宁波轨道交通轨道振动预测研究及优化

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宁波轨道交通轨道振动预测研究及优化

程　烨，刘郑琦

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京　100055)

摘　要：在轨道交通初步设计阶段地下线轨道减振设计中，对距外轨中心线两侧10～60 m范围内的环境敏感点，往往采用踏勘、工程类比等经验方法进行设计，具有一定的误差。在采用《环境影响评价技术导则 城市轨道交通》(HJ453—2008)振动预测模型的基础上，参考北京、上海等城市的经验，研究适用于宁波轨道交通地下线轨道振动预测模型，并采用计算机语言实现预测模型程序化以提高设计效率。在初步设计阶段，振动预测的标准化、自动化，对稳定区间轨道高度，细化概算投资，减少设计反复具有重要意义。

关键词：城市轨道交通；地下线；振动预测；计算机程序

在城市轨道交通初步设计阶段，轨道减振设计多根据沿线踏勘调研、建筑物离线路距离、工程类比等因素进行设计，存在着一定误差，无法对减振方案、区间轨道高度、概算投资提供严谨的设计输入，甚至在环评报告批复后产生较大的设计反复。

城市轨道交通振动的产生和传播与列车的构造、行车速度、轨道及隧道结构、沿线地质条件等诸多因素有关。本文在采用《环境影响评价技术导则 城市轨道交通》(HJ453—2008)(下简称《导则》)振动预测模型的基础上，参考其他城市有益经验，完善《导则》修正量取值范围较大等不便，研究适用于宁波轨道交通地下线轨道振动预测方法，并采用计算机语言实现预测过程程序化以提高设计效率。

1　振动环境预测

1.1　预测范围

城市轨道交通地下线多经过学校、居民区、医院、实验室等地段，需要采取一定的减振措施以减小列车运行对沿线环境敏感点的影响，避免居民投诉[1]。《导则》8.1.4条[2]规定，列车运营期间振动预测包括对距外轨中心线两侧10～60 m范围内敏感点振动预测、隧道垂直上方至外轨中心线两侧10 m范围内敏感点二次结构噪声预测(线路下穿敏感点)、距外轨中心线两侧60 m范围内文保目标振动速度预测。

地下线在选线初期就多沿既有道路或规划道路敷设，尽量避开文保目标，故线路直接下穿敏感点、靠近文保目标等情况较少，即使存在以上情况，往往采用较高级别减振措施，措施技术成熟，方案稳定，变数不大。然而，距外轨中心线两侧10～60 m范围内分布着沿线超九成的敏感点，且敏感点种类繁多，住宅、商业、学校等星罗密布，振动预测工作量最为繁琐，工况最为复杂，对轨道减振设计影响最大，故本次研究以此为重点。

1.2　预测公式及参数

《导则》附录C推荐了列车运行时振动的基本预测模型，该模型在运用过程中也存在很多不足[3]，例如没有明确振源取值、未考虑线路曲线修正等。本文以预测敏感点垂向Z振级最大值VLzmax为评价量，参考北京、上海等振动预测经验[4-6]，研究适用于宁波轨道交通地下线轨道振动预测模型。

宁波轨道交通不同线路间地下线轨道结构、设计参数保持一致，车辆为B型车(轴重≤14 t)，6节编组，普通地段采用60 kg/m钢轨、弹性扣件、预应力混凝土长枕式整体道床。

1.2.1　振动预测公式

依据《导致》中预测模型和预测思路，现提出列车运行时敏感点垂向Z振级最大值VLzmax预测式，见式(1)和式(2)。在该模型中，振动预测结果是在振动源强上考虑不同工况条件加以修正而得到的。

(1)

(2)

式中　VLzmax——敏感点垂向Z振级最大值，dB；

VLzmax，0——列车振动源强，dB；

C——修正项，包括：速度修正CV、轴重修正CW、轨道结构修正CL、轮轨条件修正CR、隧道结构修正CH、距离修正CD、建筑物类型修正CB及曲线修正CQ，单位均为dB。

1.2.2　修正参数

(1)振动源强VLzmax，0。源强的确定主要有3种方法，一种是采用地方标准，如《北京市地铁噪声与振动控制规范》(DB11/T838—2011)；一种是运营线路实测数据，如广州地铁；一种是利用已有资料，目前大部分城市轨道交通采用该种方法[7]。

宁波轨道交通目前没有针对轨道振动预测的地方标准或指导性文件，1号线一期、2号线一期已运营，但其车辆满载率较低，且运营时间较短实测数据较少，无法利用现有数据作为振动源强取值依据。上海与宁波同处长江三角洲地区，均为冲积平原，土层地质特点类似，且上海轨道交通运营多年，地铁振动从规范到实测都有着丰富的经验，故本次所用振动源强取值将依据宁波前期线路环评情况，引入上海经验。

《城市轨道交通振动和噪声控制简明手册》3.1.2[8]条列出了上海地铁运行振动源强，见表1，表中数据基于现场测试数据得到，对应的轨道条件为：列车速度60 km/h，线路采用60 kg/m钢轨，无缝线路，弹性扣件和普通整体道床。

