1GB/T19846—202×/ISO10815:2016機械振動列車通過時引起鐵路隧道內(nèi)部振動的測量本文件規(guī)定了用于列車通過鐵路隧道而引起的隧道振動的測量、處理和評價的基本準(zhǔn)則。通過采用標(biāo)準(zhǔn)的程序，在激勵源相同的情況下，可隨時獲取隧道各部分的振動響應(yīng)數(shù)據(jù)。在不同隧道中獲得的數(shù)據(jù)也可以進(jìn)行比較。本文件所考慮的測量是針對隧道結(jié)構(gòu)和其內(nèi)的輔助部分的響應(yīng)，不涉及到在隧道內(nèi)或在其附近的人或者是通過隧道的列車中乘客的響應(yīng)。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。ISO1683聲學(xué)提供聲學(xué)標(biāo)準(zhǔn)的參考參數(shù)（Acoustics—Preferredreferencevaluesforacousticalandvibratorylevels）注：GB/T3238—1982聲學(xué)量的級及其基準(zhǔn)值（ISO168ISO5348機械振動與沖擊加速度計的機械安裝（Mechanicalvibrationandshock—Mechanicalmountingofaccelerometers）注：GB/T14412—2005機械振動與沖擊加速度計的機械安裝（ISO53483術(shù)語和定義下列術(shù)語和定義適用于本文件。3.1隧道tunnel供旅客列車、貨物列車和維修車輛通過的地下結(jié)構(gòu)。3.2背景噪聲backgroundnoise除要研究信號之外的所有信號的總和。GB/T19846—202×/ISO10815:201624影響振動的因素4.1與隧道有關(guān)的因素4.1.1一般規(guī)范隧道的動態(tài)性能在很大程度上依賴于它的幾何結(jié)構(gòu)、輔助部分、隧道深度和圍巖性質(zhì)。一條隧道通常是由一個個部分（如混凝土、通風(fēng)口等）分別與圍巖相結(jié)合而構(gòu)成的系統(tǒng)。這些部分可能會有不同的響應(yīng)特性，并會受到周圍的土壤或巖石的影響。4.1.2隧道的類型和狀況隧道類型有多種多樣，不同的隧道有不同的振動響應(yīng)，在附錄B中給出示例。4.1.3固有頻率與阻尼本文件所感興趣的頻率是只與隧道組成部分響應(yīng)有關(guān)的頻率，而不是處于周圍介質(zhì)中的隧道本身的基頻。這些部分的固有頻率可如下確定：——當(dāng)隧道各部分受到外界巨大而短暫的作用（如打樁或爆炸）影響時，對其響應(yīng)進(jìn)行測量；——用激振器作為單頻振源，對響應(yīng)的幅值進(jìn)行測量；——使用環(huán)境激勵和頻譜分析測量響應(yīng)。對阻尼的準(zhǔn)確測量是一項十分困難的工作，尤其是對于既包含有低阻尼部分（如梁同時又有與隧道表面緊貼部分（由于波輻射阻尼較高）的那些隧道。4.1.4圍巖隧道的圍巖對隧道的剛度及其振動響應(yīng)有很大的影響，因此，在對響應(yīng)進(jìn)行預(yù)測時，應(yīng)作為主要因素考慮。圍巖的特性依賴于土壤顆粒的大小、緊密程度、飽和度、地下水位和層面以及激勵的幅值、頻率和持續(xù)時間。4.2與振源有關(guān)的因素列車經(jīng)過所產(chǎn)生的振動可以根據(jù)信號類型、持續(xù)時間和頻率范圍來歸類（見ISO4866）。信號又依賴于列車的機械性能、軌道、輪軌接觸以及列車的載重和速度。分析的頻率范圍依賴于激振力的頻譜分布和從激振源或振源到隧道墻壁或內(nèi)襯的傳遞函數(shù)。隧道不同部分的響應(yīng)頻率應(yīng)在1Hz～100Hz范圍內(nèi)。而對于軌道，感興趣的頻率范圍高達(dá)通常2kHz，雖然更高的頻率也經(jīng)常出現(xiàn)。