不同轨道结构形式下地铁隧道振动传递特性试验研究

吴宝游，宋立忠，艾永飞，刘全民，刘天宇

（1.中铁电气化局集团有限公司，北京100036；2.华东交通大学 铁路环境振动与噪声教育部工程研究中心，南昌330013）

近年来中国城市轨道交通发展迅猛，极大地满足了人民群众出行需求，在优化城市结构布局、缓解城市交通拥堵以及促进经济社会发展等方面的作用日益凸显。据统计[1]：截止2020年12月31日，我国内地累计有45 个城市开通城市轨道交通运营线路7 978.19公里，其中地铁6 302.79公里，占比79%。

随着地铁线路的大规模修建，随之而来的振动与噪声问题也变得日益突出。地铁列车在钢轨上运行时，受轮轨不平顺的影响，车轮与钢轨之间相互作用，产生轮轨力，激发轮轨系统振动，并通过轨道结构传至隧道壁，再传到地面，引起地面建筑物的振动及二次结构噪声[2]。

国内外学者针对地铁引起的振动问题开展了大量研究[3-6]。在地铁隧道的振动传递特性方面，袁扬和刘维宁等[7]通过实验室锤击试验和数值模拟，研究了不同振源作用下隧道-地层-建筑物系统的振动传递特性，发现隧道-地层-建筑物系统的传递率函数是系统的固有特性，而与振源幅值、幅频特性等因素无关。侯晋等[8]在苏州轨道交通1号线隧道内，通过锤击试验对比了短轨枕断面（Ⅲ型减振器扣件+短轨枕式整体道床）和长轨枕断面（普通扣件+长轨枕式整体道床）的振动传递特性，结果表明Ⅲ型减振器扣件+短轨枕式整体道床具有更好的减振效果，在40 Hz～80 Hz频段的振动峰值衰减约10 dB。贺国宇[9]以深圳地铁5 号线南延段作为工程背景，通过锤击试验，研究了沥青、橡胶、泡沫混凝土等不同材料减振层的振动传递特性，结果表明：在3 种减振材料中，沥青材料的振动衰减率最大，泡沫混凝土的振动衰减率最小。CAI等[10]以北京地铁15号线作为研究对象，通过现场测试研究了列车通过弹性长枕轨道时的减振效果，与普通无砟轨道相比，弹性长枕轨道在40 Hz 以上表现出显著的减振效果，总振动加速度级减小约10 dB。

本文以南昌地铁3 号线为工程背景，分别在普通板式轨道断面、双层非线性减振扣件断面、隔离式减振垫断面开展现场锤击试验，研究不同轨道结构形式下地铁隧道的振动传递特性，在此基础上分析不同轨道结构的减振效果。

1 测试概况

1.1 工程背景

本次试验以南昌地铁3 号线为工程背景，线路全长28.5 km，采用全地下敷设方式，共设22 座地下车站，采用6节编组B型列车。南昌地铁3号线途经绳金塔历史街区、三眼井文化风貌区、南昌新四军军部旧址、八大山人故居、陈云故居广场、梅湖自然历史风景区以及其他22 处历史建筑。在经过振动敏感区域时，需采取减振措施，如采用双层非线性减振扣件、隔离式减振垫等。为了测试不同轨道结构的振动传递特性及减振效果，在线路开通前开展了现场锤击试验。

1.2 测点布置

为了测试不同轨道结构的振动传递特性及减振效果，分别选取普通板式轨道地段、双层非线性减振扣件地段、隔离式减振垫地段，在钢轨轨顶、轨道板中心及隧道壁上粘贴振动加速度传感器，如图1 所示。①号测点在扣件正上方的钢轨轨顶，②号测点在两相邻扣件中间的钢轨轨顶，③号测点在轨道板中心，④号测点在高1.5 m 的隧道壁上，其中①、③、④号测点位于同一断面。测试照片见图2。

图1 测点布置示意图

图2 测试照片

1.3 测试工况

本次测试分别选取普通板式轨道断面、双层非线性减振扣件断面、隔离式减振垫断面，锤击点位于①号测点附近，为了保证测试结果的有效性，在每个测试断面重复测试3次，测试工况见表1。

表1 测试工况

1.4 测试仪器

本次测试采用北京东方振动和噪声技术研究所的Coinv 力锤进行锤击，采用美国PCB 公司的PCB333B32 加速度传感器记录钢轨振动加速度，采用美国PCB 公司的PCB393B04 加速度传感器记录轨道板和隧道壁振动加速度，采用德国Head公司的DEMO-SQⅢ-GZ 数据采集仪同步采集力信号和振动加速度信号。

