謝鎣松李 莉汪龍兵

（1.同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，201804，上海；2.蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司，215004，蘇州∥第一作者，碩士研究生）

地鐵振動(dòng)對(duì)精密儀器的影響預(yù)測(cè)和對(duì)策研究*

謝鎣松1李 莉1汪龍兵2

（1.同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，201804，上海；2.蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司，215004，蘇州∥第一作者，碩士研究生）

某儀器場(chǎng)臨近規(guī)劃地鐵線路，需要考慮地鐵運(yùn)營(yíng)后對(duì)廠內(nèi)精度要求很高的三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x器的影響及相應(yīng)的隔振措施，在已運(yùn)營(yíng)線路不同軌道隔振地段臨線不同距離內(nèi)，按國(guó)家和國(guó)際精密儀器振動(dòng)評(píng)價(jià)參數(shù)，對(duì)地鐵運(yùn)行時(shí)地面的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了測(cè)試，分析其對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的振動(dòng)影響。結(jié)果表明，在不同軌道隔振區(qū)段臨線一定范圍內(nèi)，地鐵運(yùn)行時(shí)的地面振動(dòng)均不滿足通用振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)級(jí)的要求；浮置板軌道的位移峰值已超過(guò)國(guó)標(biāo)限值；同時(shí)驗(yàn)證了振動(dòng)放大區(qū)的存在。建議針對(duì)該精密儀器采取防微振措施。

地鐵；精密儀器；微振動(dòng)；振動(dòng)評(píng)價(jià)

First-author＇s address Institute of Railway and Urban Mass Transit，Tongji University，201804，Shanghai，China隨著城市軌道交通網(wǎng)的建設(shè)，精密儀器使用場(chǎng)所所在的區(qū)域難免會(huì)有地鐵穿過(guò)。地鐵運(yùn)行會(huì)引起軌道和隧道結(jié)構(gòu)振動(dòng)，其振動(dòng)輻射進(jìn)入隧道周圍的土體，再由土體進(jìn)入建筑。而精密及超精密儀器對(duì)使用環(huán)境的振動(dòng)要求比較嚴(yán)格振動(dòng)對(duì)精密儀器的正常使用影響十分突出，會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)測(cè)量不準(zhǔn)確、信噪比差、重復(fù)性低、無(wú)法正常工作等問(wèn)題［1］。在上海，軌道交通2號(hào)線東延伸區(qū)段在設(shè)計(jì)規(guī)劃和建設(shè)期間也曾遇到相似的問(wèn)題［2］。微振動(dòng)已經(jīng)成為影響精密設(shè)備使用的關(guān)鍵性因素之一。

目前，我國(guó)并沒(méi)有專門的電子工業(yè)防微振技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)超精密實(shí)驗(yàn)加工環(huán)境振動(dòng)的研究尚在起步階段［3-8］。因此，進(jìn)行地鐵振動(dòng)對(duì)精密儀器的影響預(yù)測(cè)和對(duì)策研究，具有非常重要的工程實(shí)用價(jià)值。

本文以某新建地鐵線規(guī)劃途徑某精密儀器廠內(nèi)對(duì)微振動(dòng)最敏感的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)作為研究對(duì)象，用國(guó)家和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，為預(yù)測(cè)地鐵振動(dòng)對(duì)該類使用精度要求高的精密儀器的影響提供參考。

1　精密儀器振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)及比較

1.1建筑工程容許振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)GB 50868—2013《建筑工程容許振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》第4.1.3條規(guī)定，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量精度ε≤1.0×10-6L。其中，L為坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的最大量程。其不同頻率下的容許振動(dòng)值如表1所示。

表1　三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)頻域范圍的容許振動(dòng)值

1.2通用振動(dòng)（VC）標(biāo)準(zhǔn)

VC標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)際上廣為接受的儀器容許振動(dòng)等級(jí)。該指標(biāo)以V三分之一倍頻程內(nèi)的振動(dòng)速度有效值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，劃分為VC-A到VC-G七個(gè)級(jí)別。VC曲線規(guī)定的振動(dòng)等級(jí)如圖1所示。

圖1　用于振動(dòng)敏感設(shè)備的VC曲線

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)振動(dòng)限值在10 Hz以上，介于VC-C到VC-D之間，但在低頻段趨近于VCE。由于VC-E級(jí)幾乎是精密儀器微振動(dòng)的極限要求，故而取VC-D為本次評(píng)價(jià)的限值。

1.3《電子工業(yè)防微振工程技術(shù)規(guī)范》征求意見(jiàn)稿標(biāo)準(zhǔn)

