高速列車誘發(fā)橋隧段線路振動(dòng)特性試驗(yàn)研究

李 平，羅信偉

(廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510010)

近年來，快速軌道交通的發(fā)展給人們出行和運(yùn)輸帶來了極大的便利，但列車運(yùn)行所產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲不但會(huì)影響軌道交通系統(tǒng)的設(shè)備、旅客和工作人員，而且會(huì)對附近敏感建筑物的正常使用以及居民的正常工作和生活產(chǎn)生不利影響[1-5]。因此，隨著列車運(yùn)行速度越來越高，其所帶來的振動(dòng)及噪聲問題也越來越引起人們的關(guān)注[6]。本文以實(shí)際工程為依托，結(jié)合工程沿線地質(zhì)條件，開展高速列車作用下橋梁和隧道地段線路振動(dòng)特性的現(xiàn)場測試，分析高架線和地下線的振源特點(diǎn)、軌道結(jié)構(gòu)與下部基礎(chǔ)的振動(dòng)特性、對應(yīng)的環(huán)境振動(dòng)以及其衰減規(guī)律，可為今后控制既有線路環(huán)境振動(dòng)和預(yù)測新建線路環(huán)境振動(dòng)提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)段工程概況

選擇廣深港高速鐵路光明城高架段以及武廣高速鐵路金沙洲隧道段進(jìn)行現(xiàn)場測試。

廣深港高速鐵路[7]是京廣高速鐵路至香港延伸線的組成部分，也是珠江三角洲城際快速軌道交通網(wǎng)的骨干部分。其中光明城高架段總共13 km，跨越公明、光明2個(gè)辦事處，貫穿轄區(qū)內(nèi)西田、李松蓢、樓村、圳美、逕口5個(gè)社區(qū)，抵達(dá)鳳凰社區(qū)，沿途有萬畝荔枝林、大屏障山、樓村回歸亭、大寶鴿場、光明高爾夫球會(huì)、牛山科技公園以及規(guī)模不斷擴(kuò)大的光明高新園區(qū)北片區(qū)，設(shè)有鳳凰、水田等特大橋。

武廣高速鐵路金沙洲隧道[8]北起佛山市里水鎮(zhèn)洲村，南至南海市黃歧鎮(zhèn)沙溪村，沿線地質(zhì)條件復(fù)雜，圍巖較差，橫穿西環(huán)高速公路、建設(shè)大道、河流以及地表建筑物，隧道(含明洞)長 3 982 m。全隧道位于直線上，隧道縱坡為V形坡，分別位于長 2 354 m、坡度20‰的下坡段和長 2 000 m、坡度20‰的上坡段。除隧道進(jìn)口為小丘陵外，隧道洞身最大埋深約25 m。區(qū)間地貌屬珠江沖積平原，地形平坦開闊，水塘溝渠星羅棋布，地層表層為第四系全新統(tǒng)沖積層，厚15～25 m，主要組成為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉砂；下伏基巖為粉砂巖、碳質(zhì)灰?guī)r、長石石英砂巖等。

2 測試內(nèi)容及測試方案

2.1 測試內(nèi)容

在高速鐵路列車正常運(yùn)行情況下，分別在高架段和隧道段進(jìn)行測試，測試內(nèi)容主要為振動(dòng)的振源及環(huán)境振動(dòng)衰減特性。測試物理量包括：軌道板(道床板)垂向振動(dòng)加速度、高架橋面垂向振動(dòng)加速度(高架橋段)、隧道壁垂向振動(dòng)加速度(隧道段)、環(huán)境地面垂向振動(dòng)加速度(高架橋段、隧道段)。另外，通過在各測試斷面的鋼軌上布置位移傳感器測量鋼軌垂向動(dòng)態(tài)位移，間接獲得列車通過速度。

2.2 測試斷面

本次測試共包含4個(gè)斷面，高架段斷面分別位于直線段和曲線段，隧道段2個(gè)斷面均位于直線段，見表1。對于高架段，斷面1位于鳳凰特大橋，屬于直線段，墩高25 m，地表覆蓋坡洪積粉質(zhì)黏土，橋墩周圍有較厚回填土；斷面2位于水田特大橋，屬于曲線段，曲線半徑 7 000 m，墩高30 m，地表覆蓋淤泥質(zhì)黏土，橋墩周圍分布有菜地。對于隧道段，斷面1距隧道出口300 m，軌面埋深15 m，地質(zhì)情況主要是淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉砂；斷面2在隧道中部，軌面埋深35 m，地質(zhì)情況為碳質(zhì)灰?guī)r、粉砂、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。

