不同隔振屏障對鐵路環境振動的隔振效果試驗研究

孫 軍，吳宗臻，晉 杰，閆曉春，賈顏康

(1.中國鐵道科學研究院 國家鐵道試驗中心，北京 100015；2.中國鐵道科學研究院 城市軌道交通中心，北京 100081)

隨著我國鐵路行業的快速發展，鐵路運行產生的大地振動對沿線居民的工作生活產生了較大影響。為了研究不同隔振措施的隔振效果，國內外學者進行了許多相關研究。高廣遠等[1]從理論和實際運用出發進行了研究，認為散射(透射)效應決定了排樁的隔振效果，將排樁屏障設計成圓柱體時散射波具有方向性，有利于近場隔振。郭炳川等[2]通過設置不同的樁長、樁體材料、樁間距，利用數值方法分析了不同布置形式下的排樁隔振效果。TAKEMIYA[3]提出蜂巢樁隔振系統基于波傳播原理，對于頻率在3～5 Hz的激勵具有明顯的隔振效果。劉艷清[4]利用聲子晶體能夠禁止某一頻段波在其內傳播的特性，對周期性排樁屏障進行參數設計，對一維層狀屏障采用傳遞矩陣法、二維隔振排樁采用平面波展開法進行了理論計算。馬利衡等[5]通過滬寧城際高速鐵路現場實測分析得知，振動傳播過程中高頻成分迅速衰減，低頻成分衰減較慢，振動傳播至地面后，土體振動主要分布在70 Hz以內的頻段。徐巖等[6]通過大比例試驗，針對空溝、碎石填充溝和排樁3種隔振措施研究其隔振效果，為高鐵隔振措施提供依據。本文在上述研究的基礎上，針對多排樁和蜂巢樁隔振屏障開展現場試驗，研究不同隔振屏障對鐵路環境振動的隔振效果。

1 試驗概況

國家鐵道試驗中心的環行鐵道試驗線大環線周長9.0 km，Ⅰ級電氣化鐵路，Ⅲ型有擋肩枕有砟軌道，Ⅱ型扣件，無縫線路，60 kg/m鋼軌，地層為黏性土。試驗線k2—k3設置了長50 m的多排圓柱樁(簡稱多排樁)和多排蜂巢樁(簡稱蜂巢樁)隔振屏障試驗段，其中多排樁的首排樁距線路中線23.40 m，最近的蜂巢樁距線路中線16.13 m。隔振結構試驗段位于鐵路旁無人地段，周圍無明顯的路面交通等干擾源，但現場填土層較厚，已掩蓋原隔振結構，對于隔振效果研究具有一定影響。

1.1 測試儀器

振源加速度測試采用Lance AS0123T型高精度壓電式加速度傳感器，傳感器靈敏度25.4 mV/g，量程200g，頻率范圍為0.2～11 000 Hz。場地振動測試采用LC0310型壓電式加速度傳感器，量程0.12g，頻率范圍為0.2～600 Hz。數據自動采集采用INV3018C型和INV3060V型24位高精度數據采集儀。數據處理采用DASP-V10分析系統。

1.2 測試斷面布置

隔振屏障現場測試的測試斷面共3個。①斷面1為無隔振結構對比斷面；②斷面2為多排樁試驗段斷面；③斷面3為蜂巢樁試驗段斷面。

普通多排樁半徑為0.4 m，樁長為15.0 m，橫向樁間距為1.2 m，排距為3.0 m，采用4排形式布置。蜂巢樁半徑為0.3 m，樁長為15.0 m，橫向樁間距為 0.9 m，排距為0.4 m，采用樁交錯排列，組成2排邊長為3.6 m 的六邊形樁。

既有隔振結構隔振性能測試包含振源測試和地表測試2個方面。

1)振源測試包含鋼軌、軌枕、線路坡腳3個測點，如圖1所示。

圖1 振源測點布置示意

2)地表測試每斷面共5個測點。隔振結構與線路之間布置1個測點，位置為線路路基的坡腳處。隔振結構外部布置等間距的4個測點，測點間隔5 m。無隔振結構的對比斷面在相同距離處布置對應測點。測點布置如圖2所示。

圖2 地表測點布置(單位：m)

2 試驗結果分析

2.1 振源時域性能分析

試驗列車為標準動車組，試驗速度約40 km/h，測試斷面位于半徑約 1 400 m 的曲線路基地段。選取1組具有代表性的測試數據進行分析，其振源加速度時程曲線如圖3所示。

圖3 振源加速度時程曲線

由圖3可知：

1)標準動車組試驗列車的鋼軌垂向振動加速度幅值為228.3 m/s2，軌枕垂向振動加速度幅值為28.6 m/s2，在同等條件下較其他CRH動車組振動加速度減小近10%。

2)試驗列車的鋼軌振動加速度傳遞到軌枕后減小87.5%，說明扣件具有較強的減振效果。

2.2 測試斷面振動加速度頻譜分析

將無隔振屏障、多排樁、蜂巢樁3個測試斷面中地表樁前5 m、樁后1 m、樁后6 m、樁后11 m、樁后16 m測點測試數據進行頻譜分析，結果如圖4所示。

從圖4中可以看出：

1)3個測試斷面在樁前 5 m 測點的測試結果接近，振動主要集中在0～80 Hz，屬于低頻振動。

圖4 不同隔振屏障下測試斷面頻譜曲線

2)無隔振屏障斷面測點隨著距線路越遠，振動加速度越小，距線路30 m后振動頻率主要集中在10～50 Hz。

3)有隔振屏障斷面測點振動加速度較無隔振屏障斷面測點衰減快，且頻率較高部分下降較多。

4)多排樁隔振后振動頻率主要集中在10～20 Hz,垂向振動加速度為0.001～0.004 m/s2;蜂巢樁隔振后振動頻率主要集中在10 Hz附近，垂向振動加速度為 0.000 5～0.002 6 m/s2。