5測量參數(shù)在隧道振動感興趣的頻率范圍內(nèi)，通常測量其動量如速度和加速度。在較低的頻率范圍內(nèi)優(yōu)先測量速度，而在高頻范圍內(nèi)，由于測量儀器的影響，則優(yōu)先測量加速度。GB/T19846—202×/ISO10815:201636測量方法6.1根據(jù)列車通過情況設(shè)置傳感器理想情況下，至少應(yīng)有一段200m長的直線隧道用來測量。傳感器的設(shè)置應(yīng)該避開任何可見的有缺陷或特殊的區(qū)域（大的裂縫、滲水區(qū)、道岔和道口除非需要對這些區(qū)域的影響進(jìn)行研究。為了研究隧道的響應(yīng)，傳感器的方向最好與隧道的3個基軸（1個豎直，2個水平，見圖1）方向一致。圖1根據(jù)測試類型布置隧道橫斷面測點假設(shè)列車在左側(cè)軌道運行，布置以下測點（見圖1）。對于完全或有限測試（見9.2和9.3傳感器應(yīng)該如下布置：——置于仰拱與橫斷面垂直中心線的交點處（圖1中的d點當(dāng)為有碴軌道時位于兩根軌枕之間；當(dāng)是其他形式的軌道時位于相鄰的兩扣件或道釘之間；——位于d點垂直上方的拱頂處（圖1中的e點——位于隧道邊墻上，緊靠列車將要通過的軌道，距軌面1.2m處（圖1中的b點）。為了研究作為激勵源的列車和傳給隧道的振動之間的關(guān)系，應(yīng)該在垂直于軌面的鋼軌底部進(jìn)行測量測點a傾向于考慮局部影響，在選擇它作為有限測試的控制點之前應(yīng)該確定它的典型性和穩(wěn)定性。也應(yīng)該考慮到軌道底部的斜面形狀（見圖2）。如果傳感器不能放在仰拱處，就應(yīng)該放置在離仰拱最近的合適點上，并且要指明在傳感器與仰拱之間存在的所有物體。GB/T19846—202×/ISO10815:20164進(jìn)行完全測試時（見9.2為了盡量減小局部影響，也應(yīng)該在非中間斷面的兩個斷面處（通常相距20m）進(jìn)行測量。然而，當(dāng)在相距20m的兩個斷面處獲得的信號數(shù)據(jù)是相同的時候，也可以只在一個斷面進(jìn)行測量。如果上面獲得的信號數(shù)據(jù)的系統(tǒng)誤差超過25%(2dB)，應(yīng)該放棄這些數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)而應(yīng)考慮第3個測試斷面。當(dāng)在3個斷面獲得的數(shù)據(jù)都不相吻合時，就應(yīng)檢查局部狀況，并且選擇另一個測試斷面進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。6.2傳感器的固定為了再現(xiàn)振動體的運動并盡量減少安裝系統(tǒng)產(chǎn)生的響應(yīng)，傳感器應(yīng)根據(jù)ISO5348的規(guī)定進(jìn)行安裝。固定裝置要有足夠的剛度并盡可能減輕自身質(zhì)量。當(dāng)把傳感器安裝于鋼軌底部時，一塊成型鐵板應(yīng)剛性地固定于傳感器與鋼軌之間（最好焊接在鋼軌上否則傳感器就不可能垂直于鋼軌的底部固定（見圖2）。圖2鋼軌底部的測點最為重要的是由傳感器、固定支撐和螺栓組成的安裝系統(tǒng)，其安裝后系統(tǒng)的共振頻率應(yīng)比測試頻率范圍的上限高得多（見ISO5348）。同時，值得注意的是加速度計在列車經(jīng)過時對空氣耦合的響應(yīng)很敏感，因此有必要對它們進(jìn)行空氣聲隔聲處理。6.3信噪比建議進(jìn)行背景噪聲的測量（見3.2如若條件允許，在測量背景噪聲前，停用或拆除振動源。例GB/T19846—202×/ISO10815:20165如，當(dāng)列車經(jīng)過所引起的振動被記錄下來后，沒有列車經(jīng)過時的信號也應(yīng)該用同樣的方法進(jìn)行記錄和處理，然后將兩者的結(jié)果進(jìn)行比較，得到的比率或比值就是信噪比S/N。