120 km/h地铁多种减振轨道结构现场测试与分析

林渝轲,吴梦瑶,王 平

(1.高速铁路线路工程教育部重点实验室,成都 610031； 2.西南交通大学土木工程学院,成都 610031)

地铁作为现代化大中城市交通发展的首选，在城市轨道交通中发挥着举足轻重的作用[1]。继美国旧金山地铁运行速度达到128 km/h而作为世界地铁最高运营速度之后，我国上海、广州、深圳等地运行速度120 km/h地铁线路陆续开通，标志着地铁高速化将成为未来地铁发展的趋势。地铁提速给人们的出行带来更多的方便，但是地铁列车对轨道的高速冲击对环境的振动和噪声传播等问题的研究带来更多的挑战[2]。

目前，国内既有地铁线路列车设计速度大多为60 km/h或80 km/h，国内外许多学者采用现场测试[3]的方法对低速下列车轮轨振动传播规律进行了研究，Degrande[4]等通过对伦敦地铁地下段进行现场测试，分析了隧道结构及地面振动传播规律。闫维明等[5]等根据地铁现场测试结果研究发现地铁诱发振动对建筑物影响以垂直分量为主，地铁诱发的竖向振动沿地表水平方向传播时存在振动放大区。何卫[6]等通过现场测试分析了不同扣件类型及不同车速等因素对列车荷载特性的影响。但国内外专家学者对行车速度120 km/h地铁线路的现场测试及其减振效果的研究较为缺乏[7]。故通过现场测试详细评价在高速行车条件下各型减振轨道结构的减振效果很有必要且具备理论与现实意义。

通过对广东某城市地铁运行速度120 km/h左右下地铁隧道内DZIII-1型扣件普通整体道床、梯形轨枕轨道、钢弹簧浮置板轨道的现场振动测试[8-9]，评价地铁行车速度120 km/h左右下各型轨道结构的减振效果，以期为今后高速行车条件下减振轨道设计及线路的养护维修[10]提供实测数据与理论依据。

1 测试仪器和测点布置

测试仪器由加速度传感器、电荷放大器、数据采集系统以及电脑组成[11]。将加速度传感器固定在测点上，记录列车经过时所产生的钢轨加速度、道床(浮置板)加速度、隧道壁加速度。由数据采集系统进行采集，然后通过电脑做出分析[11]。

加速度传感器采用朗斯测试LC系列压电式加速度传感器，其具体技术指标如表1所示。数据采集仪器为德国IMC公司CS系列采集仪。

本次测试中普通整体道床轨道、梯形轨枕轨道、钢弹簧浮置板轨道均采用DZIII-1型扣件。测点布置在钢轨外侧轨底、道床(浮置板)和隧道壁上，由于浮置板轨道的隔振效果沿纵向位置是变化的，测试断面选择在浮置板的中部[12]。测试断面均位于直线线形区间，每个测试断面共安装3个测点，分别用于测量钢轨竖向振动加速度、道床竖向振动加速度、隧道壁振动加速度。各测点传感器布置如图1所示。

表1 加速度传感器技术指标

图1 测点布置示意

2 测试结果和分析

2.1 时域分析

本次测试中每种轨道结构各测试断面均采集至少20组数据[13]，每种轨道结构均选取行车速度为120 km/h左右工况下效果较好的测试断面典型振动加速度时程曲线图，数据处理前均采取滤波处理[13]，如图2～图4所示。

对比各测试断面典型振动加速度时程，得到以下结论。

(1)在地铁列车高速(120 km/h)行驶条件下，钢轨振动最剧烈的是普通整体道床轨道，其垂向振动加速度幅值高达292.14 m/s2，远高于钢弹簧浮置板轨道的249.03 m/s2与梯形轨枕轨道的96.21 m/s2；各减振轨道结构隧道壁振动最剧烈的依然是普通整体道床轨道，其隧道壁振动加速度幅值最大约为0.71 m/s2，但与钢轨振动加速度幅值大小变化规律不同的是，隧道壁振动加速度幅值最小的是钢弹簧浮置板轨道，振动幅值最大约为0.13 m/s2。

