城际铁路地下线振动源强取值研究

冯杜炀 郭 骁 吴思行 宋天昊

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

1 概述

1.1 研究意义

城际铁路系指仅运行动车组列车的标准轨距客运专线线路，设计速度分为200，160，120 km/h三级[1]。随着我国城市化进程的快速发展，城际铁路沿线规划或建设大量振动敏感型建筑，轨道交通地下线轮轨作用产生的振动对沿线居民工作与生活产生较大的影响。因此，需结合振动源强数值、敏感建筑振动控制目标值进行轨道结构关键参数设计，以满足环保验收及相关标准的要求。因此，准确选取合适的源强数值，对城际铁路轨道减振设计具有重要意义[2]。

城际铁路振动与噪声源强主要参考原铁道部颁布的铁计[2010]44号《铁路建设项目环境影响评价噪声振动源强取值和治理原则指导意见(2010年修订稿)》[3]，但该文件主要针对露天段振动与噪声源强，对地下线振动源强则未提出测点要求及取值建议。目前，城际铁路地下线振动源强取值主要参考生态环境部颁布的HJ 453—2018《环境影响评价技术导则 城市轨道交通》[4](以下简称“环评导则”)，采用半经验公式法进行振动预测[5]，即现场实测类似线路振动源强，采用经验公式预测沿线建筑物实际振动情况。

既有地下线振动源强研究主要针对地铁线路，圣小珍等通过分析实测数据，初步提出轨道结构振动的频率范围和振幅范围[6]；李宪同等通过对运营线路的现场实测，给出地铁地下线源强的选取建议及取值方法[7]。城际铁路方面，陈俊豪等通过对某时速200 km的城际铁路进行现场实测，对城际铁路振动在钢轨、道床、隧道壁传递衰减进行研究[8]；田苗对成灌线开通后的振动环境影响进行分析，并对路基及桥梁地段仿真模型的准确性进行验证[9]。

综上，既有研究主要集中在地铁线路源强取值及城际铁路振动的传递特性研究，缺少针对典型工况城际铁路地下线源强具体取值研究。提出不同速度、典型隧道结构工况下的地下线振动源强值，有助于环评咨询单位或轨道减振设计人员对沿线建筑物振动超标情况进行准确预测[10]。以下基于珠三角地区时速160 km城际铁路矩形隧道，采用有限元仿真分析，建模计算轨道动力学及隧道壁振级等关键指标；并采用现场实测的方式，通过轨道动力学指标及隧道壁振级，对模型准确性进行验证。最后采用有限元仿真分析方法，建立盾构或暗挖隧道、不同车速条件下的仿真模型，提出各类典型工况下的地下线源强建议值[11]。

1.2 既有线源强取值

根据环评导则，为确保地下线振动源强预测的准确性，振动源强测试应符合以下规定。

(1)振动源强测试时列车参考速度应在预测断面设计速度的75%～125%范围内。

(2)类比测量时，选择的线路应满足同一类型道床(有砟或无砟)、直线段普通扣件。钢轨类型、列车类型及线下基础类型应与研究线路相同或类似。

结合部分已建成时速160 km的城际铁路项目(或以地铁模式建设的高速度线路)地下线振动源强取值情况(见表1)及环评导则，部分线路的源强选取存在测试列车速度较断面设计速度偏差较大、测试断面为减振轨道、测试车辆与研究线路差异较大等问题。这些问题易造成源强取值与实际线路偏差较大，振动超标预测不准确等弊端。

表1 部分城际铁路地下线振动源强情况

2 仿真模型建立

2.1 模型建立

采用有限元仿真分析软件，对珠三角地区某时速160 km的城际铁路矩形隧道地段建立车辆-轨道-隧道-土体动力学耦合模型(见图1)，轨道主要参数见表2[16]。

图1 明挖矩形隧道仿真分析模型

表2 轨道模型建立相关参数

该城际铁路为明挖隧道，线间距为6.9 m，平面线形为直线，采用单洞双线形式，两线间设中隔墙，隧道主体结构采用C50混凝土。线路埋深为15.25 m，采用双块式无砟轨道，铺设60 kg/m钢轨及WJ-8B型扣件。结合沿线勘察情况，隧道主要穿越粉质黏土层。

车辆采用CRH6型动车组，建模参数见表3。模型中车辆速度与后续实测时平均通过速度一致，为137 km/h。轨道不平顺选取德国低干扰谱[17]。

表3 CRH6型动车组车辆建模参数[18]

