地鐵隧道內(nèi)不同軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)試與分析

劉鵬輝， 楊宜謙， 尹 京

(中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

為緩解城市化建設(shè)步伐加快帶來的巨大交通壓力，軌道交通作為城市交通系統(tǒng)的發(fā)展重點(diǎn)近年來得到迅猛發(fā)展。而由列車運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)環(huán)境影響亦引起高度重視[1-3]。我國曾對(duì)4城市的鐵路環(huán)境振動(dòng)做過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)[4]，初步了解鐵路沿線居民區(qū)受列車運(yùn)行引起的環(huán)境振動(dòng)影響狀況，并制定了《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》。

進(jìn)入21世紀(jì)，我國城市軌道交通建設(shè)發(fā)展快速，對(duì)北京、上海、廣州、深圳等城市地鐵、輕軌引起的環(huán)境振動(dòng)問題的研究已取得研究成果[5]。深圳地鐵一期工程道床減振降噪科研項(xiàng)目在國內(nèi)首次從理論分析、仿真計(jì)算、足尺模型試驗(yàn)、運(yùn)營檢測(cè)等方面研究、設(shè)計(jì)適合地鐵的鋼彈簧浮置板、橡膠浮置板及彈性支承塊3種軌道結(jié)構(gòu)[6]。為評(píng)價(jià)、防治軌道交通引起的振動(dòng)可能對(duì)環(huán)境及周邊建筑物內(nèi)居民生活、工作影響，北京市地鐵公司、北京市環(huán)境保護(hù)局、北京交通大學(xué)等對(duì)北京地鐵1、5號(hào)線許多區(qū)段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，并獲得大量有價(jià)值的測(cè)試數(shù)據(jù)；通過理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，獲得有關(guān)列車作用的地面、隧道及高架橋梁振動(dòng)及對(duì)周圍環(huán)境、建筑物影響的研究成果[7-10]。

通過對(duì)北京某號(hào)線地鐵隧道內(nèi)普通整體道床、Ⅲ型軌道減振器、彈性短軌枕(彈性支承塊)、梯形軌枕、鋼彈簧浮置板道床的現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試，對(duì)不同減振軌道結(jié)構(gòu)的實(shí)際減振效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，為今后的軌道減振設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 測(cè)試儀器及測(cè)點(diǎn)布置

所測(cè)5種軌道型式均鋪設(shè)于單洞單線的圓形隧道內(nèi)，不同軌道結(jié)構(gòu)測(cè)試地點(diǎn)所處曲線半徑、地質(zhì)條件、隧道結(jié)構(gòu)、行車速度及隧道軌面埋深等對(duì)比見表1。測(cè)點(diǎn)布置示意圖見圖1。測(cè)試內(nèi)容包括鋼軌鉛垂向加速度，道床、梯形軌枕、短軌枕鉛垂向加速度，隧道壁鉛垂向、橫向加速度及列車通過速度。

表1 不同軌道類型簡(jiǎn)況對(duì)比

測(cè)試采用16位精度的INV306智能信號(hào)采集處理分析儀，所用內(nèi)裝IC壓電加速度傳感器具有低阻抗輸出、抗干擾、噪聲小等特點(diǎn)，主要技術(shù)指標(biāo)見表2。自動(dòng)觸發(fā)采樣，采樣頻率2 560 Hz，時(shí)間間隔0.39 ms。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置示意圖

表2 加速度傳感器技術(shù)指標(biāo)

測(cè)試列車為實(shí)際運(yùn)營的B型4軸車空車，固定軸距2.3 m，車輛定距12.6 m，6輛編組。

2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及數(shù)據(jù)處理方法

分析軌道交通軌道減振措施減振效果時(shí)尚無對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，評(píng)價(jià)城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)(人體承受建筑物內(nèi)振動(dòng))時(shí)，應(yīng)據(jù)GB10071-1988與JGJ/T 170-2009進(jìn)行測(cè)量、評(píng)價(jià)，采用1～80 Hz頻率范圍內(nèi)的Z振級(jí)插入損失值作為減振措施的評(píng)價(jià)量。插入損失即為有無隔振裝置時(shí)的加速度級(jí)差。

插入損失定義為：

(1)

式中：a2R為無隔振裝置時(shí)響應(yīng)；a2為有隔振裝置時(shí)響應(yīng)。當(dāng)L1≥0時(shí)，隔振系統(tǒng)起作用；當(dāng)L1≤0時(shí)，隔振系統(tǒng)無衰減作用。

對(duì)式(1)進(jìn)行變換，引入基準(zhǔn)加速度a0=10-6m/s，得：

(2)

L1=VL2R-VL2

(3)

