地铁车辆段装配式轨道原位换铺试验研究

戴春阳 王璞 赵磊 张艳军

1.北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京 100082；2.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081

轨道交通是大中型城市主要公共交通形式。截至2021 年底，北京地铁运营里程已经达到738 km。GB 50157—2013《地铁设计规范》规定，线路长度大于20 km 时需设置一处车辆段和一处停车场，车辆段和停车场一般统称为车辆基地。车辆基地平均占地面积约20 万m2［1］。为集约和充分利用土地资源，有必要对其进行一体化开发。车辆基地的联合检修库和运用库上盖区域是一体化开发的重点。

国内外学者对地铁列车运行引起上盖振动问题进行了相关研究。With等［2］对瑞典一建筑物在车辆作用下的实测和预测振动进行了对比，推导出传递函数和振动衰减规律。郑凤霞［3］对香港地铁车辆段一体化开发情况进行了分析，总结了设置减振轨道以及建筑隔振的方案。冯青松、刘文武等［4-6］将实测数据输入有限元模型中，模拟分析了车辆段上盖建筑楼板的振动响应。李晓霖等［7］以北京四惠车辆段为对象建立有限元模型，分析了振动在上盖建筑中的传播规律，发现建筑物中竖向振动更显著。邬玉斌等［8］建立了三维精细化有限元模型，对地铁车辆段库上建筑振动进行仿真分析，提出楼板自振频率应尽量避开地铁振动主频范围。谢伟平等［9］对杭州某地铁车辆段上盖建筑进行了测试，发现增大楼板的厚度及减小跨度会降低楼板的Z振级。何蕾等［10］对北京某地铁车辆段上盖开展测试研究，发现轨道结构与咽喉区框架结构柱间的距离及上部结构转换方式对振动衰减至关重要。曾泽民［11］选取广州地铁某车辆段进行现场实测，结果显示不可忽视水平振动的影响。Zou 等［12-13］通过对广州和深圳某车辆段的现场实测分析，研究了振动沿地面及建筑物的传递规律。

通过对国内外研究现状的整理分析，发现库内减振轨道设计、现场测试中存在的主要问题为：①联合检修库和运用库内（以下简称库内）减振轨道测试还处于“一事一议”状态，一条线路只能进行一种测试，测试结果不具备普适性。②与正线振动测试数据量相比，库内测试数据量明显不足。③库内振动源强的预测方法主要采用工程类比法和仿真分析法，各工程测试地点、试验车辆、轨道结构、速度等存在差异，须要对测试结果进行修正，而测试结果不能有效指导仿真分析。④正线采用的减振轨道方案直接在库内车辆段应用，针对其适用性的测试研究相对较少。

鉴于此，本文通过装配式轨道原位换铺试验，在同一条车辆段库内线路上，只改变减振垫或扣件，保证其他测试条件相同，设置不同测试断面，测试不同速度条件下库内振动源强、轨道结构减振能力、上盖结构振动、减振轨道垂向自振频率及阻尼比等内容。

1 原位换铺试验设计

1.1 试验地点

北京地铁北安河车辆段属于第四代一体化开发车辆段，具备试验条件。选择库内第20股道作为测试线路，该线路与入段线相连，线形为直线，测试速度可达到25 km/h。该线路不影响运营，可高效率收发车。线路垂直上方为平台结构。

1.2 测试对象

选取2种橡胶减振垫（满铺和条铺）、1种聚氨酯减振垫（满铺和条铺）、2 种减振扣件、1 种非减振扣件进行测试。其主要参数分别见表1、表2。

表1 减振垫主要参数

表2 扣件主要参数

1.3 试验方案

1.3.1 试验车辆

采用同一辆8 节地铁A 型车作为试验用车，编组为Tc+Mp+2M+Mp+M+Mp+Tc。其中：Tc 为带有司机室的拖车，Mp 为带有受电弓的动车，M 为无受电弓动车。Tc、Mp、M 的质量分别为37.94、39.60 和38.70 t。

1.3.2 测试断面

测试断面布置见图1。断面1位于库中部，车辆通过速度为0～15 km/h；断面2 位于断面1 左侧50 m，车辆通过速度为15 km/h 和15～25 km/h；断面3 位于断面1 左侧100 m，车辆通过速度为15、25 km/h；断面4位于断面1左侧150 m，车辆通过速度为15、25 km/h。

图1 测试断面布置示意（单位：m）

1.3.3 测点布置

传感器布置在第20股道的轨道结构、库内地面及对应的上盖结构上，见图2、图3。

图2 轨道结构及库内地面传感器布置

图3 上盖结构传感器布置（单位：m）

1.3.4 测试周期

出库运行：试验车辆加速至15 km/h 并保持匀速或加速至25 km/h 并保持匀速，车头驶出库门后匀速运行180 m，然后减速停车，至此完成1次出库运行。

入库运行：试验车辆由库外以5 km/h 速度返回库内起点，至此完成1次入库运行。

1次出库运行+1次入库运行组成1个测试周期。

1.3.5 测试流程

通过装配式轨道分别实现6 种减振垫和3 种扣件的安装、拆卸并开展相关测试。以铺设橡胶减振垫A（满铺）轨道为例，原位换铺测试流程见图4。

图4 测试流程

2 装配式轨道设计

装配式轨道包括预制轨道板、限位装置、剪力铰、检查井等部分，见图5。

图5 装配式轨道平面布置（单位：cm）

装配式轨道可兼容不同厚度、不同铺设形式的减振垫和不同高度的扣件，已获得技术专利［14］。装配式轨道结构中取消了填充层部分，节省了填充层施工时间，同时具备限位功能，可实现快速拆卸和安装。综合施工速度达到150 m/d。