续表3

2.2 关键参数计算

提取模型中部两扣件间中心位置的钢轨垂向加速度、钢轨垂向位移、钢轨横向位移、道床垂向加速度及对应隧道壁位置垂向加速度数据。

3 振动实测与模型验证

3.1 测试方案

选取计算分析的城际铁路断面A进行相关数据实测。其中，钢轨加速度测点位于轨底，钢轨位移测点位于轨腰，道床加速度测点布置于道床边缘与扣件之间[19]。根据环评导则要求，地下线振动源强测点传感器置于隧道壁(远离另一线轨道一侧)，高于轨顶面1.25 m±0.25 m的位置。测点布置见图2。

图2 现场实测传感器布置

测试采用的主要仪器名称、型号及说明见表4。

表4 测试仪器名称、型号及说明

3.2 实测数据与仿真数据对比

取速度介于130～140 km/h、且测试时间位于高峰期段的10组实测数据与仿真数据进行对比，10组数据车速平均值为137 km/h。实测数据与仿真数据对比见表5[20]。

表5 实测数据与仿真数据对比

由表5可知，利用车辆-轨道-基础耦合模型计算得出的4项主要轨道动力学结果均在实测数据范围内，而隧道壁Vlzmax计算值略大于实测值。考虑到隧道壁振级直接受轨道几何状态影响，而现场实测时，仅低密度运营3个月，轨道几何状态相对较优，模型计算值略大于实测值，体现了轨道几何状态劣化后效果，且源强的保守取值有利于振动控制。因此，可采用该模型进行源强预测。

4 不同速度级源强预测

城际铁路设计速度为120～200 km/h，由于不同速度工况下列车类型及相应常用隧道类型均有差异，建议结合实际工程中城际铁路典型设计方案，分2种工况对地下线源强数据进行预测。

4.1 时速120～160 km盾构隧道工况

设计速度为120(含)～160 km/h(含)时，该速度范围典型工况为市域D型车[21]，采用圆形盾构隧道。盾构内径为7.9 m，管片厚0.45 m，轨道采用一般整体道床，扣件采用普通弹性扣件。该工况地下线振动源强预测值见表6。

表6 工况一振动源强预测

根据计算结果，当设计速度为120 km/h时，盾构隧道壁振动源强为72.96 dB；当速度为160 km/h时，其隧道壁振动源强为77.42 dB。对于120～160 km/h速度级盾构隧道，设计速度每增加10 km/h，源强大小平均增加1.115 dB，设计速度增加值与对应源强增加值非简单线性关系，但呈明显正比关系。

4.2 时速160～200 km暗挖隧道工况

设计速度为160(含)～200 km/h(含)时，该速度范围典型工况为CRH6型车，采用暗挖马蹄形隧道。隧道一般为单洞双线，线间距为4.2 m，轨道采用一般整体道床，扣件采用普通弹性扣件。地下线振动源强预测值见表7。

表7 工况二振动源强预测

根据计算结果，当设计速度为160 km/h时，暗挖隧道壁振动源强为73.93 dB，明显小于速度160 km/h盾构隧道77.42 dB，主要原因在于，暗挖隧道一般为单洞双线结构，隧道参振质量较大。对于120～160 km/h速度级暗挖隧道，设计速度与振源大小也呈正相关关系。当速度超过180 km/h时，振源大小变化幅度显著降低，可能由于小于该速度时，车体部分部件共振频率与轨道不平顺产生的轮轨激励频率部分重合所导致。

5 结论

梳理已建成城际铁路地下线源强取值情况，建立某城际铁路有限元分析模型，并在该城际铁路现场进行实测，采用轨道动力学及隧道壁振级等指标对模型的准确性进行验证。采用验证后的有限元模型，提出城际铁路不同隧道结构、不同时速下各类典型工况地下线振动源强值，主要结论如下。

(1)新建城际铁路地下线源强采用半经验模型时，应严格执行环评导则对类比线路进行振动实测，研究对象应与拟建工程在车辆类型、隧道类型、轨道结构等方面类似。

(2)仿真数据与实测数据对比表明，车辆-轨道-隧道-土体有限元仿真模型计算数据与现场实测数据基本吻合，可用于地下线振动预测。

(3)轨道不平顺对振动源强有一定影响。振动模拟应选取合适的不平顺谱，城际铁路不平顺谱还有待进一步加强研究。

(4)基于有限元模型，对速度120～160 km/h盾构隧道、速度160～200 km/h暗挖隧道典型工况的振动源强值进行计算，结果表明，隧道振动源强的大小与速度呈非线性正相关关系。

(5)通过实测及仿真对比验证等方法，提出不同速度、不同隧道结构等典型城际铁路工况地下线振动源强值，可作为后续环境评价及轨道减振设计依据。