列车振动的地震记录信号特征

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1、第２６卷第６期地震学报Ｖｏｌ．２６，Ｎｏ．６２００４年１１月（６５１～６５９）ＡＣＴＡＳＥＩＳＭＯＬＯＧＩＣＡＳＩＮＩＣＡＮｏｖ．，２００４文章编号：０２５３３７８２（２００４）０６０６５１０９列车振动的地震记录信号特征陈棋福１）１）１）２）李丽李纲陈凌彭文涛２）３）１）４）汤毅陈王夫运１）中国北京１０００３６中国地震局地震预测研究所２）中国北京１０００２９中国科学院地质与地球物理研究所３）中国北京１０００８１中国地震局地球物理研究所４）中国郑州４５０００２中国地震局地球物理勘探中心摘要在给出列车的多点运动源基本描述

2、的基础上，对２００３年３月８日在大秦铁路怀柔段的观测试验记录进行了初步分析．分析表明：列车振动所具有的绿色环保、频谱较宽、重复性好和稳定性强的优点，除传统认识的噪声和振动干扰外，也可以用于地下结构的探测研究．如能在理论模型和信号分析处理方法，甚至观测积累方面进行深入的探索研究，将可为地球物理勘探开辟新的途径．关键词列车振动多点运动源记录特征中图分类号：Ｐ３１５．６１文献标识码：Ａ引言由于铁路的焊接和长期使用造成的磨损，列车驶过铁轨的时候，列车车轮与铁轨之间由于非平稳接触，不断产生冲撞．当列车满载后，尤其是货车满载后，几千吨的列

3、车以几十千米的时速在不平顺的铁轨上奔跑，其产生的振动不仅能量大，而且可以传播到几千米外，对构筑物造成损害．例如，焦枝铁路的修建对洛阳龙门石窟的影响（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ．ｎｅｔ．ｃｎ／ｓｃｉｅｎｃｅ／ｅｅｒｃ／ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ．ｈｔｍｌ）；意大利为减少列车振动对威尼斯水城和比萨斜塔的影响，铁道不得不改线．近年来，日本、欧洲及美国对列车振动造成的构筑物破坏进行了大量的研究．２０世纪７０年代以来对这种振动的观测和仿真模拟有了长足的进展（Ｇｕｔｏｗｓｋｉ，Ｄｙｍ，１９７６；Ｍｅｌｋｅ，Ｋｒａｅｍｅｒ，１９８

4、３；Ｏｋｕｍｕｒａ，Ｋｕｎｏ，１９９１；Ｈｅｃｋｌ犲狋犪犾，１９９６；翟婉明，２００１；王其昌，１９９９；夏禾等，１９９９；Ｈｕｎｇ，Ｙａｎｇ，２００１ａ）．例如，Ｏｋｕｍｕｒａ和Ｋｕｎｏ（１９９１）给出了日本８条铁路线经过７９个城市区时，建筑结构对振动的响应，分别分析了距离、铁路结构、列车类型、列车速度（通常低于１００ｋｍ／ｈ）、列车长度和背景扰动６个参数对振动的影响．结果显示，列车通过时所产生的振动与距离明显相关，但列车的速度变化对振动的影响并不非常显著．因为建筑界和铁路工程界关注的重点为建筑的响应谱，并主要是通过布设在铁

5、路沿线的加速度仪记录进行的．列车产生的振动可能会干扰其附近观测天然地震的地震台站记录，早已被地学界所认基础研究重大项目前期研究专项（２００１ＣＣＡ０２１００）和国家自然基金（４０２３４０３８，４０１７４０１４）联合资助．２００３０７１７收到初稿，２００４０８１６收到最后修改稿，２００４０９１７决定采用．http://www.dizhenxb.org.cn６５２地震学报２６卷识并用于地震台站的选址上（Ｗｉｌｌｍｏｒｅ，１９７９）．如我国明文规定，地震观测台站应避开主要铁路．如果铁路与地震仪位于差别很大的地质结构上，

6、或中间隔有山脉或冲击的谷地，地震台站对铁路的避让距离是３ｋｍ；如果铁路与地震仪位于相同的地质结构上，并且中间无山脉或冲击谷地相隔，地震台站对铁路的避让距离是５ｋｍ（国家地震局，１９９０；中国地震局，２００１）．尽管如此，在一些地震监测台站上，依然能清晰地观测到列车通过造成的振动．例如，位于加拿大ＢｒｉｔｉｓｈＣｏｌｕｍｂｉａ省Ｓｑｕａｍｉｓｈ地区图１火车经过产生的垂向地振动信号西北的ＷａｔｔｓＰｏｉｎｔ的ＷＰＢ地震台（ａ）加拿大ＷＰＢ台（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｐｇｃ．ｎｒｃａｎ．ｇｃ．ｃａ／（４９．６５７０°Ｎ，１２３．２０９

7、５°Ｗ，台站高程２７３ｓｅｉｓｍｏ／ｓｅｉｓｍｏｓ／ｉｎｔｅｒｐｒｅｔ．ｈｔｍ）；（ｂ）中国天津Ｔ２３台ｍ）的一个单分量短周期数字化地震仪（Ｓ１３），经常能记录到经过该地震台的火车产生的地表震动信号（图１ａ）．另外，在我国的某些地震台，也能观测到列车通过时产生的信号．例如位于天津塘沽的Ｔ２３地震台（３９．０５°Ｎ，１１７．５２°Ｅ）放在地下２７５ｍ深处的ＦＳＳ３ＤＢＨ型井下地震计，经常能记录到列车通过时产生的地振动信号（图１ｂ）．以往的研究主要集中在地面振动产生的“干扰”和“破坏”方面，即把列车振动看成是一种有害的噪声源和振

8、动源，而很少涉及到利用这种重复性甚好的激发源，进行有效的地下结构探测研究．研究表明（Ｄｉｔｚｅｌ犲狋犪犾，２００１），图１所记录的铁路振动信号包含有一定的地下结构信息，但现有研究还无法给出如此的多点（列车车轮与轨道多点接触）运动源所可能揭示的地下结构深度，甚至找不到正式发表的