本文統(tǒng)一用振動(dòng)加速度分別計(jì)算彈簧浮置板、梯形軌枕、軌道減振器、彈性短軌枕相對(duì)于普通整體道床的對(duì)比損失。加速度有效值計(jì)算時(shí)常為列車通過時(shí)段，Z振級(jí)采用時(shí)間計(jì)權(quán)常數(shù)為1 s。每個(gè)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度以6～10次測(cè)量數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值作為該點(diǎn)測(cè)量結(jié)果。

3 測(cè)試結(jié)果與分析

3.1 時(shí)域分析

表3 不同軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度級(jí)(dB)

注意：加速度有效值的計(jì)算時(shí)常為列車通過時(shí)段8 s。

圖2 鋼軌振動(dòng)加速度典型時(shí)域波形圖

圖3 隧道壁振動(dòng)加速度典型時(shí)域波形圖

圖4 不同軌道結(jié)構(gòu)隧道壁對(duì)比損失

圖2、圖3為不同軌道結(jié)構(gòu)在列車通過時(shí)的鋼軌及隧道壁時(shí)域波形。由表3、圖2～圖4看出：

(1) 軌道減振器、梯形軌枕、彈性短軌枕及鋼彈簧浮置板可降低隧道壁VLZmax為4 dB，7.6 dB，7.8 dB，19.0 dB；VLZ10為3.7 dB，7.8 dB，6.4 dB，17.8 dB。

(2) 與普通整體道床隧道壁不計(jì)權(quán)振動(dòng)加速度級(jí)相比，軌道減振器對(duì)應(yīng)于1～80 Hz對(duì)比損失7.9 dB，1～200 Hz為8.9 dB，1～1 000 Hz為9.9 dB；梯形軌枕對(duì)應(yīng)于1～80 Hz對(duì)比損失為9.3 dB，1～200 Hz為9.4 dB，1～1000 Hz為15.3 dB；彈性短軌枕對(duì)應(yīng)于1～80 Hz對(duì)比損失為9.8 dB，1～200 Hz為10.2 dB，1～1 000 Hz為13.5 dB；鋼彈簧浮置板對(duì)應(yīng)于1～80 Hz為22.9 dB，1～200 Hz為23.7 dB，1～1 000 Hz為28.0 dB。

(3) 無論何種軌道減振措施，均表現(xiàn)為高頻減振效果高于低頻減振效果。各種軌道減振措施對(duì)應(yīng)于不同上限截止頻率，振動(dòng)加速度級(jí)不同，對(duì)應(yīng)減振效果亦不同。截止頻率越高，振動(dòng)加速度級(jí)越高，減振效果亦越好。隧道壁處對(duì)應(yīng)于1～1 000 Hz與1～80 Hz的振動(dòng)加速度級(jí)相差10 dB，對(duì)比損失差別6～10 dB。

(4) 人體全身垂向振動(dòng)感覺敏感的振動(dòng)頻率為1～80 Hz，其中4～10 Hz最敏感。由于梯形軌枕、軌道減振器、彈性短軌枕對(duì)40 Hz頻率范圍內(nèi)的降振效果不明顯，VLZmax，VLz10減振效果均明顯小于不計(jì)權(quán)振動(dòng)加速度級(jí)的減振效果。

(5) 不同減振軌道在減小隧道壁與地面振動(dòng)的同時(shí)，放大了軌道結(jié)構(gòu)部件振動(dòng)。如軌道減振器增大鋼軌振動(dòng)加速度5.2 dB；鋼彈簧浮置板道床增大道床振動(dòng)加速度級(jí)10.4 dB。減振性軌道放大了部分軌道結(jié)構(gòu)部件的振動(dòng)加速度，影響軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，亦會(huì)增加軌道養(yǎng)護(hù)維修成本。

(6) 軌道減振效果與諸多因素有關(guān)，各廠家或測(cè)量單位給出的各種減振措施減振效果應(yīng)注明測(cè)量方法、評(píng)價(jià)量、頻率范圍、計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)、測(cè)點(diǎn)位置等與減振效果直接相關(guān)的邊界條件及報(bào)告減振型軌道的自振特性。

3.2 頻域分析

城市軌道交通地下線振動(dòng)頻率因受不同軌道結(jié)構(gòu)形式、不同列車類型、運(yùn)行速度、隧道結(jié)構(gòu)、地質(zhì)條件等諸多因素影響，有不同的振動(dòng)頻率特性。彈簧浮置板、梯形軌枕、軌道減振器、彈性短軌枕軌道及普通整體道床鋼軌、道床、隧道壁振動(dòng)加速度1/3倍頻程頻譜圖見圖5。未計(jì)權(quán)與4～200 Hz計(jì)權(quán)的隨道壁振動(dòng)加速度1/3倍頻程頻譜見圖6。