當(dāng)信噪比S/N＞10dB時，獲得的數(shù)據(jù)可以不做修正。當(dāng)測得信號為噪聲的兩到三倍之間即信噪比6dB≤S/N≤10dB時，獲得的數(shù)據(jù)就應(yīng)該進(jìn)行修正，并在試驗報告中加以說明。當(dāng)測得信號小于兩邊噪聲，即信噪比S/N＜6dB時，獲得的數(shù)據(jù)不可靠，僅可作為參考。7測量儀器傳感器的選擇對振動的正確評價是很重要的（見ISO4866選擇時應(yīng)該考慮被測參數(shù)、頻率（見4.2）和幅值范圍以及工作環(huán)境。尤其重要的是傳感器的共振和相位響應(yīng)，還有積分器復(fù)系數(shù)傳遞函數(shù)，它們可能會導(dǎo)致對相同的機械輸入產(chǎn)生不同的結(jié)果。在鋼軌上的大多數(shù)測量都會用到加速度計；另一方面，建議采用固有頻率低于所要研究的最低頻率的地震儀檢波器。在相關(guān)聯(lián)的一組測試前后都應(yīng)該校準(zhǔn)測量系統(tǒng)，并且至少每2年都應(yīng)該由有相應(yīng)認(rèn)證的實驗室對測量系統(tǒng)的儀器進(jìn)行校準(zhǔn)。除了在鋼軌上測量之外，其他位置的測量推薦采用速度傳感器，其值的單位用mm/s。每個測得的速度分量應(yīng)該與其振動頻率一并給出。如果用分貝作為標(biāo)度，根據(jù)ISO1683（見注釋）設(shè)定參考量為10-6mm/s。如果有必要對加速度計的測量結(jié)果與其他傳感器的速度輸出做比較，應(yīng)該對原始的加速度時間歷程進(jìn)行積分（最好是數(shù)字的并且給出其傅立葉頻譜。而電子積分器，例如低通濾波器，可能會產(chǎn)生不同的結(jié)果，這取決于原始信號的幅值和相位以及積分器的復(fù)系數(shù)傳遞函數(shù)。對于分貝刻度，根據(jù)ISO1683，參考加速度為10-6mm/s。8對內(nèi)部振動源的測量8.1軌道狀況根據(jù)9.2和9.3的測試，軌道應(yīng)該有良好的狀況，沒有可見的裂紋和波浪型磨耗。8.2列車狀況根據(jù)9.2和9.3的測試，車輛應(yīng)該保持良好的狀況，尤其是車輪不應(yīng)該有踏面擦傷和其他可見裂紋。車輛應(yīng)該是空車運行，僅有駕駛員和信號檢測人員在車上。列車的編組應(yīng)與正常運行時一樣?？蛙囁俣菺B/T19846—202×/ISO10815:20166應(yīng)如下：——電車11m/s(40km/h)；——地鐵列車17m/s(60km/h)；——快速城市車輛22m/s(80km/h)；——被測橫斷面的最高允許速度。在振動記錄過程中，除了最后一情況下（最高速時列車應(yīng)該溜放。9測試類型9.1一般規(guī)范測試有兩種類型：完全測試和有限測試。在任何測試中，用模擬儀器記錄振動量級，常采用1s的積分時間。9.2完全測試這類測試被設(shè)計用于確定隧道系統(tǒng)是否在要求的規(guī)范之內(nèi)工作，也可用于檢查重大結(jié)構(gòu)改造所產(chǎn)生的影響。這些測試應(yīng)提供全面的動力學(xué)分析信息。在這一情況下：——有各相距20m的3個測試斷面，如6.1中所述；——有3個單獨的傳感器，每一個對應(yīng)直角坐標(biāo)系的一個坐標(biāo)軸，或者是在每個測量點放置一個三向傳感器（見6.1——記錄列車至少3次以同一方向通過測量斷面時的振動值；——用模擬儀器記錄在時間歷程內(nèi)的最大均方根值（r.m.s積分時間為1s。——測出的3組數(shù)據(jù)誤差不超過111dB且在每個頻段不超過403dB）就可作為真值；通過算數(shù)平均計算得到每個速度分量的值vx，vy，vz；——總信噪比（見6.3）要大于10dB，每個頻率段的信噪比至少要大于6dB；應(yīng)記錄下3個正交分量。9.3有限試驗有限測試用于監(jiān)測某些特殊的性能，并且要定期進(jìn)行。