工程建設(shè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電子工業(yè)防微振工程技術(shù)規(guī)范》征求意見(jiàn)稿中規(guī)定了精密儀器、設(shè)備的通用容許振動(dòng)值，其要求與VC標(biāo)準(zhǔn)一致。而且意見(jiàn)稿中更加詳細(xì)地指出了高能激光實(shí)驗(yàn)裝置、光纖拉絲塔等的容許振動(dòng)值。其中，對(duì)光柵刻線裝置精密加工及計(jì)量行業(yè)設(shè)備、儀器和納米裝置的振動(dòng)要求與GB 50868—2013《建筑工程容許振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》中一致。同時(shí)，《電子工業(yè)防微振工程技術(shù)規(guī)范》征求意見(jiàn)稿的附錄A還詳細(xì)地給出了微振動(dòng)測(cè)試和數(shù)據(jù)處理分析的要求。

1.4標(biāo)準(zhǔn)比較

根據(jù)大量的試驗(yàn)結(jié)果，精密儀器設(shè)備對(duì)振動(dòng)的最大敏感點(diǎn)在頻域表達(dá)中表現(xiàn)為常值速度。另外，環(huán)境振動(dòng)以隨機(jī)振動(dòng)占主導(dǎo)，采用均方根值更能表示振動(dòng)的統(tǒng)計(jì)特性。因此VC標(biāo)準(zhǔn)使用速度的均方根值作為參數(shù)最為簡(jiǎn)便。

2　振動(dòng)測(cè)試分析

對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)所在的檢測(cè)室環(huán)境振動(dòng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。

根據(jù)《建筑工程容許振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》，實(shí)測(cè)得到頻域范圍內(nèi)的振動(dòng)加速度峰中最大值為0.913 mm/s2，遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)限值2.5 mm/s2；位移峰值最大值是0.50μm，小于標(biāo)準(zhǔn)限值的1.0μm。即實(shí)測(cè)結(jié)果滿足要求。

根據(jù)VC標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)測(cè)得到的各測(cè)點(diǎn)速度信號(hào)三分之一倍頻程均方根值的最大值為5.87μm/s，小于VC-D的限值6.25μm/s的要求。

由此可知，現(xiàn)有環(huán)境振動(dòng)不會(huì)對(duì)該精密儀器的使用產(chǎn)生不良影響。

原規(guī)劃的地鐵線路離該檢測(cè)室較近，而且地鐵運(yùn)行對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)這一精密儀器的影響缺乏數(shù)據(jù)。因此，測(cè)試分析時(shí)在已經(jīng)運(yùn)營(yíng)的線路，選擇不同軌道隔振措施，并在0～40 m范圍內(nèi)布置測(cè)點(diǎn)，用VC標(biāo)準(zhǔn)和《建筑工程容許振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》綜合評(píng)價(jià)該類精密儀器的環(huán)境微振動(dòng)是否滿足其使用要求。

2.1測(cè)試地點(diǎn)

測(cè)試區(qū)間包括浮置板道床區(qū)間、剪切型減振扣件區(qū)間、一般DTV12型扣件區(qū)間。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際測(cè)量條件，每個(gè)區(qū)間在測(cè)量范圍內(nèi)布置4～5個(gè)測(cè)點(diǎn)。其中，浮置板道床區(qū)間的測(cè)點(diǎn)與上行線中心線距離分別為0 m、8 m、13 m、23 m、40 m；剪切型減振型扣件區(qū)間的測(cè)點(diǎn)與上行線中心線的距離分別為2.0 m、11 m、28 m、38 m、49 m；一般DTVI2型扣件區(qū)間的測(cè)點(diǎn)與上行線中心線的距離分別為7.6 m、11.2 m、21.1 m、40 m。

對(duì)各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度、振動(dòng)速度各進(jìn)行約90 min的測(cè)量。在測(cè)量時(shí)段內(nèi)，上行列車數(shù)均為10列。由于列車運(yùn)行對(duì)測(cè)試點(diǎn)振動(dòng)情況有明顯影響的時(shí)間約為5 s，故以5 s為計(jì)算時(shí)長(zhǎng)。以測(cè)量值的算術(shù)平均值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

分析評(píng)價(jià)時(shí)，假設(shè)該精密儀器所在的位置外界條件（如隧道埋深、土質(zhì)、車輛線路情況、房屋基礎(chǔ)等）和三個(gè)區(qū)間相同，用VC標(biāo)準(zhǔn)和《建筑工程容許振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》綜合評(píng)價(jià)該類精密儀器的環(huán)境微振動(dòng)是否滿足使用要求。

2.2頻域分析

按照《建筑工程容許振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》分析三個(gè)區(qū)間的豎向振動(dòng)加速度峰值，得到其頻域范圍內(nèi)對(duì)比圖（見(jiàn)圖2）。

