重載鐵路隧道內無砟軌道結構振動特性研究

趙　勇(1.中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京　100081;2.高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京　100081)

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重載鐵路隧道內無砟軌道結構振動特性研究

趙勇1，2
(1.中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081;2.高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京100081)

摘要:利用瓦(塘)日(照)鐵路30 t軸重重載綜合試驗段對隧道內無砟軌道結構的振動特性進行了研究。結果表明:與現澆枕式無砟軌道相比，彈性支承塊式無砟軌道由于采用了雙層彈性墊層設計，剛度系數更加均勻，其軌道結構對低頻和高頻振動的減振效果較為顯著，對于衰減輪軌沖擊力和隧道基礎振動、降低隧道基底的應力水平、避免或減輕一些基底病害的發生和發展較為有利。

關鍵詞:重載鐵路隧道內無砟軌道振動衰減性能剛度系數

重載鐵路的運量和列車軸重較大，為適應重載鐵路列車荷載的特點，確保行車安全，應采用配套的軌道結構。有砟軌道和無砟軌道作為軌道結構的兩種基本形式，各有利弊［1］。有砟軌道結構簡單、彈性好，在一定的養護維修條件下具有較好的輪軌接觸狀態，減振、降噪效果好，維修較方便，造價相對較低［2］。而無砟軌道結構則具有穩定性好、平順性高、軌道狀態長期保持能力強、維修工作量較少等突出優點［3］。重載鐵路速度相對較低，在普通地段可采用經濟性好、方便維修的有砟軌道結構，但對于長大隧道地段，在保證下部基礎條件及施工質量的前提下，采用少維修的無砟軌道結構更具優勢［4-6］。

國內新建30 t重載鐵路主要為煤運鐵路，從線路的穩定性、養護維修等方面考慮，在重載鐵路長大隧道內鋪設無砟軌道結構具有一定的技術優勢［4］，目前已研發了3種隧道內無砟軌道結構形式(彈性支承塊式、雙塊式和長枕埋入式)。但國內外重載鐵路無規模鋪設無砟軌道結構的工程應用經驗，故研究隧道內無砟軌道結構在30 t軸重重載列車作用下的動力性能，尤其是研究振動對無砟軌道結構和下部基礎的影響至關重要。本文結合瓦日鐵路30 t軸重重載綜合試驗段，重點對隧道內無砟軌道結構振動特性進行研究。

1　隧道內重載軌道結構概況

彈性支承塊式無砟軌道由鋼軌、扣件、支承塊、橡膠套靴、塊下彈性墊板、道床板等部分組成?，F澆枕式無砟軌道包括雙塊式和長枕埋入式，結構組成見圖1。彈性支承塊式與現澆枕式無砟軌道結構系統對比見表1。

圖1　隧道內重載無砟軌道結構斷面(標高:mm;尺寸:mm)

由于雙塊式與長枕埋入式無砟軌道設計基本相同，均為現澆枕式無砟軌道，因此選取直線地段雙塊式與直線地段彈性支承塊式無砟軌道進行對比研究。

2　無砟軌道結構振動特性研究

2.1振動時域特征分析

振動時域特征參數包括振動加速度的時域幅值和有效值。通過時域特征分析，可以直觀得出無砟軌道結構振動的總體趨勢。以30 t軸重5 000 t編組試驗列車通過時測試結果為例，直線地段、不同速度等級和不同測點的彈性支承塊式和現澆枕式兩種無砟軌道結構的振動加速度對比見圖2和圖3。

表1　隧道內重載無砟軌道系統對比

圖2　振動加速度時域幅值對比

圖3　振動加速度有效值對比

對比圖2和圖3可以看出:

①彈性支承塊式與現澆枕式無砟軌道相比，鋼軌振動加速度幅值和有效值均略小。由于支承塊周圍橡膠套靴和塊下彈性墊板的設置，使得道床板參振質量小于現澆枕式，道床板振動加速度幅值和有效值均大于現澆枕式。支承塊下墊板和橡膠套靴的設置會使支承塊本身產生一定的振動，其振動加速度量值較小，同時橡膠套靴的設置可緩解支承塊與混凝土道床間的剛性接觸，對支承塊和道床板的受力和振動起到緩沖的作用。