2.3 最大Z振級分析

GB 10070—88《城市區域環境振動標準》[7]和GB 10071—88《城市區域環境振動測量方法》[8]中規定：為評價城市區域環境振動水平，測量量為鉛垂向Z振級，采用的時間計權常數為1 s，采用的頻率計權范圍為1～80 Hz。

根據規范GB 10070—88要求，采用1 s計權，振動響應信號可依次分為若干段。對每一段時程信號進行1/3倍頻程分析，得到各個中心頻率對應的分頻振級。根據下式計算可得該時段的Z振級，依次計算可得Z振級隨時間的變化過程。

式中：VLZ表示鉛垂向Z計權振級，簡稱Z振級，dB；n為頻帶數量;VLi(i=1,2,…,n)為每個頻帶的振動加速度級，dB；αi為各個頻帶的計權因子，dB，具體數值參考GB/T 13441.1—2007《機械振動與沖擊 人體暴露于全身振動的評價 第1部分 一般要求》[9]，見表1。

表1 GB/T 13441.1—2007規定的Z振級的計權因子

計算時需讀取每次列車通過過程中的最大示數，稱為最大Z振級VLZmax，每個測點連續測量20次，取20次讀數值的算術平均值為評價量，然后與GB 10070—88中所給出的標準限值進行比較，以評價環境振動水平。

分別對3個斷面中各測點的加速度振級計算最大Z振級，結果見圖5及表2。

圖5 各斷面測點最大Z振級

表2 各斷面測點最大Z振級值 dB

從圖5和表2可以看出：

1)在無隔振屏障斷面，最大Z振級隨著距離的增加逐漸降低，符合振動衰減規律，最大Z振級為76.72 dB，滿足規范要求。

2)3個斷面在樁前5 m測點最大Z振級分別為76.72，77.51，79.20 dB，較為接近，表明3個測試斷面振動能量輸入水平相當。

3)在樁后1 m處隔振屏障的隔振效果明顯，在樁后10 m處及以后隔振效果不明顯。

3 結論

通過對3個斷面進行振動測試，并對隔振效果進行分析，得到如下結論：

1)標準動車組在既有曲線有砟路基段產生的振源振動加速度在同等線路條件下較其他列車產生的振源振動加速度小。

2)距線路中線30 m處列車產生的垂向Z振級均在80 dB以內，滿足《城市區域環境振動標準》相關要求。

3)多排樁在樁后1 m處減振效果較明顯，減振量達到6.74 dB，之后振動迅速反彈，在樁后6 m處減振效果僅為2.00 dB，在樁后11，16 m處幾乎沒有減振效果。蜂巢樁在樁后1 m處有一定減振效果但不明顯，減振量僅為1.83 dB，之后振動迅速反彈，在樁后6 m處減振效果僅為0.97 dB，在樁后11，16 m處振動反而放大。分析原因為：樁類隔振結構依據樁深的不同有一個有效的隔振工作范圍，超出此距離，樁類隔振結構存在振動波的繞射現象；同時，由于隔振結構試驗段長度僅為50 m且測試斷面因現場情況并非布置在試驗段正中間，故振動波存在從隔振屏障兩側無屏障處繞射的可能。因此在距隔振樁較遠處會失去隔振效果，甚至由于在遠處存在能量積聚現象而存在一定的放大。

4)多排樁隔振后振動頻率主要集中在10～20 Hz，蜂巢樁隔振后振動頻率在10 Hz附近。

[1]高廣遠，楊先健，王貽蓀,等.排樁隔振的理論與應用[J].建筑結構學報,1997,18(4):58-68.

[2]郭炳川，孫立強，閆澎旺，等.不同布置形式的排樁隔振效果的數值分析[J].地震工程學報,2014,36(3):510-515.

[3]TAKEMIYA H.Filed Vibration Mitigation by Honeycomb WIB for Pile Foundations of a High-speed Train Viaduct[J].Soil Dynamics and Earthquake Engineering,2004,24(1):69-87.

[4]劉艷青.地鐵周期性層狀隔振屏障設計與施工工藝研究[R].北京：中國鐵道科學研究院，2016：58-99.

[5]馬利衡,梁青槐,谷愛軍,等.滬寧城際高速鐵路路基段振動試驗研究及數值分析[J].鐵道學報,2014,36(1):88-93.

[6]徐巖,張楠.不同隔振措施隔振效果的試驗研究[J].港工技術,2015,52(4):68-73.

[7]國家環境保護局.GB 10070—88 城市區域環境振動標準[S].北京：中國標準出版社，1989.

[8]國家環境保護局.GB 10071—88 城市區域環境振動測量方法[S].北京：中國標準出版社，1989.

[9]國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T 13441.1—2007 機械振動與沖擊 人體暴露于全身振動的評價 第1部分 一般要求[S].北京：中國標準出版社，2007.