2 测试结果分析

图3 为PT-1 工况下的锤击力的时程和频谱曲线，从图中可以看出：锤击力的时域峰值约为12 kN；在0～1 000 Hz频率范围内，锤击力的频谱衰减特性良好。因此，本次测试结果可用于分析不同轨道结构形式下的地铁隧道振动传递特性。

图3 锤击力

2.1 振动传递特性

振动加速度导纳HAF(ω)是输出振动加速度响应信号和输入激励信号的傅里叶变换之比，可以表示为：

其中：A(ω)和F(ω)分别表示振动加速度和力的傅里叶变换。

振动加速度导纳反映了结构的固有振动特性，与输入无关，因此，很多学者采用振动加速度导纳研究振动传递特性[11-14]。

为了研究不同结构形式下的地铁隧道振动传递特性，分别计算了普通板式轨道断面、双层非线性减振扣件断面、隔离式减振垫断面各测点的振动加速度导纳。

图4给出了PT-1、SC-1、GL-1工况下各测点的振动加速度导纳频谱，从图中可以看出：各测试断面钢轨的振动加速度导纳差别不大，但轨道板及隧道壁振动加速度导纳差异明显，说明不同轨道结构形式下地铁隧道振动传递特性有所差异。在普通板式轨道地段，隧道壁的振动加速度导纳在7 Hz～100 Hz及400 Hz～800 Hz范围内均明显大于轨道板的振动加速度导纳，仅在100 Hz～160 Hz 范围内明显小于轨道板的振动加速度导纳；在双层非线性减振扣件地段，隧道壁的振动加速度导纳仅在10 Hz～40 Hz范围内明显大于轨道板的振动加速度导纳，而在80 Hz～170 Hz 范围内则明显小于轨道板的振动加速度导纳；在隔离式减振垫地段，隧道壁的振动加速度导纳在30 Hz以上显著小于轨道板的振动加速度导纳，这说明隔离式减振垫轨道的减振效果最佳，其次是双层非线性扣件轨道，普通板式轨道的减振效果最差。

图4 不同轨道结构形式下的振动加速度导纳频谱

2.2 减振效果分析

为了进一步研究双层非线性减振扣件轨道、隔离式减振垫轨道相对于普通板式轨道减振效果，分别计算了单位力作用下普通板式轨道断面、双层非线性减振扣件断面、隔离式减振垫断面各测点的振动加速度级。

振动加速度级VAL(单位：dB)可以表示为：

其中：a表示振动加速度有效值，单位为m/s2；a0为基准加速度，a0=10-6m/s2。

表2给出了单位力作用下不同测试断面各测点的振动加速度级，从表中可以看出：单位力作用下，不同测试断面的钢轨振动加速度级差别不大，不同工况下同一测试断面同一测点的振动加速度级也差别不大，这证明了测试数据的有效性。同时，还可以看出：单位力作用下，普通板式轨道断面、双层非线性减振扣件断面、隔离式减振垫断面轨道板（③号测点）的振动加速度级依次增大，分别约为58.38 dB/N、60.91 dB/N、75.87 dB/N，而隧道壁（④号测点）的振动加速度级则依次减小，分别约为69.22 dB/N、63.63 dB/N、59.19 dB/N。因此，与普通板式轨道相比，双层非线性扣件轨道、隔离式减振垫轨道的减振效果分别约为5.59 dB、10.03 dB。

表2 单位力作用下不同测试断面各测点的振动加速度级/（dB/N）

3 结语

本文以南昌地铁3 号线为工程背景，分别选取普通板式轨道断面、双层非线性减振扣件断面、隔离式减振垫断面，开展现场锤击试验，研究了不同轨道结构形式下地铁隧道的振动传递特性，并分析了不同轨道结构的减振效果，主要结论如下：

（1）在3种轨道结构形式中，隔离式减振垫的减振效果最佳，其次是双层非线性扣件，普通板式轨道的减振效果最差。

（2）双层非线性扣件在80 Hz～170 Hz 范围内表现出良好的减振特性，与普通板式轨道相比，减振效果约为5.6 dB。

（3）隔离式减振垫在30 Hz 以上频段表现出显著的减振特性，与普通板式轨道相比，减振效果约为10 dB。