩波和表面波。研究表明：地层表面的振动加速度值最大，随着深度的增加而衰减。在地下2m深的土层，振动加速度值衰减为地表的20%～50%；4m深衰减为10%～30%。

(2)振动加速度距轨道中心线距离的分布规律

加速度等级常用加速度级La来表示：

La=20lg(a/a0)(1)

式中：a为振动的加速度有效值；a0为加速度参考值(10-6m/s2)。

由于振动能量的扩散和土层阻尼对振动能量的吸收，高速列车运营引起的环境振动在其传播过程中将有较大衰减。理论及实测分析结果表明：环境振动的强度随至振源的距离的增大而衰减。一般认为列车运行所产生的地面振动随至线路距离增加而衰减。

贺玉龙等通过对京津城际铁路桥梁段列车运行时的环境振动进行测试，分析了高架桥环境振动Z振级随距离的衰减特性。

4.环境振动研究方法

（1）现场实测分析

李小珍等对某城际快速铁路在高架桥段引起的环境振动进行了现场实测，研究了车速等对横向和垂向振动大小的影响。毛昆明等等通过测试分析了车速、车厢数量等对沪宁城际高架桥段垂向振动大小的影响。但现场实测仍存在一些问题：a.场地实测的过程和方法不完善。如测点布置随意性较大。b.缺少对实测数据进行合理的预处理。传感器的不稳定性以及背景噪声等因素常常会对实测原始数据造成信号干扰。

（2）数值分析方法

随着计算机技术的发展，越来越多的学者采用数值分析的方法来分析环境振动。数值分析方法可以方便地模拟复杂的材料参数和几何形状，需引入人工边界条件，并保证该边界不阻挡波的传播，也不产生明显的反射波．在实际应用中，合理的人工边界很难建立，一般均将该系统分成几个组成部分，利用有限元法分析高速列车运营引起的地表振动。

方联民等研究了轨道不平顺引起的列车“站桥合一”客站耦合系统随机振动特征，提出基于虚拟激励法和有限元方法的车辆－轨道－客站耦合系统竖向随机振动模型。以天津西站为例，对列车高速运行引起的客站各楼层随机振动特性进行分析，并讨论了车致振动随车速的变化规律。

数值分析中存在的主要问题：

数值分析方法用于分析高速列车运营引起的环境振动问题时，都有其自身不可避免的缺点，对于工程或多或少地进行了一些简化，与实际工程情形有一定的差距，且较精确的数值分析需要巨大的计算工作量，故应研究更高效的数值算法，以提高计算效率。

5.结论与展望

高速列车运营引起的环境振动问题，是我们保持高速铁路交通可持续发展必然要解决的问题。尽管高速列车运营引起的环境振动问题是一个十分复杂的问题，求解难度很大，但通过以上叙述，可以得到以下有益的结论：（1）一般情况下，环境振动随振源埋深和距轨道中心线距离增加而有较大的衰减，但衰减规律受土介质分布、成分、密度等因素影响。（2）现场测试结果虽比较直接，但由于测点布置、合理的预处理等会影响到监测结果的分析等。（3）综合考虑各方面影响的大系统模型从理论上突破了传统子系统简化研究的局限性，会将城市轨道交通引起的环境振动分析研究提高到一个新的层次，但会对计算能力有很大的要求。

参考文献

[1]贺玉龙，周青，杨立中.350km/h高速铁路高架桥环境振动的测试分析[J].噪声与振动控制，2012,34(1):170-173.

[2]李小珍，刘全民，张迅，等.高架轨道交通附近自由地表振动试验研究[J].振动与冲击，2014,33(16):56-61；

[3]毛昆明，陈国兴，张杨，等.沪宁城际铁路高架桥段CRH动车组运行引起的地面振动现场测试与分析[J].防灾减灾工程学报，2012,32(3):267-273；

[4]方联民，朱志辉，王力东，等.车致“站桥合一”高速铁路客站随机振动分析[J].铁道学报，2017,39(9):117-125.

作者简介：彭也也（1992年7月—），男，湖北省天门市人，成都市西南交通大学工程环境与景观专业硕士研究生。