一种基于监测的地铁振动环境影响预测方法与流程

：
1.本发明属于环境监测技术领域，涉及一种基于监测的地铁振动环境影响预测方法。


背景技术：

2.轨道交通建设项目的环境影响问题，在世界各国均受到政府管理部门和公众的广泛关注。一些国家和机构还专门针对城市轨道交通建设项目的环境保护工作发布了相应的技术方法。城市轨道交通列车运行中产生的噪声、振动影响是环境保护工作的一个重点和难点。
3.在城市轨道交通引起的外界环境振动问题上，国外主要的预测模型为美国fta模型和fra模型，两个预测模型包括筛选模型(经验模型)、总体评价模型(经验模型)和详细分析模型(半经验模型)，包括完整的传播路径，通过大量研究工作，分析振动的传播特性。根据不同类型建筑物的减振要求，结合振动噪声的产生及传播特性，实施减振降噪措施，为地铁、建筑物等结构的设计和维护提出指导意见。
4.国内学者针对轨道交通产生的振动问题也进行了广泛而深入的研究。通常对于地铁轨道振动对周边建筑物的影响的研究方法主要是采用现场测试和有限元软件建模模拟分析相结合的方法。建模一般是通过建立车辆-隧道-土体-建筑结构理论模型进行研究，并通过动态调整模型有限元以及结合软件进行仿真计算分析。马龙祥等基于周期结构理论的车轨动力耦合模型及隧道-地层振动分析的薄片有限元-无限元耦合模型对不同车型及编组情况下的地铁运营环境振动进行分析，并以此研究了这两个因素对地铁环境振动的影响。杨尚福针对不同土体对于列车引起的振动传递、衰减的不同影响，建立了地铁列车和各结构的数值模型和声学边界元模型，分析了不同土体条件下轨道、隧道、土体、建筑物的振动响应。数值模拟方法为分析振动波的传递提供了一个很好的解决途径，但是受限于目前计算能力的限值以及土层物理性质的离散型，计算结果常常与试验结果的差值较大，因此合理的计算模型、科学的边界处理方法及相对准确的土层物理参数，是数值模拟需进一步解决的课题。现场测试工作一般针对既有普通及纵向轨道的钢轨、道床、隧道壁及周边建筑物采用现场实时监测的方法来研究城市地铁地下轨道运营期间引起周边环境振动的衰减曲线、影响范围及分布规律，通过获得的大量数据建立起经验及半经验公式，使用这些总结公式对运营期城市轨道交通线路对周边建筑物振动影响的预测和评估。近几年来，我国很多专家学者进行了大量的实测研究分析。陈俊杰利用北京某邻近地铁建筑物结构振动和二次结构噪声的现场实测数据，对比验证了数值分析模型的准确性，分析了不同楼层建筑物室内二次噪声的分布规律以及房间地板面积、房间层高和开窗面积三个因素对建筑物结构振动与二次结构噪声的影响，并提出了二次结构噪声预测方法。高广运等使用高灵敏度测试仪tromino对某中心城区拟建住宅办公楼进行了24h环境振动测试，得到了该建筑场地3个方向加速度和速度的实测数据。采用1/3倍频程分析法对实测数据进行处理后分析了不同时段场地振动变化规律，并将分析结果与国际标准iso 2631关于此类建筑场地的振动限
值进行对比分析。张群等对成都地铁1号线临近的某住宅建筑进行了室内振动和室内噪声同步测试，分析采集了不同楼层室内地板中央振动速度和室内空间声压数据，研究了地铁运行诱发的室内振动与二次结构噪声的特性及其产生的影响。张凌等实测了南昌地铁1号线隧道内约200趟列车通过邻近非减振与减振断面的振动响应。基于不同振动评价标准，从统计角度分析了不同车次列车运行对时域和频域的影响、测点位于隧道壁不同高度对振动源强值及钢弹簧浮置板减振量评价的影响。张开伟等结合某城市地铁项目，实际监测了普通整体道床轨道、纵向轨枕减振道床轨道的钢轨、道床、隧道壁等监测点及周边建筑物在轨道不同距离监测点，获得振动数据后进行梳理研究，分析了纵向轨枕减振道床轨道实际减振效果，并提出了周边建筑物减振的措施。
5.随着试验设备、方法的不断进步，现场测试已经成为科研工作者的一个重要的、不可替代的研究方法。通过现场试验研究，首先可以帮助科研人员深入了解轨道交通诱发振动的特性及传播规律，其次可以验证理论研究的准确性及适用条件，再次可以验证轨道交通中设置隔振措施的有效性，为以后的工程提供实践经验。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种基于监测的地铁振动环境影响预测方法，其能得到一定工况条件下西安地铁已运营线路的振动源强及环境振动值。
7.为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
