重载铁路隧道内无砟轨道结构振动特性研究

赵　勇(1.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京　100081;2.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京　100081)



重载铁路隧道内无砟轨道结构振动特性研究

赵勇1，2
(1.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081;2.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京100081)

摘要:利用瓦(塘)日(照)铁路30 t轴重重载综合试验段对隧道内无砟轨道结构的振动特性进行了研究。结果表明:与现浇枕式无砟轨道相比，弹性支承块式无砟轨道由于采用了双层弹性垫层设计，刚度系数更加均匀，其轨道结构对低频和高频振动的减振效果较为显著，对于衰减轮轨冲击力和隧道基础振动、降低隧道基底的应力水平、避免或减轻一些基底病害的发生和发展较为有利。

关键词:重载铁路隧道内无砟轨道振动衰减性能刚度系数

重载铁路的运量和列车轴重较大，为适应重载铁路列车荷载的特点，确保行车安全，应采用配套的轨道结构。有砟轨道和无砟轨道作为轨道结构的两种基本形式，各有利弊［1］。有砟轨道结构简单、弹性好，在一定的养护维修条件下具有较好的轮轨接触状态，减振、降噪效果好，维修较方便，造价相对较低［2］。而无砟轨道结构则具有稳定性好、平顺性高、轨道状态长期保持能力强、维修工作量较少等突出优点［3］。重载铁路速度相对较低，在普通地段可采用经济性好、方便维修的有砟轨道结构，但对于长大隧道地段，在保证下部基础条件及施工质量的前提下，采用少维修的无砟轨道结构更具优势［4-6］。

国内新建30 t重载铁路主要为煤运铁路，从线路的稳定性、养护维修等方面考虑，在重载铁路长大隧道内铺设无砟轨道结构具有一定的技术优势［4］，目前已研发了3种隧道内无砟轨道结构形式(弹性支承块式、双块式和长枕埋入式)。但国内外重载铁路无规模铺设无砟轨道结构的工程应用经验，故研究隧道内无砟轨道结构在30 t轴重重载列车作用下的动力性能，尤其是研究振动对无砟轨道结构和下部基础的影响至关重要。本文结合瓦日铁路30 t轴重重载综合试验段，重点对隧道内无砟轨道结构振动特性进行研究。

1　隧道内重载轨道结构概况

弹性支承块式无砟轨道由钢轨、扣件、支承块、橡胶套靴、块下弹性垫板、道床板等部分组成。现浇枕式无砟轨道包括双块式和长枕埋入式，结构组成见图1。弹性支承块式与现浇枕式无砟轨道结构系统对比见表1。

图1　隧道内重载无砟轨道结构断面(标高:mm;尺寸:mm)

由于双块式与长枕埋入式无砟轨道设计基本相同，均为现浇枕式无砟轨道，因此选取直线地段双块式与直线地段弹性支承块式无砟轨道进行对比研究。

2　无砟轨道结构振动特性研究

2.1振动时域特征分析

振动时域特征参数包括振动加速度的时域幅值和有效值。通过时域特征分析，可以直观得出无砟轨道结构振动的总体趋势。以30 t轴重5 000 t编组试验列车通过时测试结果为例，直线地段、不同速度等级和不同测点的弹性支承块式和现浇枕式两种无砟轨道结构的振动加速度对比见图2和图3。

表1　隧道内重载无砟轨道系统对比

图2　振动加速度时域幅值对比

图3　振动加速度有效值对比

对比图2和图3可以看出:

①弹性支承块式与现浇枕式无砟轨道相比，钢轨振动加速度幅值和有效值均略小。由于支承块周围橡胶套靴和块下弹性垫板的设置，使得道床板参振质量小于现浇枕式，道床板振动加速度幅值和有效值均大于现浇枕式。支承块下垫板和橡胶套靴的设置会使支承块本身产生一定的振动，其振动加速度量值较小，同时橡胶套靴的设置可缓解支承块与混凝土道床间的刚性接触，对支承块和道床板的受力和振动起到缓冲的作用。

②30 t轴重试验列车通过时，两种轨道结构在同一速度下，钢轨振动能量最大，支承块次之，隧道边墙最小，道床板和隧道基底的振动能量介于支承块和隧道边墙之间，且振动强度基本相当;弹性支承块式无砟轨道结构隧道基底以及隧道边墙振动加速度显著低于现浇枕式无砟轨道结构。这是因为弹性支承块式无砟轨道设置了轨下垫板及块下垫板双层弹性层，故其相对于现浇枕式无砟轨道更有利于减缓下部基础的振动。

2.2插入损失分析

振动加速度的有效值(均方根值)是衡量加速度强度的统计指标，它表示振动加速度在单位时间内的平均功，称为平均功率。平均功率乘以过程总时间，就可得出整个过程(完成运量的全寿命期限)的全功。这个全功可以视为加速度对轨道总体破坏作用的量度。插入损失L1为