2.1 预制轨道板

预制轨道板为非预应力结构，尺寸为4.70 m（长）×2.32 m（宽）× 0.27 m（厚）。预制轨道板采用C60混凝土，设置上下两层钢筋。每块预制轨道板包含8 对承轨台，表面设置1∶40轨底坡。

2.2 限位装置

由在轨道基底上设置的限位凸台和安装在限位凸台上的纵向限位装置实现纵向限位功能；由安装在预制轨道板侧面的横向限位装置实现横向限位功能。限位装置由缓冲橡胶、固定垫片、调整垫片和固定螺栓组成，见图6。

图6 限位装置

2.3 剪力铰及检查井

两块预制板端部设置六边形空间作为检查井，用于装配式轨道检查和维修。检查井上加装盖板，为人员在轨道表面行走提供条件。在检查井内部两侧安装剪力铰，用以控制列车荷载作用下两块预制轨道板端部相对垂向变形差，见图7。

图7 剪力铰与检查井布置

3 测试结果与分析

本次试验共得到6 万条有效数据。根据CJJ/ T 191—2012《浮置板轨道技术规范》采用振动插入损失评价减振轨道的减振效果。不同测试速度下库内地面振动插入损失见图8。

图8 不同测试速度下库内地面振动插入损失

由图8 可知：①三种测试速度下振动插入损失由大到小排序基本相同，即聚氨酯减振垫（条铺）、橡胶减振垫A（满铺）、橡胶减振垫A（条铺）、橡胶减振垫B（条铺）、橡胶减振垫B（满铺）、聚氨酯减振垫（满铺）、减振扣件B、减振扣件A。②除测试速度15 km/h 时聚氨酯减振垫（满铺）振动插入损失小于减振扣件B 外，其余速度条件下减振垫振动插入损失均大于减振扣件。③三种测试速度下6 种减振垫和2 种扣件5 km/h振动插入损失最大，15 km/h振动插入损失最小。

6 种减振垫轨道的垂向自振频率（平均值）及阻尼比见表3。可知：①6种减振垫轨道垂向自振频率由小到大依次为聚氨酯减振垫（条铺）、橡胶减振垫A（满铺）、橡胶减振垫A（条铺）、橡胶减振垫B（条铺）、橡胶减振垫B（满铺）、聚氨酯减振垫（满铺），与库内地面振动插入损失排序一致。②聚氨酯减振垫和橡胶减振垫B 条铺时阻尼比均大于满铺时，橡胶减振垫A 满铺时阻尼比大于条铺时。

表3 减振垫轨道垂向自振频率及阻尼比

库内地面振动加速度级1/3 倍频程曲线见图9。可知：在中心频率50～63 Hz 处振动加速度级出现峰值。根据GB 10071—1988《城市区域环境振动测量方法》及GB/ T 13441.1—2007《机械振动与冲击 人体暴露于全身振动的评价 第1 部分：一般要求》中的振动测量及计权方法，计算得到以5、15、25 km/h 速度运行时库内地面振动源强分别为78.1、83.8、86.7 dB，说明库内地面振动源强随测试速度提高而增大。

图9 库内地面振动加速度级1/3倍频程曲线

GB 10070 —1988《城市区域环境振动标准》中规定：居民文教区白天环境振动不超过70 dB，夜间环境振动不超过67 dB。上盖结构振动测试结果见表4。可知：①测试速度为5 km/h 时无论是采用减振垫还是采用扣件，上盖结构振动均满足要求；②测试速度为15 km/h时，采用减振垫或扣件时上盖结构振动均满足白天要求；采用聚氨酯减振垫（满铺）、减振扣件A、B和非减振扣件时，上盖结构振动不满足夜间要求；③测试速度为25 km/h 时，采用聚氨酯减振垫（满铺）、减振扣件A、B 和非减振扣件时，上盖结构振动不满足白天和夜间要求。可见，同时满足所有速度条件下上盖结构振动白天和夜间要求的减振轨道结构有橡胶减振垫A、聚氨酯减振垫（条铺）、橡胶减振垫B。

表4 上盖结构振动测试结果

4 结论

1）依托北安河车辆段工程，采用原位换铺技术利用库内同一条线路对9种轨道结构实现了较理想的单一变量测试，获得了6万条有效数据。

2）研发的装配式轨道结构可快速、无损安装和拆卸，综合施工速度达到150 m/d。

3）除测试速度为15 km/h 时聚氨酯减振垫（满铺）振动插入损失小于减振扣件B 外，其余速度条件下减振垫振动插入损失均大于减振扣件。

4）库内地面振动源强随测试速度提高而增大。8节A 型车编组车辆以5、15、25 km/h 速度行驶时库内地面振动源强分别为78.1、83.8、86.7 dB，在中心频率50～63 Hz处出现峰值。

5）同时满足三种速度条件下上盖结构白天和夜间振动要求的减振轨道结构有橡胶减振垫A、聚氨酯减振垫（条铺）、橡胶减振垫B。