8.一种基于监测的地铁振动环境影响预测方法，其特征在于：包括以下步骤：
9.(1)掌握地铁已运营线路的振动源强，为拟建同类项目环境影响评价工作提供必不可少的基础数据；
10.(2)开展环境振动影响监测，得到距离外轨中心线不同距离处的环境振动值；
11.(3)将现场环境振动监测数据进行处理，通过回归分析法对模式法预测参数进行校正修订，得出适用于地铁中硬土地质条件的振动地面衰减公式；
12.(4)基于振动地面衰减公式，预测一定工况下的地铁振动环境影响。
13.上述方法包括以下步骤：
14.(1)文献查阅：
15.收集国内外文献资料，了解国内外研究现状及发展趋势，掌握轨道交通振动的传播机理；
16.(2)专家咨询：
17.咨询专家，了解新导则发布的初衷和其他城市的经验做法，对地铁振动环境影响的预测参数进行讨论，明确影响振动源强的主要因素为地质条件和列车类型；
18.(3)收集资料：
19.一方面收集国内轨道交通振动及影响监测相关的标准和规范，掌握振动源强及影响监测的方法、注意事项；另一方面，收集已运营线路设计资料，主要为平、纵断面图与减振措施段落，从线路地质特征具有代表性，平、纵断面图准确，减振措施段落明晰，钢轨磨损程度小、具备布设地面监测断面的条件等因素综合考虑；
20.(4)现场监测：
21.在未采取减振措施的段落进行现场踏勘，在地铁沿线代表性地形地貌单元寻找可
以在地面布设横向断面的位置，设置监测点；随后制定振动源强监测实施方案并报送地铁运营部门，向运营部门申请在区间隧道开展振动源强监测；调查隧道断面形式、里程标记、电源设置、线路情况、列车运行速度等，开展振动源强监测；源强监测工作结束后，开展振动影响监测；
22.(5)回归法：
23.将地铁环境振动现场监测数据进行处理，运用回归法对新导则中的预测参数进行校正修订，得出适用于地铁中硬土地质条件的环境振动地面衰减公式；
24.(6)模式预测：
25.预测一定工况条件下的地铁振动环境影响。
26.振动源强监测点位于隧道壁高于轨顶1.35m处；环境振动监测点位于振动源强监测点距地铁线路外轨中心线水平距离5m、10m、20m、30m、40m的地面。
27.与现有技术相比，本发明具有的优点和效果如下：
28.本发明根据既有资料及现场实际情况，制定一套安全、合理、可行、科学的已运营轨道交通线路振动源强及影响监测方案，掌握多通道信号采集仪监测数据采集操作及数据处理方法，得到一定工况条件下西安地铁已运营线路的振动源强、地面振动衰减公式和环境振动值。
附图说明：
29.图1为区间隧道监测点位的示意图；
30.图2为地面区间监测点位的示意图；
31.图3为振动源强全天监测结果原始数据时域图；
32.图4为滑动平均后振动源强全天监测结果时域图；
33.图5为下午2时至4时30分振动源强时域图；
34.图6为连续六个截取段的振动加速度图；
35.图7为连续六个截取段的1/3倍频程谱图；
36.图8为每一段的等效连续z振级图；
37.图9为20次列车振动源强图；
38.图10为环境振动监测原始数据图；
39.图11为一元拟合回归图；
40.图12为二次拟合回归图。
具体实施方式：
41.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
42.本发明为一种基于监测的地铁振动环境影响预测方法，根据新版《环境影响评价技术导则城市轨道交通》的相关要求，对地铁已运营线路开展振动源强测试，完成以下四项内容：
43.(1)掌握地铁已运营线路的振动源强数据，为拟建同类项目环境影响评价工作提
供必不可少的基础数据；
44.(2)开展振动环境影响监测，得到距离外轨中心线不同距离处的环境振动值；
45.(3)通过回归分析法对预测参数进行校正修订，得出适用于西安地铁中硬土地质条件的振动地面衰减公式；
46.(4)基于振动地面衰减公式，预测一定工况条件下的地铁振动环境影响。
47.具体包括以下步骤：
48.(1)文献查阅：
49.收集国内外文献资料，了解国内外研究现状及发展趋势，掌握轨道交通振动的传播机理；
50.(2)专家咨询：
51.咨询专家，了解新导则发布的初衷和其他城市的经验做法，对轨道交通振动影响的预测参数进行讨论，明确影响振动源强的主要原因为地质条件和列车类型；
52.(3)收集资料：