图2 普通整体道床轨道振动加速度时程

图3 梯形轨枕轨道振动加速度时程

图4 钢弹簧浮置板轨道振动加速度时程

(2)地铁列车在高速行驶条件下，3种轨道形式均符合振动加速度从钢轨至隧道壁的逐层递减规律。其中钢弹簧浮置板轨道振动加速度衰减最为明显，钢轨至道床振动加速度从249.03 m/s2降至0.13 m/s2，其次为整体道床轨道、梯形轨枕轨道。道床至隧道壁振动加速度衰减效果最好的为梯形轨枕轨道，但是隧道壁振动加速度幅值最小为钢弹簧浮置板轨道。总的来说，钢弹簧浮置板轨道相对于整体道床轨道和梯形轨枕轨道，对列车高速行驶引起的振动有较好的衰减作用。

研究表明不同频率的振动对人或物有着不同的影响，其中地铁运营引起的地面振动主要为80 Hz以下的振动，由于低频段0～20 Hz振动的衰减较慢，传播距离较远，对精密仪器、建筑物和人的影响较为明显[14]。

基于对各轨道形式各测试断面振动加速度进行带通滤波处理，统计分析了各轨道形式各个测试断面在0～2 500 Hz、20～80 Hz、0～20 Hz频段内振动加速度在各测试断面间的传递规律，继而分析不同轨道形式在不同频段内振动衰减情况[12]，如图5、图6所示。

根据我国《城市区域环境振动标准》(GB/T 10071—1988)[15]，加速度振级V(dB)的定义为

V=20lg(a/a0)

(1)

式中，a为振动加速度有效值，m/s2；a0为基准加速度，10-6m/s2。

各测点振动加速度有效值取6组效果较好时域数据有效值线性平均。

分析图5、图6可以得出如下结论。

(1)普通整体道床轨道在各频段内对振动的衰减均有一定效果，0～20 Hz振动加速度级在钢轨和道床间的衰减约为20 dB，在道床和隧道壁间的衰减约为25 dB；20～80 Hz振动加速度级在钢轨和道床间的衰减约为19 dB，在道床和隧道壁间的衰减约为14 dB；0～2 500 Hz振动加速度级在钢轨和道床间的衰减约为20 dB，在道床和隧道壁间的衰减约为17 dB。

图5 各轨道结构振动加速度级

图6 各轨道结构隧道壁对比损失

(2)梯形轨枕轨道结构能有效降低隧道壁振动，在0～20 Hz范围内，振动加速度级在钢轨和轨枕间略有衰减，约为13 dB，在轨枕和隧道壁间有40 dB的明显衰减；20～80 Hz范围内振动加速度级在钢轨和轨枕间仅有约5 dB的衰减，在轨枕和隧道壁间的衰减比较明显，约为42 dB；0～2 500 Hz振动加速度级在钢轨和轨枕间的衰减约为13 dB，衰减仍然较小，在轨枕和隧道壁间的衰减非常明显，约为50 dB。

(3)钢弹簧浮置板对振动的衰减主要在钢轨与浮置板之间完成，0～20 Hz振动加速度级在钢轨和浮置板间的衰减约53 dB，衰减非常明显。在浮置板和隧道壁间的衰减约为12 dB；20～80 Hz范围内振动加速度级在钢轨和浮置板间振动衰减为70 dB，而在浮置板和隧道壁间的衰减约为10 dB；0～2 500 Hz振动加速度级在钢轨和浮置板间的衰减约为80 dB，在浮置板和隧道壁间的衰减约为24 dB。

(4)0～20、20～80和0～2 500 Hz 3种频段内的振动加速度级，普通整体道床、梯形轨枕轨道对比图中的0～2 500 Hz频段比20～80 Hz频段的振动级还要小一些，说明普通整体道床、梯形轨枕轨道在高频段的减振效果要优于低频段。