由圖2可知，①浮置板道床區(qū)間與剪切型扣件區(qū)間的垂向振動(dòng)加速度峰值均小于標(biāo)準(zhǔn)限值（見(jiàn)表1），滿足要求，且浮置板道床區(qū)間的減振效果較好。②DTVI2型扣件區(qū)間豎向振動(dòng)加速度峰值最大值為9.5 mm/s2，大于標(biāo)準(zhǔn)限值（見(jiàn)表1），不滿足要求。

圖2　三個(gè)區(qū)間豎向振動(dòng)加速度峰值對(duì)比圖

浮置板軌道減振效果明顯。當(dāng)對(duì)應(yīng)頻率＜8 Hz時(shí)，浮置板軌道區(qū)間的振動(dòng)位移峰值圖如圖3所示。由圖3可知，當(dāng)對(duì)應(yīng)頻率＜8 Hz時(shí)，在測(cè)量范圍內(nèi)的浮置板道床區(qū)間的振動(dòng)位移峰值最大為1.243μm，大于標(biāo)準(zhǔn)限值1.0μm，不滿足精密儀器要求。

圖3　浮置板道床區(qū)間豎向位移峰值圖

由圖2、圖3可以看出，在測(cè)量范圍內(nèi)，振動(dòng)響應(yīng)并非隨距離單調(diào)減少。在距上行線中心線30～ 40 m處，振動(dòng)有一定放大。這驗(yàn)證了振動(dòng)放大區(qū)的存在［9-10］，且表明在距離地鐵線0～40 m的范圍內(nèi)，振動(dòng)并非隨距離的增加而衰減。

2.3按VC標(biāo)準(zhǔn)分析評(píng)價(jià)

為了進(jìn)一步比較分析地鐵運(yùn)行振動(dòng)對(duì)精密儀器的影響，可將每個(gè)區(qū)間全部測(cè)點(diǎn)速度信號(hào)的三分之一倍頻程的均方根值曲線畫在一張圖中，從而得到三分之一倍頻程頻域下每一中心頻域的速度包絡(luò)線。

以浮置板道床區(qū)間為例，其測(cè)點(diǎn)1到測(cè)點(diǎn)5的豎向速度均方根值曲線和最大值包絡(luò)線如圖4所示。

圖4　浮置板道床區(qū)間振動(dòng)速度三分之一倍頻程均方根值曲線及最大值包絡(luò)線

由圖4可知：

（1）浮置板道床區(qū)間的振動(dòng)速度不滿足VCD的要求。各測(cè)點(diǎn)速度三分之一倍頻程均方根值的最大值為8.48μm/s，大于VC-D的限值6.25 μm/s。

（2）5個(gè)測(cè)點(diǎn)中，測(cè)點(diǎn)4（距離23 m處）在三個(gè)方向的振動(dòng)速度最大值均在3.5μm/s以上，反而比更加靠近地鐵線路的測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2要大。這也進(jìn)一步驗(yàn)證了振動(dòng)放大區(qū)的存在［10］。

（3）5個(gè)測(cè)點(diǎn)在10～80 Hz的范圍內(nèi)時(shí)的振動(dòng)速度差異不大，但在1～10 Hz的低頻范圍中差別明顯、測(cè)點(diǎn)3（距離13 m處）的縱向振動(dòng)速度8.48 μm/s遠(yuǎn)大于VC-D的限值6.25μm/s，不滿足精密儀器的使用要求，但同時(shí)測(cè)點(diǎn)3的振動(dòng)速度在豎向又是最小的。

用同樣的方法求得三個(gè)區(qū)間的速度信號(hào)的均方根值包絡(luò)線如圖5所示。將三個(gè)區(qū)間的振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)按照VC標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行評(píng)價(jià)，其中，VC-D的要求是6.25μm/s。

由圖5可知：

（1）在測(cè)量范圍內(nèi)，三個(gè)區(qū)間的地鐵運(yùn)行時(shí)地面振動(dòng)均不滿足VC-D的要求。

（2）地鐵運(yùn)行時(shí)，三個(gè)區(qū)間的地面振動(dòng)速度都主要集中在1～5 Hz的低頻范圍。

（3）在1～5 Hz的低頻范圍內(nèi)：浮置板道床區(qū)間的豎向、橫向振動(dòng)速度較小，但縱向振動(dòng)速度較大；剪切型扣件區(qū)間的豎向、縱向振動(dòng)速度較小，但橫向振動(dòng)速度較大；DTVI2型扣件區(qū)間的豎向、橫向振動(dòng)速度較大，但縱向振動(dòng)速度較小。在5～80 Hz的范圍內(nèi)，三個(gè)區(qū)間在三個(gè)方向上的振動(dòng)差異不大。

