鋼彈簧浮置板軌道結構頂升前后減振效果分析

張建鵬

(蘇州軌道交通有限公司，江蘇蘇州 215000)

1 概述

隨著地鐵建設的大力發展，一些負面影響也相繼產生。其中，由地鐵列車運行引發的建筑環境振動問題尤為顯著。地鐵隧道一般埋深都相對較淺，列車運行時將使軌道結構發生振動，該振動將通過軌道傳遞給隧道支護結構，并通過隧道支護結構以外的巖土介質傳播到建筑基礎，激發建筑物振動，使建筑物內的居民處于一種環境振動中，建筑環境振動的主要頻率在0 Hz～200 Hz之間。

因此，減小軌道交通的振動和降低振動水平，尤其是減小環境振動敏感區(醫院、學校、實驗室、音樂廳和精密儀器工業區)的環境振動，是保證及提高沿線居民的生活、工作和學習質量的必要手段，也是保證軌道交通可持續發展的關鍵措施之一。

本文對某城市地鐵線路鋼彈簧浮置板軌道在列車荷載作用下的動力特性和減振效果進行現場實測，并對實測數據進行統計分析。

2 浮置板軌道的應用現狀

浮置板軌道結構自1965年在德國首次使用以來，已經在多個國家和地區得到了應用并取得了良好的效果。德國GERB公司將該技術帶入中國之后，北京、上海、廣州、深圳、南京、成都等地先后都在振動和噪聲敏感地段鋪設了鋼彈簧浮置板并安全運營，蘇州、杭州、西安、武漢、哈爾濱、天津、重慶等在建線路也都在振動和噪聲敏感地段鋪設有鋼彈簧浮置板。

目前我國針對鋼彈簧浮置板軌道的減振效果和減振特性的現場實測研究還微乎其微，為了掌握鋼彈簧浮置板軌道的減振特性及規律，本文在現場實測的基礎上，通過數據分析的手段將鋼彈簧浮置板頂升前后的減振效果進行了對比，為城市軌道交通減振降噪、浮置板軌道結構設計等方面的工作提供技術參考。

3 現場實測概況

某城市地鐵線路采用地下線單圓盾構敷設，線路埋深12 m，在XDK29+080～XDK29+250地段從正下方穿越某醫院，考慮到該醫院為振動敏感點，因此該地段軌道結構采用德國隔而固公司設計并制造的鋼彈簧浮置板，為中檔固體阻尼隔振器，垂向剛度為7.5 kN/mm，浮置板厚度為325 mm，浮置板固有頻率為11 Hz。

3.1 測試儀器

測試儀器主要有891壓電加速度傳感器，DH5920振動測試系統、NI數據信號采集板、筆記本電腦和電荷放大器等等。

3.2 測試情況

3.2.1 測試方案

由于該地鐵線在測試時尚處于施工階段，外部荷載僅有施工運料列車荷載，但此次測試重點在于分析和評估鋼彈簧浮置板軌道的減振效果和特性，因此以施工運料列車荷載作為激振源可滿足分析要求。

測試時分別在道床、隧道壁和地面建筑樓面布置傳感器，拾取在鋼彈簧頂升前后條件下，列車經過時各測點的動力響應，然后根據所拾取的信號對比分析鋼彈簧浮置板的減振效果和特性，現場實測共分兩次進行，第一次現場測試時間為2009年6月29號，測試鋼彈簧頂升前各測點的動力響應;第二次現場測試時間為2009年9月16號，測試鋼彈簧頂升后各測點的動力響應。

3.2.2 測試內容

在進行現場實測中，主要工作是比較鋼彈簧未頂升時與鋼彈簧頂升后對道床、隧道壁及地面建筑的減振效果。因此，主要測試工作是進行振動衰減效果和規律的測試，主要測試內容為：

1)列車荷載作用下道床表面的垂向振動加速度;

2)列車荷載作用下隧道壁的橫向、垂向振動速度、加速度;

3)地表建筑物內部樓板面的橫向、垂向振動速度、加速度。

3.2.3 測點布置

對隧道及地面建筑物進行測點布置。

1)隧道內測點布置。選取鋼彈簧浮置板中線為測試斷面，在浮置板以上1.5 m處的隧道壁上布置4個測點，拾取列車經過時隧道壁上的橫向、垂向振動速度、加速度信號;其測試斷面及測點布置見圖1。