式中:a2R为没有隔振装置时的响应;a2为有隔振装置时的响应。

当L1＞0时，隔振系统起作用;当L1＜0时，隔振系统没有衰减作用。

对式(1)进行变换，引入基准加速度a0= 10－6m/s2，得到

式中:VL2R为无隔振装置时的振动加速度级;VL2为有隔振装置时的振动加速度级。

式2表明，插入损失即为有无隔振装置时的振动加速度级之差。

本文中统一采用加速度有效值来计算弹性支承块式相对于现浇枕式无砟轨道的插入损失。

30 t轴重重载试验列车以不同速度通过直线段时，弹性支承块式相对于现浇枕式无砟轨道结构的插入损失统计见表2，振动加速度级与列车速度关系见图4。

表2　弹性支承块式相对于现浇枕式插入损失统计　dB

对比表2及图4可以看出:

①弹性支承块式和现浇枕式的钢轨、支承块、道床板、隧道基底和隧道边墙振动加速度级随列车速度提高有明显的增大趋势。

图4　振动加速度级对比

②弹性支承块式与现浇枕式相比，钢轨振动加速度级略小，道床板振动加速度级略大。由于橡胶套靴对支承块的约束作用，支承块本身的振动加速度级值较小，同时橡胶套靴的设置可缓解支承块与混凝土道床间的刚性接触，对支承块和道床板的受力和振动起到缓冲的作用。

③对于隧道基底和隧道边墙的振动加速度级，弹性支承块式明显小于现浇枕式，相对现浇枕式无砟轨道地段其隧道基底和边墙的插入损失最大值分别为11.10 dB和8.20 dB，弹性支承块式无砟轨道由于设置轨下垫板及块下垫板双层弹性垫层，相对于现浇枕式无砟轨道更有利于减缓下部基础(隧道基底和隧道边墙)的振动。双层弹性垫层的设计减振效果明显，对下部基础的减振效果达到10 dB左右，故弹性支承块式比现浇枕式的减振效果更优越。

④与刚性道床相比，弹性支承块式无砟轨道由于采用了双层弹性垫层设计，轨道结构的振动衰减性能较为显著，对于衰减隧道基础振动(尤其在基础处理不良及地下水发育地段)、降低隧道基底的应力水平，避免或减轻一些基底病害的发生和发展较为有利。

2.3振动频域特征分析

30 t轴重试验列车以不同速度通过直线段弹性支承块式、现浇枕式无砟轨道结构时，对不同断面轨道结构的振动加速度信号进行1/3倍频程分析。通过振动频域特征分析可以得出无砟轨道结构在不同频段的振动加速度级，1/3倍频程中心频率按照ISO标准给出，钢轨、道床板、隧道基底以及隧道边墙垂向振动加速度频域对比见图5。

图5　无砟轨道结构及下部基础振动加速度频域对比

由图5可以看出:

①直线段弹性支承块式与现浇枕式无砟轨道结构相比，钢轨在100 Hz频带以下有一定的减振效果;道床板在500 Hz频带以下存在一定的振动放大效果。

②直线段弹性支承块式与现浇枕式无砟轨道结构相比，隧道基底在100 Hz频带以下有一定的减振效果，各频段中心频率隧道基底振动加速度级之差最大值出现在31.5 Hz，减振效果达到14.05～18.01 dB;在315～1 000 Hz频带上，各频段中心频率隧道基底振动加速度级之差较大，最大值出现在500 Hz，减振效果达到24.77 dB。

③直线地段弹性支承块式与现浇枕式无砟轨道结构相比，隧道边墙在315～1 000 Hz频带有一定的减振效果，各频段中心频率隧道基底振动加速度级之差最大值出现在1 000 Hz，减振效果达到15.41～15.60 dB;在50 Hz频带以下，各频段中心频率隧道基底振动加速度级之差较大，最大值出现在10 Hz，减振效果达到16.61～27.94 dB。

④30 t轴重编组车辆通过时，弹性支承块式钢轨在100 Hz频带以下有一定的减振效果，道床板在500 Hz频带以下存在一定的振动放大效果。而对于隧道基底以及隧道边墙振动加速度级，弹性支承块式无砟轨道结构测试数据在低频和高频段显著低于双块式无砟轨道，在中频段两者基本相当。这是因为弹性支承块式无砟轨道设置了轨下垫板及块下垫板双层弹性垫层，相对于现浇枕式无砟轨道其更有利于减缓下部基础低频及高频段的振动。

2.4荷载冲击振动分析

为测试无砟轨道结构在冲击荷载作用下的振动特性，利用移动加载车进行荷载冲击试验。试验分为150 kN和225 kN两种冲击荷载工况，每种工况至少冲击6次，测试钢轨、道床板、隧道基底以及隧道边墙的振动加速度［7-9］。结果见表3。表中数据为各工况所测最大时域幅值的平均值。