3　隔振措施

為確保精密儀器能順利安裝使用，可采取被動(dòng)隔振措施。常用的措施為設(shè)置隔振平臺(tái)。

隔振平臺(tái)的隔振效果以振動(dòng)的傳遞率TV來(lái)表示：

式中：

TV——振動(dòng)傳遞率，dB；

vin——輸入的速度值，即三分之一倍頻程下每一中心頻率的包絡(luò)線速度有效值，μm/s；

圖5　三個(gè)區(qū)間速度的均方根值包絡(luò)線圖

vb——輸出的速度值，即VC標(biāo)準(zhǔn)下對(duì)應(yīng)的速度有效值限值，μm/s，其VC-D對(duì)應(yīng)的限值為6. 25μm/s。

以一般DTV12型扣件區(qū)間橫向測(cè)試點(diǎn)的結(jié)果為例，分析其隔振效果。圖6是一般DTV12型扣件區(qū)間三分之一倍頻程速度的均方根值包絡(luò)線圖。根據(jù)式（1）求得一般型扣件區(qū)間測(cè)點(diǎn)的傳遞率，如圖7所示。由圖7可知，應(yīng)該在1.0～1.5 Hz頻率下提供針對(duì)性的被動(dòng)隔振。且要求隔振平臺(tái)在1.0～1.5 Hz頻率下提供不少于2 dB的橫向隔振能力。

圖6　一般DTV12型扣件區(qū)間三分之一倍頻程速度的均方根值包絡(luò)線圖

圖7　一般型扣件區(qū)間測(cè)點(diǎn)的被動(dòng)隔振傳遞率圖

4　結(jié)語(yǔ)

本文比較了涉及精密儀器的現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)以及電子工業(yè)防微振技術(shù)規(guī)范征求意見(jiàn)稿，對(duì)該地區(qū)已經(jīng)運(yùn)營(yíng)的地鐵線路不同隔振措施區(qū)段一定范圍內(nèi)的地面振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試和分析，并用精密儀器的評(píng)價(jià)參數(shù)進(jìn)行類比。結(jié)果表明：

（1）在40 m的范圍內(nèi)，如考慮地鐵運(yùn)行的影響，則三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)及其同類精密儀器的環(huán)境微振動(dòng)將超出標(biāo)準(zhǔn)限值，無(wú)法滿足振動(dòng)控制要求；如忽略外界條件，則參考上海軌道交通2號(hào)線的試驗(yàn)可知，在距離地鐵中心線162 m處的振動(dòng)速度滿足VCD振動(dòng)控制要求，且減振軌道對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)振動(dòng)幾乎無(wú)減振效果［2］。

（2）三個(gè)不同軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)在0～40 m范圍內(nèi)都不隨距離而衰減。浮置板道床區(qū)間和剪切型扣件區(qū)間在25m左右處存在振動(dòng)區(qū)，DTVI2型扣件區(qū)間在40 m左右處存在振動(dòng)放大區(qū)。只有離開(kāi)振源距離足夠大，振動(dòng)能量才會(huì)有效減小。

（3）可針對(duì)單臺(tái)高要求的精密儀器進(jìn)行防微振處理（如采用高剛性底座、高性能隔振裝置等）。采用被動(dòng)隔振措施時(shí)，在一般DTV12型扣件區(qū)間，隔振平臺(tái)在1.0～1.5 Hz頻率下的速度傳遞率不能低于2 dB。

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Prediction and Countermeasure for the Influence of Metro Vibration on Precise Instrument

Xie Yingsong，Li Li，Wang Longbing

An electronics industry is located near a planned metro line in Suzhou City.In order to evaluate the vibration influence induced by metro train on the high-precision 3-coordingate measuring machine produced in this factory and provide vibration reduction suggestions to the metro operation company，the vibration on the ground during the operation of metro train was tested in different track vibration isolation sections of Suzhou metro Line 2，and analyzed by national and international evaluation parameters of precise equipment.Results show that the ground vibration during metro operation in different track vibration isolation sections could not meet the requirements of VC-D，and the displacement amplitudes on the ground have exceeded the limit of international standard when the floating slab track is used，at the same time，the existence of vibration amplifying zone has been verified.Some suggestions are put forward to adopt necessary isolation methods for precise instrument.

metro；precise instrument；micro-vibration；vibration evaluation

U 211.3∶U 231

10.16037/j.1007-869x.2016.03.010

*國(guó)家自然科技基金項(xiàng)目（51408434）

（2015-07-08）