2017, Vol. 32
2. 中海油研究总院, 北京 100027
3. 北京中科联衡科技有限公司, 北京 100029
2. Research Institute of CNOOC, Beijing 100027, China
3. Sino-Lionheart Technology Co., Ltd, Beijing 100029, China
随着高速铁路的迅速发展，列车高速运行所引起的振动噪声和电磁辐射对线路两侧环境的影响越来越引起人们的关心.高速铁路引起的环境振动的研究已成为学术界和各国政府十分关心的一个课题.交通振动由于其可以引起建筑及工程结构安全破话以及对沿线居民的生产生活的负面影响，已然被列入了世界七大环境公害之一 (Melke and Kramer, 1983；Ditzel et al., 2001).普遍认为高速铁路、重载铁路所引起的环境振动具有以下基本特征：振动的大部分能量沿地表传播，强度介于微震与弱震之间，传播距离在2~3 km以上 (李丽等，2004；韩忠东等, 2006)，垂直振动大于水平振动，振动频率在1~90 Hz之间，峰值大多出现在低频6 Hz左右、中频16~20 Hz间、高频40~50 Hz间 (Okumura and Kuno, 1991；Hung and Yan, 2001).对于列车运行引起的振动噪声，许多学者都进行过模型数值模拟及地质力学等方面的分析 (Forrest，1999; Forrest and Hunt, 2006)，但长时间以来并未见到大规模的与之相关的实际数据的采集与分析.
1 信号采集与分析 1.1 测线布设与数据观测2013年4月，使用了1038个高精度数字地震采集站在京津高铁廊坊段进行了高铁列车运行地表振动观测试验.受观测条件限制，共布设了三条测线，如图 1所示，一条位于轨道高架桥正下方 (测线A)，共372个测点，相邻两个桥墩的距离为33 m，每个桥墩旁都放置一个检波器，每两个桥墩中央也放置一个检波器，故测点间距为16.5 m，测线长6138 m，另外一条测线垂直于轨道布设 (测线B)，共66个测点，点距15 m，测线长990 m，第三条测线倾斜分布在轨道一侧 (测线C)，共600个测点，道间距10 m，测线长6000 m，离轨道最近处约1.5 km，最远处约4 km.3条测线共1038个检波点连续记录8天，记录到大量高速列车行驶时所引起的地表振动.
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图 1 测点位置投影图 Figure 1 Observation points arrangement |
通过对记录的回放分析，我们发现，列车行驶到达测区时，A、B两条测线对应的记录可见明显振动信号，垂直轨道的B线66个测点990 m测线上均有明显的列车行驶引起的地面振动 (见图 2)，这表明高铁高架轨道结构在列车通过时产生的振动演地表传播距离远在1 km以上，C线对应记录中，距离轨道较近的道 (2~3 km) 上有明显与列车行驶相关的振动记录，约有80%的列车车次通过测区时C线记录上出现明显与高铁运行相关的振动信号记录，如图 3所示，该信号明显区别于A线和B线的振动记录，首先，它不是持续出现在列车位于测区的整个时间段内，而是来源于持续的若干点振动的响应记录，这些振动应该是与列车运行过程中的某些特定颠簸动作相关，这也是不是所有列车通过时在C线记录上都有与之相关的振动记录的原因；其次，各道走时时差远远小于A、B测线上振动记录的走时时差，这意味着振动能量是通过高速传播到达C线的.使用A线的某道记录与C线记录进行长时互相关，可以得到具有很高信噪比的以A线该点为震源点的虚震源记录，由于篇幅所限，其结果将另文介绍.
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图 2 列车通过时垂直轨道布设的B测线接收到的90 s振动记录 Figure 2 The 90 seconds record of vibration signals received by survey line B which is perpendicular to the orbital when the train through |
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图 3 列车通过A测线时C测线接收到的振动信号 Figure 3 The vibration signals recorded by survey line C when the train through survey line A |
由于列车通过A线需要一分钟以上时间，为便于对比分析，可以将各道振动信号通过线性动校正移动到同一时刻，这就需要首先进行列车车速的计算.最简便的方法是通过各道振动信号的能量峰值进行到达时刻的线性拟合，但由于各道数据可能存在野值，自动提取峰值时需要进行约束，否则将影响拟合结果 (如图 4a所示).为实现快速线性拟合与动校正，尝试使用提取互相关数据峰值时刻方法进行线性拟合.各道数据与首道的互相关数据其峰值仅与列车到时有关，不会受到噪声等数据野值的干扰.如图 4b所示，我们使用互相关数据进行线性拟合后所计算出的列车车速更接近列车运行的真实速度.