②30 t軸重試驗列車通過時，兩種軌道結構在同一速度下，鋼軌振動能量最大，支承塊次之，隧道邊墻最小，道床板和隧道基底的振動能量介于支承塊和隧道邊墻之間，且振動強度基本相當;彈性支承塊式無砟軌道結構隧道基底以及隧道邊墻振動加速度顯著低于現澆枕式無砟軌道結構。這是因為彈性支承塊式無砟軌道設置了軌下墊板及塊下墊板雙層彈性層，故其相對于現澆枕式無砟軌道更有利于減緩下部基礎的振動。

2.2插入損失分析

振動加速度的有效值(均方根值)是衡量加速度強度的統計指標，它表示振動加速度在單位時間內的平均功，稱為平均功率。平均功率乘以過程總時間，就可得出整個過程(完成運量的全壽命期限)的全功。這個全功可以視為加速度對軌道總體破壞作用的量度。插入損失L1為

式中:a2R為沒有隔振裝置時的響應;a2為有隔振裝置時的響應。

當L1＞0時，隔振系統起作用;當L1＜0時，隔振系統沒有衰減作用。

對式(1)進行變換，引入基準加速度a0= 10－6m/s2，得到

式中:VL2R為無隔振裝置時的振動加速度級;VL2為有隔振裝置時的振動加速度級。

式2表明，插入損失即為有無隔振裝置時的振動加速度級之差。

本文中統一采用加速度有效值來計算彈性支承塊式相對于現澆枕式無砟軌道的插入損失。

30 t軸重重載試驗列車以不同速度通過直線段時，彈性支承塊式相對于現澆枕式無砟軌道結構的插入損失統計見表2，振動加速度級與列車速度關系見圖4。

表2　彈性支承塊式相對于現澆枕式插入損失統計　dB

對比表2及圖4可以看出:

①彈性支承塊式和現澆枕式的鋼軌、支承塊、道床板、隧道基底和隧道邊墻振動加速度級隨列車速度提高有明顯的增大趨勢。

圖4　振動加速度級對比

②彈性支承塊式與現澆枕式相比，鋼軌振動加速度級略小，道床板振動加速度級略大。由于橡膠套靴對支承塊的約束作用，支承塊本身的振動加速度級值較小，同時橡膠套靴的設置可緩解支承塊與混凝土道床間的剛性接觸，對支承塊和道床板的受力和振動起到緩沖的作用。

③對于隧道基底和隧道邊墻的振動加速度級，彈性支承塊式明顯小于現澆枕式，相對現澆枕式無砟軌道地段其隧道基底和邊墻的插入損失最大值分別為11.10 dB和8.20 dB，彈性支承塊式無砟軌道由于設置軌下墊板及塊下墊板雙層彈性墊層，相對于現澆枕式無砟軌道更有利于減緩下部基礎(隧道基底和隧道邊墻)的振動。雙層彈性墊層的設計減振效果明顯，對下部基礎的減振效果達到10 dB左右，故彈性支承塊式比現澆枕式的減振效果更優越。

④與剛性道床相比，彈性支承塊式無砟軌道由于采用了雙層彈性墊層設計，軌道結構的振動衰減性能較為顯著，對于衰減隧道基礎振動(尤其在基礎處理不良及地下水發育地段)、降低隧道基底的應力水平，避免或減輕一些基底病害的發生和發展較為有利。

2.3振動頻域特征分析

30 t軸重試驗列車以不同速度通過直線段彈性支承塊式、現澆枕式無砟軌道結構時，對不同斷面軌道結構的振動加速度信號進行1/3倍頻程分析。通過振動頻域特征分析可以得出無砟軌道結構在不同頻段的振動加速度級，1/3倍頻程中心頻率按照ISO標準給出，鋼軌、道床板、隧道基底以及隧道邊墻垂向振動加速度頻域對比見圖5。