2)地面建筑室內測點布置。在某醫院室內地面布置1個測點，安裝4個傳感器，拾取列車經過時樓板的豎向、橫向振動速度、加速度。測點布置見圖2。

圖1 隧道壁測點布置

圖2 地面測點布置

4 數據分析

4.1 時域統計分析

由于現場測試條件的限制，在測試時各測點不同物理量不能實現完全同步測量，因此不同物理信號之間的開始時刻也不相同，且第一測試時荷載為空載運料車的機車部分，而第二測試時候，荷載為空載的運料列車，編組為1機車+3節平運料車。

由表1，表2可以看出，浮置板頂升后，隧道壁和地面建筑的振動幅值均大幅減小。

表1 鋼彈簧頂升前后隧道壁振動幅值大小對比分析

表2 鋼彈簧頂升前后地面建筑振動幅值大小對比分析

4.2 三分之一倍頻分析

圖3為鋼彈簧支頂前后地面建筑橫向振動速度有效值三分之一倍頻圖，其表明鋼彈簧支頂后軌道板振動水平在整個分析頻率范圍內均發生減小，變化大小分別為0.23 dB，2.04 dB，3.35 dB，0.1 dB，2.85 dB，3.32 dB，3.95 dB，4.71 dB，1.98 dB，7.89 dB，10.38 dB，17.19，9.88 dB，11.02 dB，8.45 dB和16.96 dB。

圖3 地面建筑橫向振動速度有效值1/3倍頻圖

4.3 振級分析

為分析浮置板軌道結構對環境振動水平幅值的影響，對鋼彈簧頂升前后建筑室內垂向振動加速度信號進行計算振級，然后進行對比分析，評價方法主要參考GB 10070-88城市區域環境振動控制標準和JGJ/T 170-2009城市軌道交通建筑室內環境振動及二次輻射噪聲測量及限值標準，結果如表3所示。

表3 振級統計分析表

由表3可以看出，在沒有采用浮置板軌道之前，在列車荷載作用下，隧道壁最大VLz可達84.47 dB，VLzmax，10為79.39 dB，地面建筑最大VLz可達75.98，VLzmax，10為70.90 dB，由于該建筑為醫院，屬于GB 10070-88城市區域環境振動控制標準規定中的特殊住宅區(振動限值為65 dB)，因此，在沒有采用減振措施的條件下，列車引起該建筑的振動已經超出國家標準，必須采取減振措施;采用浮置板軌道之后，在列車荷載作用下，隧道壁最大VLz為67.84 dB，VLzmax，10為62.82 dB，地面建筑最大 VLz為61.84，VLzmax，10為57.80 dB。

由此表明，在該處浮置板軌道的減振效果為14 dB～17 dB，使得該醫院的振動水平滿足標準要求。

5 結語

通過以上分析，可以得出以下結論：

1)浮置板軌道對隧道壁具有良好的減振效果，在幅值上可以減小橫向加速度70%左右，減小垂向加速度80%，減小橫向速度70%左右，減小垂向速度70%左右。

2)浮置板軌道對地面建筑具有良好的減振效果，在幅值上可以減小橫向加速度70%左右，減小垂向加速度80%，減小橫向速度70%左右，減小垂向速度70%左右。

3)列車荷載作用下，浮置板軌道對隧道壁及地面建筑的減振效果良好，Z振級可達14 dB～17 dB。

4)在未頂升的狀態下，軌道車通過該地段時的地面振動超標，而頂升后地面振動達標，對于今后的線路選線設計及軌道結構形式的確定均具有指導意義，同時對于地鐵施工階段的擾民問題，也提供了新的解決方案。

［1］ G.P.Wilson，H.J.Saurenman and J.T.Nelson.CONTROL OF GROUND-BORNE NOISE AND VIBRATION.Journal of sound and vibration，1983，87(2)：20-22.

［2］ 唐一科.振動分析及其應用［M］.重慶：重慶大學出版社，1993.

［3］ 王朝陽，尹學軍，張寶才，等.鋼彈簧浮置板隔振道床在北京城鐵敏感路段的應用［J］.鐵道建筑(城鐵專刊)，2003(1)：72-73.