表1　轨道交通车辆运行振动源源强(铅垂向最大Z振级)

线路名称车型列车编组/节轴重/t列车速度/(km/h)测点距轨道距离d/m振动级VLzmax/dB上海地铁1号线A6≤16600.587.4

《上海市城市快速轨道交通近期建设规划(2010～2020年)环境影响报告书》中上海地铁地下段列车振动源强采用87.4 dB[9]。

综上，确定宁波市轨道交通地下线振动源强为VLzmax，0=87.4 dB。

(2)速度修正CV。CV=20lg(v/v0)，其中：v0为源强参考速度，可知v0=60 km/h；v为接近敏感点对应区段列车通过时的平均运行速度。

(3)轴重修正CW。CW=20lg(w/w0)，其中：w0为源强参考轴重，可取w0=16 t；w为所预测车辆轴重，w=14 t。

(4)普通地段轨道结构为预应力混凝土长枕式整体道床，无缝线路，车轮圆整，钢轨表面平顺，隧道结构为单圆单线，则轨道结构修正CL、轮轨条件修正CR、隧道结构修正CH均为0。

(5)距离修正CD。敏感点至外轨中心线水平距离大于5 m时，CD=-20lgR+12，其中：R为敏感点至轨顶面外轨中心线的直线距离，R=sqrt(L2+H2)，L，H分别为敏感点至外轨中心线水平距离、至轨顶面垂直距离。

轨道减振措施需涵盖振动最不利情况并延伸一定长度，考虑到沿线多为一定规模的居民区、商业区，故L取值为敏感点至外轨中心线水平最近距离，H取值为敏感点处隧道埋深，可由线路平纵断面图得到。

(6)建筑物类型修正CB。根据《导则》可知，Ⅰ类、Ⅱ类建筑物对应修正值波动较大，且均为负值，使得振动预测结果偏小；Ⅲ类建筑物对应修正值为-3～+3 dB，工程实施过程中Ⅲ类建筑物多考虑拆迁。

对于居住区，应取值保守，充分留有设计余量，避免居民投诉[10]，对于Ⅰ类、Ⅱ类建筑物，CB可取0[11]，对于不拆迁的Ⅲ类建筑物，CB取+3。

(7)曲线修正CQ。《导则》中未考虑线路曲线地段对振动的影响，曲线地段钢轨磨耗会加重列车通过时的振动[12]。宁波经济发达，中心城区商业、住宅密布，地下水系、河流丰富，且历史文化遗址较多，故轨道交通线路小半径曲线较多，振动预测曲线修正不能忽略。

参考北京市地方标准《北京市地铁噪声与振动控制规范》(DB11/T 838—2011)[13]，当线路为直道或弯道曲线半径R>2 000 m时，修正量为0 dB；当线路为弯道500 m

代入参数，经整理后，可知轨道振动预测模型如下

VLzmax=98.24+20lg(v/60)-

(3)

2　振动预测模型计算及程序实现

2.1　振动预测模型计算

宁波已运营地铁线路1号线一期、2号线一期工程缺乏实测数据，在建项目3号线一期工程、4号线工程、5号线一期工程环评报告已公示。

施工图设计阶段轨道减振设计应以环评报告的预测为依据，因而初步设计阶段利用精确度较高的振动预测模型可以极大地提高设计效率[14]。利用本文振动预测模型对宁波轨道交通在建项目敏感点进行预测，并将计算结果与对应环评报告进行对比[15-17]，结果见表2。其中，敏感点编号取自环评报告，建筑物类型通过沿线调研综合判定。

表2　宁波地铁振动预测模型与各工程环评预测结果对比

项目3号线一期工程4号线工程5号线一期工程敏感点编号1725V57V77V33V46振动源强/dB84.287.4建筑物类型相对线路位置/m运行速度/(km/h)水平最近距离隧道埋深振动模型环评报告Ⅱ10.926.55960Ⅱ49.221.95755Ⅲ15.6177580Ⅰ59.4217180Ⅱ10.5167680Ⅰ37.8177180线路情况振动模型环评报告直线地段直线地段直线地段曲线半径R=800m曲线半径R=2000m曲线半径R=350m未考虑预测结果VLzmax/dB振动模型环评报告差值68.966.0+2.963.059.8+3.275.974.6+1.364.766.9-2.275.776.8-0.969.470.5-0.9

3号线一期工程环评报告振动源强对应的轨道条件、测点距轨道距离等与本文模型相同，但其取值为84.2 dB，比本模型低3.2 dB。报告中敏感点附近列车运行速度接近于真实情况，也考虑了曲线修正，预测结果比本文模型预测结果低约3 dB，主要是振动源强取值较低造成的。

4号线工程、5号线一期工程环评报告振动源强参考了上海轨道交通，取值、轨道条件等与本文模型相同。环评报告所用运行速度均取设计最高时速，且没有考虑曲线修正，本文模型预测结果与报告预测结果基本一致，其误差范围约为-2～+1 dB。

