隧道内脉冲激励下地层振动传递特性分析

隧道内脉冲激励下地层振动传递特性分析

摘要： 在社会经济水平提高、城市交通体系日益完善的背景下，地铁事业高速发展，地铁在运营过程中难免会引起振动。基于此，为促进地铁事业的长远发展，本文对隧道内脉冲激励下地层振动传递特性进行分析，以期为轨道减振等工作提供参考。

关键词：隧道内脉冲激励作用；地层振动；传递特性

引言：随着城市轨道交通事业的发展，人们越发关注地铁运营过程中造成的地面振动问题。为给轨道减振、地下振动控制等工作提供科学有效支持，应对隧道内脉冲激励作用下的地层振动传递特性进行分析，从而优化地铁运营环境环境。

1准备实验设备和装置

首先，实验环境。隧道为双层结构，净宽、净高均为4m，底板埋深分别为10m、18m，双层结构的重叠处土层厚度为4m，壁厚0.55m。具体实验场地如图1所示：

图 1 实验环境及数据

其次，自动落锤激励装置。为模拟轨道内脉冲激励作用，保证实验有效性，自动落锤激励装置应满足四点要求。具体有：①该装置在隧道中能够带来较大能量振动，振动能量能够传达至地面即可，即能够在地面上感受到振动响应；②装置具有良好频谱特性和锤击力时程；③具有较强灵活性，便于拆卸；④能够根据实验需求对落距和锤体质量进行调整^[1]。

最后，信息采集等测试设备。在开展该实验时，需要应用高精度数据采集仪负责信息数据的采集工作，在对隧道内部振动情况进行检测时，主要使用灵敏度为1496mV/g的Lance AS 0156压电加速度传感器，而地面振动情况检测使用压电式加速度传感器，进而满足实验需求。

2开展分析实验

2.1实验方案

在隧道内脉冲激励作用的影响下，土层受到的振动主要来自于隧道结构，该结构即为振源体，所以其振动为整体振动，那么隧道壁加速度和地面测点加速度分别为输入与输出。所以，实验方案为：使用自动落锤激励装置开展锤击试验触发方式，地面振动频率和采样频率分别为0Hz-200Hz、800Hz，共触发4次。其中，锤头为铝制品，在自动落锤激励系统的控制下，落锤质量为73kg，距离为20cm，在实验场地地下一层处对雷达2000轨道钢轨进行锤击作业，对地下振源进行模拟。

2.2布置检测点

在对检测点进行布置时，主要将其布置在地面和地下一层，从而在实验开展过程中能够采集并记录加速度垂向数据。其中，对于隧道内检测点，将其布置在隧道壁上，具体位置与隧道基底相距1.5m；而地面检测点与锤击点有关，将其布置

在锤击点投射在地面点的正上方。

3.试验结果与分析

3.1分析时程和频谱

对实验过程中的加速度时程信号进行整理，在该实验方案下，隧道结构测点加速度垂向时程和频谱幅值曲线变化情况如图2所示：

图 2 隧道结构测点加速度垂向时程和频谱幅值曲线

地面测点加速度垂向时程和频谱幅值曲线如图3所示：

图 3地面测点加速度垂向时程和频谱幅值曲线

由图2与图3曲线与数值变化情况可见，在自动落锤激励装置和系统的作用下，该装置能够模拟隧道内脉冲激励作用，在隧道内引起较大振动，满足该实验需求。在内脉冲激励的作用下，隧道结构与地面之间的加速度垂向时程由800mm/s²的峰值最终削弱至150mm/s²，共衰减了81.25%，这意味着地层极大的衰减了该振动，隧道与地面之间的土体具有很强的衰减作用。在30Hz附近频段的隧道结构到地面之间振动加速度呈明显放大现象，但其他频段均为不同程度的衰减。

3.2分析地层振动响应传递函数

该函数主要是通过其输入和输出振动信号分析振动频率响应相关内容的过程，该函数直观反映了该系统的振动响应传递特性，而且，该特性主要取决于系统自身，无关输入。假设系统输入振动信号和输出振动信号分别为x（t）和y（t），那么该函数定义为输出信号和输入信号的傅里叶变换Y（ω）进而X（ω）之间的比。除此之外，还可以利用输出信号与输入信号的互功率谱P_xy（ω）与输入信号的自功率谱P_xx（ω）之间的比，从而获得该响应传递函数H_xy（ω），其表达式为：H_xy（ω）=Y（ω）/X（ω）=P_xy（ω）/P_xx（ω）。那么地层振动响应相干函数则为：r_xy²（ω）=|P_xy（ω）|²/（P_xx（ω）·P_yy（ω）），其中，r_xy²为相干函数；P_xx（ω）为输入信号的自动率谱；P_yy（ω）为输出信号的自动率谱；P_xy（ω）为互功率谱。若是最终振动响应相干函数＜1，意味着存在其他不相关输入，或是系统具有非线性特性。

3.3分析1/3倍频程加速度级与传递损失

对于振动频率带宽而言，1/3倍频程谱能够直观展现其分布情况，所以，对时程数据进行处理，并对各频段传递损失L_I进行振动传递特性的评价，表达式为：L_I=V_aL_I-V_aL₂=20lg（a₁/a₀）-20lg（a₂/a₀）=20lg(a₁/a₂)，其中，a0为振动加速度，参数为10^-6m/s²，a₁和a₂分别为振动路径上检测点加速度有效值。在具体实验过程中，30Hz附近为隧道结构与地面1/3倍频程加速度级曲线的交点，且曲线距离随着向0Hz和200Hz延伸而逐渐增大。对于隧道结构与地面1/3倍频程加速度级传递损失曲线为V形，30z处传递损失最小，这意味着该频段具有振动放大作用

^[2]。

2.4结论

如上图及相关数据可知，可得到以下结论：①在振动加速度传递至地面后，其参数从800mm/s²衰减至150mm/s²，地层具有良好衰减作用；②隧道结构到地面之间的相关响应传递函数普遍＜0.4，30Hz处函数幅值在1以上，因此，对于该频谱的振动，地层具有放大作用；③传递损失在30Hz附近最小。

结论：综上所述，地铁运营引发的地面振动对人们日常生活具有一定影响，所以，在地铁交通体系中，应选择自振频率在30Hz左右的梯形轨枕或先锋扣件系统，从而实现振动量的有效控制。

参考文献：

[1]侯博文,李佳静,高亮,等.基于脉冲激励下钢轨振动响应的扣件失效识别方法[J].工程力学,2021,38(02):122-133.

[2]周园园,陈安军.矩形脉冲激励下悬挂减振系统易损件冲击特性[J].噪声与振动控制,2018,38(05):71-74+118.