圖5　無砟軌道結構及下部基礎振動加速度頻域對比

由圖5可以看出:

①直線段彈性支承塊式與現澆枕式無砟軌道結構相比，鋼軌在100 Hz頻帶以下有一定的減振效果;道床板在500 Hz頻帶以下存在一定的振動放大效果。

②直線段彈性支承塊式與現澆枕式無砟軌道結構相比，隧道基底在100 Hz頻帶以下有一定的減振效果，各頻段中心頻率隧道基底振動加速度級之差最大值出現在31.5 Hz，減振效果達到14.05～18.01 dB;在315～1 000 Hz頻帶上，各頻段中心頻率隧道基底振動加速度級之差較大，最大值出現在500 Hz，減振效果達到24.77 dB。

③直線地段彈性支承塊式與現澆枕式無砟軌道結構相比，隧道邊墻在315～1 000 Hz頻帶有一定的減振效果，各頻段中心頻率隧道基底振動加速度級之差最大值出現在1 000 Hz，減振效果達到15.41～15.60 dB;在50 Hz頻帶以下，各頻段中心頻率隧道基底振動加速度級之差較大，最大值出現在10 Hz，減振效果達到16.61～27.94 dB。

④30 t軸重編組車輛通過時，彈性支承塊式鋼軌在100 Hz頻帶以下有一定的減振效果，道床板在500 Hz頻帶以下存在一定的振動放大效果。而對于隧道基底以及隧道邊墻振動加速度級，彈性支承塊式無砟軌道結構測試數據在低頻和高頻段顯著低于雙塊式無砟軌道，在中頻段兩者基本相當。這是因為彈性支承塊式無砟軌道設置了軌下墊板及塊下墊板雙層彈性墊層，相對于現澆枕式無砟軌道其更有利于減緩下部基礎低頻及高頻段的振動。

2.4荷載沖擊振動分析

為測試無砟軌道結構在沖擊荷載作用下的振動特性，利用移動加載車進行荷載沖擊試驗。試驗分為150 kN和225 kN兩種沖擊荷載工況，每種工況至少沖擊6次，測試鋼軌、道床板、隧道基底以及隧道邊墻的振動加速度［7-9］。結果見表3。表中數據為各工況所測最大時域幅值的平均值。

表3　定點荷載沖擊試驗軌道結構各部件及下部基礎振動加速度值　m/s2

由表3可以看出:隨沖擊荷載值增大，軌道結構各部件及隧道基底、隧道邊墻振動加速度均有明顯增大。

在相同沖擊荷載作用下，彈性支承塊式無砟軌道與現澆枕式相比，道床板、隧道基底和隧道邊墻的振動加速度量值明顯較小，彈性支承塊式無砟軌道與現澆枕式無砟軌道剛度基本相同，但支承塊下彈性墊板的設置更有利于緩沖列車振動的沖擊，使其具有一定的減振效果。

2.5彈性系數、阻尼系數和振動衰減次數分析

為分析軌道的振動傳遞和衰減性能，在實驗室建造實尺無砟軌道試驗模型，采用落軸試驗車，對實尺軌道結構進行落軸試驗。

試驗結果表明:

1)在重載彈性支承塊式無砟軌道(彈性道床)和現澆枕式無砟軌道(剛性道床)進行落軸試驗時，沖擊位置的變化和落軸高度對輪軌沖擊力衰減次數的影響較小，軌道的彈性系數和阻尼系數與落軸高度沒有必要關系。

2)彈性道床扣件支點上剛度系數為68.3～89.5 kN/mm，阻尼系數為117.7～118.2 kN·s/m;扣件支點間的剛度系數為73.1～79.3 kN/mm，阻尼系數為75.4～80.0 kN·s/m?？奂c上和支點間的剛度系數更加均勻，但阻尼系數有明顯差異。