在此情況下：——只需要一個測量斷面；——每個測點只需一個傳感器，要垂直于相關(guān)平面（見6.1——檢驗時間歷程已足夠；——信噪比S/N≥6dB已足夠（見6.3GB/T19846—202×/ISO10815:20167——應(yīng)至少記錄列車3次通過；測出的3個值相差不超過3dB就可作為真值，并通過算得的算術(shù)平均值，把結(jié)果修約到最相近的整數(shù)分貝值。試驗可能會受到列車性能的影響，即使己確認(rèn)列車處于良好的維護狀態(tài)（見8.2但也要盡可能控制測量斷面具有較少的列車通過量。對于測試軌道，在前5年內(nèi)時間間隔通常不要超過1年，在以后的6年里也不要超過2年。通過控制斷面來檢驗的振動速度應(yīng)是以上列車測試前1到2年的數(shù)據(jù)，以確定各種基于列車而不是基于隧道和永久線路狀況而引起的變化。10測量的評價最簡單的過程就是記錄下測出的振動量的最大值，或是積分時間為1s的最大均方根值（r.m.s值，在特殊情況下，可以通過對測量信號進(jìn)行積分或微分來計算得到所需的振動量。然而這些操作，無論是用模擬的或數(shù)字的方法，都可能會受到固有誤差的影響，而在有些情況下這些影響是很難進(jìn)行量化一種解決辦法是，至少在一個測點上對2個振動量同時進(jìn)行記錄。這樣就可以對積分（或微分）的效果進(jìn)行評價了。值得注意的是，對于復(fù)雜的波形，低頻積分需要知道傳感器和測量鏈的幅值和相位響應(yīng)。對信號處理的過程和局限性要進(jìn)行詳細(xì)的描述和評估。除非經(jīng)驗告知對于該問題不需要3個方向的測量，其他情況應(yīng)在一段適當(dāng)?shù)某掷m(xù)時間內(nèi)，在3個正交方向上測量信號的時間歷程。隧道內(nèi)振動的頻率范圍（lHz～100Hz，見4.2）通常要求測量振動速度；因此在一些文獻(xiàn)和關(guān)于結(jié)構(gòu)振動的國家標(biāo)準(zhǔn)中，一般都可以找到速度值（如見參考文獻(xiàn)[4]）。在完全測試中，可采用三分之一倍頻程分析方法求取傅立葉譜。在一些特殊情況下，可采用窄帶分析方法（頻帶寬度小于1Hz）得到傅里葉譜。11試驗報告試驗報告應(yīng)該包括以下內(nèi)容：——地點、日期以及主管工程師和試驗員的姓名；——有關(guān)隧道和軌道結(jié)構(gòu)的描述；——張測試斷面的尺寸圖，應(yīng)標(biāo)示出測點和軌道的位置；——軌道周圍的地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)；——傳感器固定的位置和詳細(xì)數(shù)據(jù)；GB/T19846—202×/ISO10815:2016——試驗類型和目的；——測試儀器的類型，最近一次校準(zhǔn)時間以及生產(chǎn)日期；——背景噪聲量級和信噪比；——對激勵源的描述（例如：列車速度、編組和軸重——總體量級和三分之一倍頻程量級（根據(jù)測試類型最好是以圖表的形式，三分之一倍頻程0dB對于5mm，10dB對應(yīng)20mm；——最高速度值的單位用mm/s，加速度單位用m/s2；——若進(jìn)行積分，則要給出加速度數(shù)據(jù)；——積分時間；——如果有的話，要指出所采用的標(biāo)準(zhǔn)和振動規(guī)范。GB/T19846—202×/ISO10815:20169附錄A（資料性附錄）列車通過時引起的隧道振動通常，軌道激勵是非平穩(wěn)且隨機的，對于城市鐵路，其持續(xù)時間約為10s。作為隧道中可能出現(xiàn)的振動值的參考，給出以下測量值：——在米蘭，根據(jù)軌道類型的不同，測量值為0.01mm/s～0.08mm/s；在維護條件較差的情況下，測量值甚至可達(dá)1mm/s?！诎屠?，測量值為0.01mm/s～0.03mm/s（參見參考文獻(xiàn)[6]）。