53.一方面收集国内轨道交通振动及影响监测相关的标准和规范，掌握振动源强及影响监测的方法、注意事项；另一方面，收集已运营线路设计资料，主要为平、纵断面图与减振措施段落，从线路地质特征具有代表性，平、纵断面图准确，减振措施段落明晰，钢轨磨损程度小、具备布设地面监测断面的条件等因素综合考虑；
54.(4)现场监测：
55.在未采取减振措施的段落进行现场踏勘，在地铁沿线代表性地形地貌单元寻找可以在布设横向监测断面的位置，设置监测点；随后制定振动源强监测实施方案并报送地铁运营部门，向运营部门申请在区间隧道开展振动源强监测；调查隧道断面形式、里程标记、电源设置、线路情况、列车运行速度等，开展振动源强监测。源强监测工作结束后，开展振动影响监测；
56.(5)回归法：
57.将地铁环境振动现场监测数据进行处理，运用回归法对新导则中的预测参数进行校正修订，得出适用于西安地铁中硬土地质条件的环境振动地面衰减公式；
58.(6)模式预测：
59.预测一定工况条件下的地铁振动环境影响。
60.实施例：
61.监测范围：
62.西安市轨道交通4号线百花村-常青路区间隧道开展振动源强及影响监测，在源强监测点的地面段开展振动影响监测。
63.监测点位：
64.(1)区间隧道：隧道壁高于轨顶1.35m处(参见图1)；
65.(2)地面区间：在每个监测断面的地面距离线路水平距离5m、10m、20m、30m、40m布设监测点(参见图2)。
66.投入的监测设备：
67.(1)b&k 4513b型加速度传感器
68.质量为8.6g，灵敏度为10.21mv/ms-2
，可测频率范围为1hz～10khz，共振频率为
32khz。最大工作级值(峰值)：500g，最大冲击级值(
±
峰值)：5000g。
69.(2)b&k 4533-b型加速度传感器
70.质量8.6g，灵敏度1.02mv/ms-2
，可测频率范围为0.2hz～12.8khz，共振频率为38khz。最大工作级值(峰值)：714g，最大冲击级值(
±
峰值)：10000g。
71.(3)b&k 4535-b型加速度传感器
72.质量6g，灵敏度1mv/ms-2
，可测频率范围为0.3hz～10khz，共振频率为30khz。最大工作级值(峰值)：714g，最大冲击级值(
±
峰值)：5100g。
73.所用数据采集系统硬件为b&k公司lan-xi系列的3050-a，是一种多用途的模块化硬件系统，单模块既可以作为独立前端(6个输入通道)，也可通过局域网同步技术组成分布式系统，或是集成到插槽的机箱内(最多30个通道)。由puls软件控制硬件采集。使用交流ac、直流dc、锂电池或以太网供电(poe)，输入的频率范围有0～51.2khz，且没有数据传输量的限制。
74.(一)振动源强监测：
75.(1)前一日列车运营结束后，进入区间隧道，选择区间隧道中间位置，布设加速度传感器，接通电源，校准无误后，开启采集仪，监测点位见附图1。
76.(2)后一日列车运营结束后，进入区间隧道，检查设备连接的完好性，将数据采集仪连接电脑，检查是否采集到完整数据,得到振动源强全天监测结果原始数据时域图，见图3。
77.(3)将采集到的原始时域数据降采样至512hz(原始数据采样频率为4096hz)，然后进行滑动平均以去除趋势项，得到振动源强全天监测时域图，见图4。
78.(4)从振动源强全天监测时域图中截取下午2时至4时30分(同地面振动环境影响监测时间段)的振动源强数据，见图5。
79.(5)将每一列地铁经过时的时域数据截取出来并进行分段，见图6。
80.(6)将每一段数据经过1/3倍频程滤波器和z计权得到其对应的z计权1/3倍频程谱，见图7。
81.(7)用分频z振级计算出某列车经过时候每一段数据的z振级(vlz)，其中最大的即为该列车通过时段的最大z振级(vlzmax)，见图8。依次得到20次列车的通过时的最大z振级(vlzmax)，见图9。
82.(8)取20次列车经过的最大z振级(vlzmax)算术平均值作为振动源强，得出4号线列车振动源强为78.82db，工况条件为渭河二级阶地区，中硬土，直线段整体道床圆型隧道断面，b型车6辆编组，运行速度62-65km/h。
83.(二)地面振动环境监测及地面振动衰减公式：
84.(9)在区间隧道监测点的地面位置布设垂向监测断面，监测点见图2。
85.(10)监测到的地面振动加速度的原始数据如图10所示。
86.(11)将原始数据中每一次列车经过时振动加速度的峰值单独截取出来，并对每一段的振动加速度按照振动能量叠加原理求取均方根值。将监测时段内每列车经过时环境振动加速度的均方根值再进行算术平均，得到该断面列车振动环境的平均振动加速度，见表1。