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图 4 (a) 根据某次列车经过时324个检波点信号的峰值时刻拟合计算的列车速度，因受到野值干扰，部分道的峰值数据采样时刻与列车经过时刻无关，影响拟合及车速计算；(b) 使用324道数据各道与首道互相关数据的峰值重新拟合计算车速，从互相关数据中提取峰值，可以避免野值的干扰，更加准确 Figure 4 (a) The linear fit result and the calculated train speed by 324 peak times in the vibrations data caused by one train passing, because of the interference of outliers, some peak times are unrelated to the train passing time, linear fit and speed calculation are influenced; (b) The new linear fit and speed calculation result using the cross-correlation data of each channel data and the first channel, outlier interference is avoided, speed calculation is more accurate |
使用拟合后的列车到达时刻进行线性动校正后数据见图 5所示，对振动信号进行频谱分析，结果见图 6.图 6中不同颜色的频谱曲线对应图 5中选取的相应颜色时窗内的振动数据，从图中可以看出，振动信号主能量频带较宽，分布在20至80 Hz，需要注意的是，在列车通过时及通过后的十几秒钟之内 (不同位置处持续时间不同)，都存在频率约为10 Hz的简谐波信号 (黑色、绿色及深蓝色的数据窗口)，可能和轨道及桥梁结构的共振有关.
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图 5 使用从图 4b拟合后的列车到达时刻进行线性动校正 Figure 5 The linear correction using the train passing time fitted in fig.4b |
1.3 振动信号一致性分析
列车通过所高架轨道所引起的振动是一个受许多因素控制的复杂信号，从其基本过程可以分解为四个重要影响因素：不同条件的列车运行、不同的轨道、不同的高架结构、不同的地表接收条件.列车通过时，车轮与轨道的不规则接触引发轨道振动，传递至高架结构，并被不同的地表位置处的检波点所接收.从最终接收数据可以获取同次列车不同接收位置以及同一位置不同次列车通过的数据记录，以此简要分析振动影响因素.
同此列车不同检波点位置处的振动记录如图 7a所示，可以看出振动波形的一致性不好，而计算其信号的最大互相关系数 (图 9a) 可见除少量信号之间可达0.6至0.7外，普遍在0.5以下.该路线所有通过列车均为客运高铁列车，车型分为8节车厢车型和16节车厢车型两种，选取2014年4月23日，上午10时至晚上24时的50列同方向8节车厢列车，如图 7b所示，波形具有很好的一致性，选取两次列车振动信号进行波形对比，结果如图 8所示，最大互相关系数计算结果见图 9b，有大量的两道对比互相关系数可达0.8及0.9以上，而从图 7b信号特征可以看出，由于车速不同而使得振动波形在时间分布上有一定差异，如果根据车速进行信号校正则可能得出更大的相关系数.
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图 7 图 5所示数据的前50道，为某次列车通过测线A时前50个不同观测点记录到的波形记录，可以看出同一次列车引起的不同检波点处的振动波形一致性差; (b) 从50次列车经过时产生的振动数据中抽取的各自第80道数据，代表第80个观测点处记录到的不同次列车产生的振动，波形具有很好的一致性 Figure 7 (a) The first 50 vibration waveform of the data in fig. 5, the waveform record from the first 50 different observation points when a train passing through the line A from which we can see that the vibration waveform from different positions has pretty bad consistency; (b) The extracted eightieth waveforms from the vibration data when 50 trains passing, which represents the vibration at the eightieth observation point caused by different trains, from which we can see that the vibration waveform from the same position has good consistency |
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图 8 相同位置处先后经过的2次不同列车产生的振动信号对比 Figure 8 The comparison of vibration signals caused by two different train running through the same observation point |
对比分析图 7至图 9所示的同次列车不同位置与同一位置不同列车通过的数据记录可见，由于该段经过的均为载重、车速相差不大的客车，不同列车对振动记录影响不大，同次列车在各点处振动记录明显不同的原因应该是各点处轨道结构，高架结构以及接收条件不同.相邻接收点处振动记录具有很大的差异，这表明轨道及高架结构的细微变化也会引起振动的明显差异.
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图 9 (a) 图 7a所示的同次列车不同检波点位置处数据各道信号的最大互相关系数计算; (b) 图 7b所示的同一位置不同列车经过数据的最大互相关系数图 Figure 9 (a) Maximum cross-correlation coefficients of data shown in fig. 7a which represents the vibration waveform caused by the same train but from different positions; (b) Maximum cross-correlation coefficients of data shown in fig. 7b which represents the vibration waveform caused by different trains but from the same position |
从垂直轨道及远离轨道测线的数据记录可以发现，列车振动直接沿地表传播的距离远在1 km以上.
2.2列车行驶引起的地表振动信号频带较宽，基本在20~80 Hz，在列车通过时及通过后的十几秒钟之内，都存在频率约为10 Hz的简谐波信号，可能和轨道及桥梁结构的共振有关.
2.3由于同一观测位置处不同列车通过产生的振动波形具有较好的一致性，而位置稍改变会引起振动波形的很大改变，原因是轨道及高架结构的差异，据此可以利用长期观测数据来作为轨道及高架结构失稳变化的预警.
致谢 感谢审稿专家提出的修改意见和编辑部的大力支持！| [] | Ditzel A, Herman G, Hölscher P. 2001. Elastic waves generated by high-speed trains[J]. Journal of Computational Acoustics, 9(3): 833–840. DOI:10.1142/S0218396X01001133 |
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