(5)通过对比分析各减振措施隧道壁各频段内垂向振动加速度级，可以明显地看出减振效果最好的为钢弹簧浮置板轨道，其次为梯形轨枕轨道、普通整体道床轨道。

2.2 频域分析

通过对6组较好的振动加速度时程试验数据通过傅里叶积分变换进行随机信号分析得到振动加速度频谱，然后通过1/3倍频程谱进行频域分析[13]。不同轨道形式的同一测试断面钢轨、道床和隧道壁加速度1/3倍频程谱如图7、图8所示。

图7 各轨道结构振动加速度1/3倍频程谱

图8 隧道壁垂向振动加速度1/3倍频程谱

通过分析图7、图8得到以下结论。

(1)普通整体道床钢轨至道床在频域内垂向振动加速度是均匀衰减，每个频段内衰减大小相差不大。从道床至隧道，频域内垂向振动加速度均有衰减，但衰减程度不同，在低频范围内衰减较大，高频范围内衰减相对较小。从图中也可看出，从钢轨、道床到隧道壁，垂向振动加速度主频在逐渐减小。

(2)对于钢轨的振动而言，梯形轨枕轨道振动峰值最小，约为142 dB，且其主频已超过1 600 Hz(其余两种轨道钢轨振动主频约为1 250 Hz)，并不在高频振动产生噪声的主要频段780～1 600 Hz范围内。梯形轨枕轨道的轨枕减振效果也较好，平均在40 dB左右，最大可达到50 dB。经过计算，在行车速度为118 km/h工况下，梯形轨枕轨道钢轨、轨枕和隧道结构的垂向振动加速度在1/3倍频程综合振级分别为147.4、138.2和102.8 dB。

(3)钢弹簧浮置板轨道从钢轨至浮置板垂向振动加速度在全频段范围内衰减且衰减值较大，衰减效果最为突出，高频范围内衰减值略大于低频。浮置板至隧道垂向振动加速度在全频段范围内衰减，低频范围内衰减值略大于高频。对钢弹簧浮置板轨道而言，钢轨至浮置板的衰减值要远大于浮置板至隧道的衰减值。

(4)从图8可看出，在不考虑隧道结构形状及隧道结构与土体的耦合影响等情况下，在地铁列车行车速度为120 km/h左右工况下，3种轨道结构中钢弹簧浮置板轨道减振效果最好，其次为梯形轨枕轨道，减振效果最差的为普通整体道床。

3 结论与建议

(1)普通整体道床轨道在各频段内对振动的衰减均有一定效果，0～20 Hz、20～80 Hz和0～2 500 Hz三个频段均有约20 dB的减振效果，有效地衰减钢轨至道床的振动。道床至隧道，频域内垂向振动加速度均有衰减，但衰减程度不同，在低频范围内衰减较大，高频范围内衰减相对较小。

(2)梯形轨枕轨道结构能有效降低隧道壁振动，在0～20 Hz、0～2 500 Hz范围内，振动加速度级在钢轨和轨枕间略有衰减，约为13 dB，20～80 Hz范围内仅有约5 dB的衰减；0～20 Hz、20～80 Hz范围内在轨枕和隧道壁间有40 dB的明显衰减；0～2 500 Hz范围内约50 dB的衰减。

(3)钢弹簧浮置板对振动的衰减主要在钢轨与浮置板之间完成，0～20 Hz、20～80 Hz、0～2500 Hz范围内振动加速度级在钢轨和浮置板间的衰减分别为53、70、80 dB，衰减非常明显。0～20 Hz、20～80 Hz、0～2 500 Hz范围内振动加速度级在浮置板和隧道壁间的衰减约为12、10、24 dB。

(4)不同的减振措施对减振部位有不同的减振效果，根据不同减振措施的减振特点进行设计将是减振设计的重点。

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