87.表1
[0088][0089]
(12)地铁振动通过轨枕传递到隧道壁，经过衰减，传递到地面，地面环境振动影响vl
zg
＝vl
zmax
c来表示。其中，vl
zg
为地面振动的振级，vl
zmax
就是地下线列车的振动源强，c为取决于各种环境因素的修正值，主要包括车速修正，轨道承重修正，轨道类型修正，距离修正，建筑物结构修正和行车密度修正等。在上述步骤(8)所测得的地铁列车振动源强时已经考虑了车速、轨道条件、行车密度等因素。在源强已知的情况下，预测地面环境振动，只需预测距离衰减修正cd，式vl
zg
＝vl
zmax
c可以改写成式vl
zg
＝vl
zmax
cd。对于线路中心线两侧大于7.5m的测点，cd＝-8lg[β(h-1.25)] a lg r br c。在上式中，h是地下线轨顶到地面的垂直距离；β取决于地铁隧道上方土层相关的系数，具体地铁项目确定后，β和h已知，vl
zg
＝vl
zmax
cd可改写成vl
zg
＝vl
zmax-8lg[β(h-1.25)] cd，cd可简化为cd＝a lg r br c，式中a、b、c三个系数，需根据环境振动现场监测结果回归计算得到。
[0090]
(13)将步骤(12)中得到的平均振动加速度分别进行幂函数拟合和指数函数拟合，式中d为环境振动实测值的幅值比，x为测点距地铁线路外轨中心线的水平距离，a1、b1、a2和b2为系数，拟合得到的幂函数和指数函数如图11所示，并获得参数a1、b1、a2和b2，见表2，即d1＝1.392*x-0.2222
，d2＝0.9834*e-0.01307x
。
[0091]
表2幂函数拟合和指数函数拟合后的参数
[0092][0093]
(14)为了保证拟合出来的参数的精确性，对拟合后的指数函数和幂函数进行二次拟合，二次拟合后的函数为ln d＝α
1 ln d1 α
2 ln d2，见图12，式中d为环境振动实测值的幅值比a/a0，d1为幂函数，d2为指数函数。α1和α2均为待定常数。在距线路中心线r处，取幂函数曲线和指数函数曲线上d1和d2，分别与实测的d的差值分别为：mi＝|d
i-d
1i
|、ni＝|d
i-d
2i
|，为使复合回归值尽可能更好地符合实测值，第二次拟合α
1i
、α
2i
的取值要根据振幅差mi和ni的大小确定。如mi振幅差小，说明幂函数曲线上的对应值靠近实测值，则取值比例α
1i
要大，反之则小。α
1i
、α
2i
的取值按下式计算。
[0094][0095][0096]
对于i＝n个测点，则α
1i
、α
2i
要取算术平均值，算出来的结果即为α1和α2，如下式所示。
[0097][0098][0099]
其中α1 α2＝1，将系数拟合平均后可得α1和α2。经过上述计算后，算出的α1和α2分别为0.494和0.506，即ln d＝0.494ln d1 0.506ln d2。
[0100]
(15)将d1＝a1*x
b1
和d2＝a2*e
b2x
带入ln d＝α
1 ln d1 α
2 ln d2中，还原消除对数，得到将步骤(13)得到的a1、b1、a2、b2和步骤(14)得到的α1、α2代入，得到d＝1.2248r-0.1404
·
e-0.0048r
，取对数，得到地面振动衰减公式cd＝20lgd＝-6.458lg r-0.0736r 4.4102。
[0101]
(三)振动环境影响预测
[0102]
(16)将步骤(15)中得到的地面振动衰减公示代入步骤(12)，得到一定工况条件下距地铁外轨中心线两侧7.5m外地面环境振动影响预测公式为
[0103]
vl
zg
＝vl
zmax-8lg[β(h-1.25)]-6.458lg r-0.0736r 4.4102。
[0104]
(17)在中硬土条件下，直线段整体道床圆型隧道断面b型车6辆编组，运行速度62-65km/h情况下，利用步骤(8)测得的振动源强，通过步骤(16)得到的公式预测不同埋深、不同距离的地铁环境振动影响，预测结果见表3。
[0105]
表3地铁振动环境影响预测表 单位db
[0106][0107]
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡是利用本发明的说明书及附图内容所做的等同结构变化，均应包含在发明的专利保护范围内。