表3　定点荷载冲击试验轨道结构各部件及下部基础振动加速度值　m/s2

由表3可以看出:随冲击荷载值增大，轨道结构各部件及隧道基底、隧道边墙振动加速度均有明显增大。

在相同冲击荷载作用下，弹性支承块式无砟轨道与现浇枕式相比，道床板、隧道基底和隧道边墙的振动加速度量值明显较小，弹性支承块式无砟轨道与现浇枕式无砟轨道刚度基本相同，但支承块下弹性垫板的设置更有利于缓冲列车振动的冲击，使其具有一定的减振效果。

2.5弹性系数、阻尼系数和振动衰减次数分析

为分析轨道的振动传递和衰减性能，在实验室建造实尺无砟轨道试验模型，采用落轴试验车，对实尺轨道结构进行落轴试验。

试验结果表明:

1)在重载弹性支承块式无砟轨道(弹性道床)和现浇枕式无砟轨道(刚性道床)进行落轴试验时，冲击位置的变化和落轴高度对轮轨冲击力衰减次数的影响较小，轨道的弹性系数和阻尼系数与落轴高度没有必要关系。

2)弹性道床扣件支点上刚度系数为68.3～89.5 kN/mm，阻尼系数为117.7～118.2 kN·s/m;扣件支点间的刚度系数为73.1～79.3 kN/mm，阻尼系数为75.4～80.0 kN·s/m。扣件支点上和支点间的刚度系数更加均匀，但阻尼系数有明显差异。

3)刚性道床扣件支点上刚度系数为108.0～124.4 kN/mm，阻尼系数为74.6～82.3 kN·s/m，扣件支点间的刚度系数为89.8～96.1 kN/mm，阻尼系数为63.4～65.9 kN·s/m。扣件支点上和支点间的刚度系数略有差异，但阻尼系数差异不大。

4)同种轨道结构轮轨冲击力的峰值＞15 kN之前的衰减次数在两个冲击位置且不同落高工况下变化不大，但弹性道床和刚性道床相比具有明显差异，弹性道床的冲击衰减次数平均在3～4次，刚性道床的冲击衰减次数平均在9～10次。

5)弹性道床与刚性道床相比，当轨道结构节点刚度相近时不同位置处的刚度更加均匀，且双层减振结构更有利于轮轨冲击力的迅速衰减［10-11］。

3　结语

1)弹性支承块式与现浇枕式相比，钢轨振动加速度级略小，道床板振动加速度级略大。由于橡胶套靴对支承块的约束作用，支承块本身的振动加速度级值较小，同时橡胶套靴的设置可缓解支承块与混凝土道床间的刚性接触，对支承块和道床板的受力和振动起到缓冲的作用。隧道基底和隧道边墙的振动加速度级，弹性支承块式无砟轨道明显小于现浇枕式无砟轨道，减振效果达到10 dB左右，其具有更优越的隔振效果。

2)弹性支承块式钢轨在100 Hz频带以下有一定的减振效果，道床板在500 Hz频带以下存在一定的振动放大效果。相对于现浇枕式无砟轨道其更有利于减缓下部基础低频及高频段的振动。

3)弹性道床扣件支点上和支点间的刚度系数更加均匀，但阻尼系数有明显差异;刚性道床扣件支点上和支点间的刚度系数略有差异，但阻尼系数差异不大。

4)弹性道床的冲击衰减次数平均在3～4次，刚性道床的冲击衰减次数平均在9～10次，双层减振结构更有利于轮轨冲击力的迅速衰减。

5)与现浇枕式无砟轨道相比，弹性支承块式无砟轨道由于采用了双层弹性垫层设计，其轨道结构的振动衰减性能较为显著，对于衰减轮轨冲击力和隧道基础振动、降低隧道基底的应力水平，避免或减轻一些基底病害的发生和发展较为有利。

参考文献

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［11］王继军，尤瑞林，杜香刚，等.重载铁路隧道内无砟轨道结构选型分析［J］.铁道建筑，2013(5):132-136.

(责任审编葛全红)

Research on Vibration Performance of Heavy Haul Ballastless Track Structure in Tunnel

ZHAO Yong1，2

(1.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China;2.State Key Laboratory for Track Technology of High-Speed Railway，Beijing 100081，China)

Abstract:T he vibration characteristics of ballastless track structure in tunnel were studied by experiments of W a(tang)Ri(Zhao)railway 30 t axle load heavy comprehensive test section.T he results showed that the low vibration track(LVT)uses double elastic cushion design and the stiffness coefficient is more uniform compared to cast-in-place pillow ballastless track，the structure of which has a significant effect on vibration damping with low frequency and high frequency，and LVT has the advantages of attenuating wheel-rail impact and tunnel foundation vibration，reducing the stress level of the tunnel base，avoiding or reducing the occurrence and development of some base diseases.

Key words:Heavy haul railway;Ballastless track in tunnel;Vibration;Attenuation performance;Stiffness coefficient

作者简介:赵勇(1983—)，男，助理研究员。

基金项目:中国铁路总公司科技研究开发计划(2014G002-B)

收稿日期:2015-12-20;修回日期:2016-01-20

文章编号:1003-1995(2016)03-0136-06

中图分类号:U213.2+44

文献标识码:A

DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2016.03.33