以下為示例衰減值：a）軌道/仰拱：根據(jù)軌道類型的不同，衰減值為20dB～40dB；b）仰拱/隧道壁：根據(jù)隧道類型的不同，衰減值為10dB～20dB。（資料性附錄）鐵路隧道示例B.1舊式隧道（1960年之前建造）B.1.1地下隧道B.1.1.1磚石隧道隧道由巖塊建造的（在基層或不在基層可分為有閉合仰拱結(jié)構(gòu)和無閉合仰拱結(jié)構(gòu)兩種形式（見圖B.1）。也有采用混凝土（見圖B.2）或混凝土和磚石的混合結(jié)構(gòu)建造的磚石隧圖B.1磚石結(jié)構(gòu)隧道GB/T19846—202×/ISO10815:2016圖B.2混凝土結(jié)構(gòu)隧道圖B.3混合磚石結(jié)構(gòu)隧道B.1.1.2金屬構(gòu)件隧道GB/T19846—202×/ISO10815:2016圖B.4內(nèi)弧面澆注弧形塊隧道圖B.5澆注弧形塊隧道B.1.2明洞B.1.2.1拱頂結(jié)構(gòu)隧道襯砌由按層排列或不按層排列的巖石或混凝土構(gòu)成，可分為有閉合仰拱結(jié)構(gòu)和無閉合仰拱結(jié)構(gòu)兩種形式（見圖B.6）。GB/T19846—202×/ISO10815:2016圖B.6地面磚石隧道B.1.2.2平頂結(jié)構(gòu)圖B.7金屬頂隧道GB/T19846—202×/ISO10815:2016圖B.8混凝土頂隧道B.1.3明挖結(jié)構(gòu)隧道有有鋼結(jié)構(gòu)或鋼格柵支撐（見圖B.9或者為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。圖B.9鋼混結(jié)構(gòu)淺埋隧道B.2近代隧道（1960年之后修建）B.2.1深埋隧道B.2.1.1現(xiàn)澆混凝土隧道隧道襯砌為未加固型（見圖B.10）或加固型（帶有廢棄的支撐拱或新增的加固措施可分為有閉合仰拱結(jié)構(gòu)和無閉合仰拱結(jié)構(gòu)兩種形式（見圖B.11）。圖B.10現(xiàn)澆混凝土隧道圖B.11現(xiàn)澆混凝土無支撐拱隧道B.2.1.2預(yù)制構(gòu)件隧道隧道襯砌為全預(yù)制型（包括金屬拱段或鋼筋混凝土段，參見圖B.12或僅拱頂預(yù)制型（包括拱段或鋼筋混凝土拱，可分為有閉合仰拱結(jié)構(gòu)和無閉合仰拱結(jié)構(gòu)兩種形式，參見圖圖B.12鋼筋混凝土弧段隧道圖B.13具有鋼筋混凝土弧段的混凝土隧道B.2.2淺埋隧道B.2.2.1拱形結(jié)構(gòu)隧道由混凝土或鋼筋混凝土建造，分為有無封頂結(jié)構(gòu)兩種（見圖B.14）。圖B.14淺埋鋼筋混凝土隧道B.2.2.2矩形結(jié)構(gòu)（鋼筋混凝土）這些隧道可以是敞開的（無預(yù)應(yīng)力的鋼筋混凝土板或者是封閉的（有預(yù)應(yīng)力的鋼筋混凝土板見圖B.15、圖B.16和圖B.17）。GB/T19846—202×/ISO10815:2016圖B.15淺埋矩形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)圖B.16淺埋矩形鋼筋混凝土板結(jié)構(gòu)GB/T19846—202×/ISO10815:2016圖B.17淺埋矩形鋼筋混凝土無底板結(jié)構(gòu)B.2.3沉管隧道見圖B.18。圖B.18鋼筋混凝土沉管隧道GB/T19846—202×/ISO10815:2016參考文獻(xiàn)[1]ISO4866Mechanicalvibrationandshock—Vibrationoffixedstructures—Guidelinesforthemeasurementofvibrationsandevaluationoftheireffectsonstructures[2]ISO14837(allparts)Mechanicalvibration—Ground-bornenoiseandvib