3)剛性道床扣件支點上剛度系數為108.0～124.4 kN/mm，阻尼系數為74.6～82.3 kN·s/m，扣件支點間的剛度系數為89.8～96.1 kN/mm，阻尼系數為63.4～65.9 kN·s/m。扣件支點上和支點間的剛度系數略有差異，但阻尼系數差異不大。

4)同種軌道結構輪軌沖擊力的峰值＞15 kN之前的衰減次數在兩個沖擊位置且不同落高工況下變化不大，但彈性道床和剛性道床相比具有明顯差異，彈性道床的沖擊衰減次數平均在3～4次，剛性道床的沖擊衰減次數平均在9～10次。

5)彈性道床與剛性道床相比，當軌道結構節點剛度相近時不同位置處的剛度更加均勻，且雙層減振結構更有利于輪軌沖擊力的迅速衰減［10-11］。

3　結語

1)彈性支承塊式與現澆枕式相比，鋼軌振動加速度級略小，道床板振動加速度級略大。由于橡膠套靴對支承塊的約束作用，支承塊本身的振動加速度級值較小，同時橡膠套靴的設置可緩解支承塊與混凝土道床間的剛性接觸，對支承塊和道床板的受力和振動起到緩沖的作用。隧道基底和隧道邊墻的振動加速度級，彈性支承塊式無砟軌道明顯小于現澆枕式無砟軌道，減振效果達到10 dB左右，其具有更優越的隔振效果。

2)彈性支承塊式鋼軌在100 Hz頻帶以下有一定的減振效果，道床板在500 Hz頻帶以下存在一定的振動放大效果。相對于現澆枕式無砟軌道其更有利于減緩下部基礎低頻及高頻段的振動。

3)彈性道床扣件支點上和支點間的剛度系數更加均勻，但阻尼系數有明顯差異;剛性道床扣件支點上和支點間的剛度系數略有差異，但阻尼系數差異不大。

4)彈性道床的沖擊衰減次數平均在3～4次，剛性道床的沖擊衰減次數平均在9～10次，雙層減振結構更有利于輪軌沖擊力的迅速衰減。

5)與現澆枕式無砟軌道相比，彈性支承塊式無砟軌道由于采用了雙層彈性墊層設計，其軌道結構的振動衰減性能較為顯著，對于衰減輪軌沖擊力和隧道基礎振動、降低隧道基底的應力水平，避免或減輕一些基底病害的發生和發展較為有利。

參考文獻

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［11］王繼軍，尤瑞林，杜香剛，等.重載鐵路隧道內無砟軌道結構選型分析［J］.鐵道建筑，2013(5):132-136.

(責任審編葛全紅)

Research on Vibration Performance of Heavy Haul Ballastless Track Structure in Tunnel

ZHAO Yong1，2

(1.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China;2.State Key Laboratory for Track Technology of High-Speed Railway，Beijing 100081，China)

Abstract:T he vibration characteristics of ballastless track structure in tunnel were studied by experiments of W a(tang)Ri(Zhao)railway 30 t axle load heavy comprehensive test section.T he results showed that the low vibration track(LVT)uses double elastic cushion design and the stiffness coefficient is more uniform compared to cast-in-place pillow ballastless track，the structure of which has a significant effect on vibration damping with low frequency and high frequency，and LVT has the advantages of attenuating wheel-rail impact and tunnel foundation vibration，reducing the stress level of the tunnel base，avoiding or reducing the occurrence and development of some base diseases.

Key words:Heavy haul railway;Ballastless track in tunnel;Vibration;Attenuation performance;Stiffness coefficient

作者簡介:趙勇(1983—)，男，助理研究員。

基金項目:中國鐵路總公司科技研究開發計劃(2014G002-B)

收稿日期:2015-12-20;修回日期:2016-01-20

文章編號:1003-1995(2016)03-0136-06

中圖分類號:U213.2+44

文獻標識碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2016.03.33