表4 各種減振措施隧道壁處不同頻段減振效果

表5 各種減振措施隧道壁處分頻振級(jí)(4～200 Hz)

由表4、表5、圖5～圖7看出：

(1) 地鐵振動(dòng)源頻譜特性呈寬頻帶特性，以f= 80～ 1 000 Hz 頻率為主；不同軌道結(jié)構(gòu)、隧道結(jié)構(gòu)及地質(zhì)條件，其振動(dòng)加速度不同；各種軌道結(jié)構(gòu)鋼軌振動(dòng)加速度頻譜均以630～1 000 Hz為主，道床、隧道壁在31.5～60 Hz處峰值明顯，主要由輪軌相互耦合作用所致。

圖5 軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度1/3倍頻程頻譜圖

圖6 隧道壁振動(dòng)加速度1/3倍頻程頻譜圖

(2) 軌道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)自振特性不同，鋼軌、道床、隧道壁等振動(dòng)加速度在不同頻率處峰值明顯。如鋼彈簧浮置板自振頻率7.5～8 Hz，其鋼軌、道床、隧道壁的振動(dòng)加速度在中心頻率8 Hz處峰值明顯；梯形軌枕自振頻率25～35 Hz，鋼軌、梯形軌枕、道床、隧道壁在25～40 Hz處峰值明顯。

(3) 據(jù)JGJ/T 170-2009規(guī)定，隧道壁4～200 Hz頻率范圍垂向振動(dòng)加速度級(jí)按ISO2631/1-1997規(guī)定的Z計(jì)權(quán)因子修正后所得各中心頻率振動(dòng)加速度級(jí)見圖6(b)，分頻最大振級(jí)見表5。普通整體道床VLmax為66.6 dB；鋼彈簧浮置板VLmax為47.3 dB；梯形軌枕VLmax為62.5 dB；軌道減振器VLmax為65.4 dB；彈性短軌枕VLmax為58.3 dB。

(4) 與普通整體道床相比，梯形軌枕、彈性短軌枕、軌道減振器高于40 Hz時(shí)減振效果明顯；浮置板高于12.5 Hz時(shí)減振效果明顯，對(duì)控制列車運(yùn)行產(chǎn)生的二次輻射噪聲影響更有效。

(5) 為獲得較好減振效果，軌道結(jié)構(gòu)固有頻率須設(shè)計(jì)較低，但難保證列車運(yùn)行安全性及旅客乘坐舒適性，一般認(rèn)為軌道隔振無法解決10～15 Hz以下振動(dòng)，減小低于10～15 Hz振動(dòng)只能通過改善車輛轉(zhuǎn)向架性能(低剛度懸掛系統(tǒng)、彈性車輪)解決。

圖8 普通整體道床Z振級(jí)典型時(shí)域波形

3.3 振動(dòng)源強(qiáng)

HJ453-2008中針對(duì)列車運(yùn)行振動(dòng)對(duì)環(huán)境保護(hù)目標(biāo)影響進(jìn)行預(yù)測(cè)。環(huán)境預(yù)測(cè)時(shí)，振動(dòng)源強(qiáng)確定與預(yù)測(cè)參數(shù)選取極為重要。據(jù)該規(guī)定定義的振動(dòng)源強(qiáng)，將測(cè)試中速度約60 km/h的VLzmax，VLz10算術(shù)平均。普通整體道床Z振級(jí)典型波形見圖8。獲得B型車空車時(shí)北京地鐵振動(dòng)源強(qiáng)VLzmax，VLz10分別為82.5 dB，79.3 dB。

4 結(jié) 論

(1) 目前地鐵采用的軌道減振措施對(duì)隧道壁振動(dòng)減振效果為：梯形軌枕、彈性短軌枕、鋼彈簧浮置板各自降低隧道壁VLZmax分別為4 dB，7.6 dB，7.8 dB，19.0 dB。

(2) 軌道減振措施表明，減振效果高頻高于低頻；VLZmax，VLz10減振效果小于不計(jì)權(quán)的振動(dòng)加速度級(jí)。

(3) 受不同軌道結(jié)構(gòu)形式、不同列車類型、運(yùn)行速度、隧道結(jié)構(gòu)、地質(zhì)條件等諸多因素影響，振動(dòng)頻率特性亦不同。地鐵振動(dòng)源頻譜特性呈寬頻帶特性，鋼軌振動(dòng)加速度頻譜以630～1 000 Hz為主，道床、隧道壁在31.5～60 Hz范圍內(nèi)的峰值均由輪軌相互耦合作用產(chǎn)生。