各线环评报告所用源强、修正条件等不同，使得宁波轨道交通不同线路间地下线轨道减振设计有所差异，不利于线网设计标准、减振措施的统一。

对距外轨中心线两侧10～60 m范围内的敏感点，本模型预测结果与上述环评报告预测结果基本一致，其误差范围较小，具有一定精度，足以满足初步设计阶段轨道减振设计的使用要求，也对宁波后续线路地下线轨道振动预测提供有益的参考。

2.2　振动预测模型程序实现

通过输入敏感点对应区段列车通过时的平均运行速度v，敏感点距外轨中心线水平最近距离、隧道埋深L、H，通过踏勘、调研判断建筑物类型修正CB以及通过线路条件判断曲线修正CQ，可计算得出敏感点因列车运行产生的垂向Z振级最大值VLzmax。对该过程进行程序化设计，分为3部分即输入数据、判断参数及计算振动预测值，其流程如图1所示。

图1　振动预测模型程序化流程

通过常用计算机语言，利用预测模型程序化流程即可实现振动预测程序化、智能化。选取5号线一期工程V46敏感点为例，输入运行速度、距离要素、建筑

物类型，通过敏感点所处曲线半径大小判断出曲线修正后，即可由计算机输出振动预测值为69.4 dB。

3　结论

在《环境影响评价技术导则 城市轨道交通》(HJ453—2008)振动预测模型的基础上，总结、优化并得出了适合宁波轨道交通地下线轨道振动预测模型，实现预测过程程序化，主要结论如下。

(1)《导则》中推荐的振动预测模型具有一定局限性，应结合振动测试、参数优化等有益经验，并结合工程所在地实际情况得出相适应的振动预测模型。

(2)振动预测模型预测结果应尽量接近环评报告，得出具有一定精度的振动预测模型，对后期线路初步设计阶段轨道减振设计具有极大的参考价值。

(3)振动预测是在确定振动源强的基础上，考虑不同工况条件加以修正而得到，采用计算机语言将振动预测程序化可大大提高设计效率，减少人工计算出现的各种失误。

参考文献：

[1]王羽杰.广州地铁4号线北延段工程轨道减振方案比选[J].铁道标准设计，2012(11)：15-18.

[2]中华人民共和国环境保护部.HJ453—2008环境影响评价技术导则 城市轨道交通[S].北京:中国环境科学出版社，2008.

[3]李宪同，张斌，户文成，等.北京地铁环境振动预测中源强选取的研究[J].城市轨道交通研究，2012，15(8):80-83.

[4]高广运，朱林圆，李卫华，等.上海地铁1号线人民广场振动测试与分析[J].地震工程学报，2014(3):429-433.

[5]孙麒云，张鹤年.城市轨道交通引起的地面振动实测与分析[J].铁道标准设计，2011(7):98-101.

[6]李宪同，张斌，户文成，等.北京地铁环境振动预测中源强选取的研究[J].城市轨道交通研究，2012，15(8):80-83.

[7]辜小安.城市轨道交通环境影响评价中地下线路振动源强取值存在的问题与建议[J].铁路节能环保与安全卫生，2013，3(5):211-216.

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[11]谢咏梅，刘扬，辜小安.城市轨道交通地下线振动环境影响分析[J].都市快轨交通，2012，25(2):59-63.

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[16]宁波市环境保护科学研究设计院.宁波市轨道交通4号线工程环境影响报告书[R].宁波:宁波市轨道交通集团有限公司，2015.

[17]宁波市环境保护科学研究设计院.宁波市轨道交通5号线一期工程环境影响报告书[R].宁波:宁波市轨道交通集团有限公司，2016.

Research and Optimization of Track Vibration Prediction of Ningbo Rail Transit

CHENG Ye，LIU Zheng-qi

(China Railway Engineering Consulting Group Co.，Ltd.，Beijing 100055，China)

Abstract：In the vibration-reduction design of underground track at preliminary design stage of urban rail transit，the reconnaissance，engineering analogy and other empirical methods are often adopted to address the environmentally sensitive points within the range of 10～60 m away from the outer rail on both sides of the center line，which may have a certain error.Based on vibration-reduction model of Guidelines，this paper is to study the vibration-reduction methods applied to underground track of Ningbo rail transit with reference to the experiences of Beijing，Shanghai and other cities，and use computer language to fulfill programmed prediction model for better design efficiency.At the preliminary design stage，standardization and automation of vibration prediction play an important rule in stabilizing track structure height，and specifying investment budget，and reducing repeated design.

Key words：Urban rail transit; Underground line; Vibration prediction; Computer program

收稿日期：2016-03-21；

修回日期：2016-05-04

基金项目：宁波轨道交通减振降噪专题研究(SJ5111)

作者简介：程　烨(1985—)，男，工程师，2008年毕业于北京航空航天大学，E-mail:[e-mail]。

文章编号：1004-2954(2016)10-0001-03

中图分类号：U213.2

文献标识码：A

DOI：10.13238/j.issn.1004-2954.2016.10.001