(4) 北京地鐵空車時(shí)振動(dòng)源強(qiáng)VLzmax，VLz10分別為82.5 dB，79.3 dB。

(5) 減振軌道在減小隧道壁與地面振動(dòng)的同時(shí)，會(huì)放大部分軌道結(jié)構(gòu)部件振動(dòng)，應(yīng)予以重視、研究；用新型減振型軌道或軌道設(shè)計(jì)參數(shù)有重大變化時(shí)，應(yīng)對(duì)列車行車安全指標(biāo)(脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力)進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)。

致謝：感謝北京城建設(shè)計(jì)研究總院、北京京港地鐵有限公司的協(xié)助！

參 考 文 獻(xiàn)

[1]張艷平，楊宜謙，柯在田，等. 城市軌道交通振動(dòng)和噪聲的控制[J]. 中國鐵路,2000 (3):43-45.

ZHANG Yan-ping, YANG Yi-qian, KE Zai-tian, et al. Urban rail transit vibration and noise control[J]. Chinese Railways, 2000 (3):43-45.

[2]夏 禾，曹艷梅. 軌道交通引起的環(huán)境振動(dòng)問題[J]. 鐵道學(xué)報(bào)與工程學(xué)報(bào),2004(1):1-8.

XIA He, CAO Yan-mei. Problem of railway traffic induced vibrations of environments[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2004(1):1-8.

[3]楊宜謙，王 瀾，孫 寧. 城市軌道交通中浮置板式軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)[J]. 工程建設(shè)與設(shè)計(jì),2005(4):13-15.

YANG Yi-qian, WANG Lan, SUN Ning. The design of floating slab structure in the urban rail transit systems[J]. Construction and Design for Project, 2005(4):13-15.

[4]馬 筠. 我國鐵路環(huán)境振動(dòng)現(xiàn)狀及傳播規(guī)律[J]. 中國環(huán)境科學(xué),1987,17(6):70-74.

MA Jun. Current situation of t rain induced vibrations of environments and its propagation[J].China Environmental Science, 1987,17(6):70-74.

[5]辜小安，任京芳，劉 揚(yáng)，等. 我國地鐵環(huán)境振動(dòng)現(xiàn)狀及控制措施[J]. 鐵道勞動(dòng)安全衛(wèi)生與環(huán)保,2003,30(5):206-210.

GU Xiao-an, REN Jing-fang, LIU Yang, et al. The status quo of environment vibration level and control measures of subway in China[J].Railway Occupational Safety Health & Environmental Protection, 2003, 30(5):206-210.

[6]中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所. 深圳地鐵一期工程道床減振降噪科研項(xiàng)目總報(bào)告[R]. 北京：中國鐵道科學(xué)研究院,2003.

[7]夏 禾. 交通環(huán)境振動(dòng)工程[M]. 北京：科學(xué)出版社，2010.

[8]李克飛，劉維寧，孫曉靜，等. 北京地鐵5號(hào)線地下線減振措施現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與分析[J]. 鐵道學(xué)報(bào),2011,33(4):112-119.

LI Ke-fei, LIU Wei-ning, SUN Xiao-jing, et al. In-situ test of vibration attenuation of underground line of beijing metro line 5 [J]. Journal of the China Railway Society, 2011,33(4):112-119.

[9]栗潤德，張鴻儒，劉維寧. 北京地鐵1號(hào)線地面響應(yīng)測(cè)試與分析[J]. 北京交通大學(xué)學(xué)報(bào),2007,31(4):31-35.

SU Run-de, ZHANG Hong-ru, LIU Wei-ning. Testing and analysis of metro-induced ground vibrations response near beijing metro line 1[J].Journal of Beijing Jiaotong University, 2007,31(4):31-35.

[10]張寶才，徐禎祥. 螺旋鋼彈簧浮置板隔振技術(shù)在城市軌道交通減振降噪上的應(yīng)用[J].中國鐵道科學(xué),2002,23(3):68-71.

ZHANG Bao-cai, XU Zhen-xiang. Vibration isolation technology of spiral steel spring in the application of urban rail transit antivibration noise reduction [J]. China Railway Science, 2002, 23(3): 68-71.

[11]曾樹谷. 鐵路軌道動(dòng)力測(cè)試技術(shù)[M]. 北京:鐵道出版社，1985.

[12]郝 珺,耿傳智,朱劍月. 不同軌道結(jié)構(gòu)減振效果測(cè)試與分析[J]. 城市軌道交通研究,2008(4):68-71.

HAO Jun, GENG Chuan-zhi, ZHU Jian-yue. Field test and analysis of vibration in different track structures[J]. Urban Mass Transit,2008(4):68-71.