表1 測試斷面概況

2.3 測點(diǎn)布置

2.3.1 高架段測點(diǎn)布置

1)高架段振源測點(diǎn)布置

對于軌道附近振源，選擇測點(diǎn)位于軌道板中部橫截面，分別在軌道板橫向端部布置1個(gè)垂向加速度傳感器，在距離軌道中心線1.5 m的高架橋面上布置1個(gè)垂向加速度傳感器，另外在鋼軌軌腳處布置1個(gè)鋼軌垂向位移傳感器。測點(diǎn)具體布置如圖1所示。直線段和曲線段傳感器布置一致。

圖1 高架段振源測點(diǎn)布置

2)高架段地面環(huán)境振動(dòng)測點(diǎn)布置

對于高架段地面環(huán)境振動(dòng)共設(shè)4個(gè)測試斷面，分別為直線段斷面1附近的橋墩斷面和跨中斷面以及曲線段斷面2附近的橋墩斷面和跨中斷面。橋墩斷面墩腳處為第1個(gè)點(diǎn)，依次設(shè)置6個(gè)測點(diǎn)Tp1—Tp6，距左線中心線水平距離分別為0，7.5，15.0，30.0，45.0，60.0 m;跨中斷面的6個(gè)測點(diǎn)平行對齊于橋墩斷面的6個(gè)測點(diǎn)。每個(gè)測點(diǎn)布置1個(gè)加速度傳感器，以獲得垂向的振動(dòng)情況，共24個(gè)測點(diǎn)。測點(diǎn)布設(shè)具體位置如圖2所示。

圖2 高架段地面環(huán)境振動(dòng)測點(diǎn)布置

2.3.2 隧道段測點(diǎn)布置

1)隧道段振源測點(diǎn)布置

對于軌道附近振源，選擇測點(diǎn)位于道床板中部橫截面，分別在道床板橫向端部布置1個(gè)垂向加速度傳感器，在距離鋼軌頂面1.25 m高度的隧道壁上布置1個(gè) 垂向加速度傳感器，另外在鋼軌軌腳處布置1個(gè)鋼軌垂向位移傳感器。測點(diǎn)具體布置如圖3所示。

圖3 隧道段振源測點(diǎn)布置

圖4 隧道段地面環(huán)境振動(dòng)斷面1測點(diǎn)布置(單位：m)

2)隧道段地面環(huán)境振動(dòng)測點(diǎn)布置

對于隧道段地面環(huán)境振動(dòng)共設(shè)有2個(gè)測試斷面，分別與振源測點(diǎn)斷面一致。對于斷面1，隧道頂面右線中心線上方開始為第1個(gè)點(diǎn)，依次設(shè)置6個(gè)測點(diǎn)Tp1′—Tp6′，距右線中心線水平距離分別為0，7.5，15.0，30.0，45.0，60.0 m。每個(gè)測點(diǎn)布置1個(gè)加速度傳感器，以獲得垂向的振動(dòng)情況。斷面1測點(diǎn)布設(shè)具體位置如圖4 所示。由于斷面2的現(xiàn)場有障礙物隔斷且其60 m測點(diǎn)距離高速公路近，為減小高速公路振動(dòng)對60 m 測點(diǎn)的影響，斷面2環(huán)境振動(dòng)測試范圍為45 m，6個(gè)測點(diǎn)距右線中心線水平距離分別為0，7.5，15，22.5，30，45 m。隧道段地面環(huán)境振動(dòng)測試共布置12個(gè)測點(diǎn)。

3 測試結(jié)果及分析

運(yùn)行列車為高速鐵路實(shí)際運(yùn)營車輛，運(yùn)行速度為正常運(yùn)營速度，每個(gè)測試斷面記錄10列高速列車通過時(shí)的有效測量數(shù)據(jù)[9]。高架段斷面1的列車運(yùn)行速度為300 km/h，高架段斷面2、隧道段斷面1和隧道段斷面2的列車運(yùn)行速度均為290 km/h。

3.1 高架段和隧道段振源特性分析

高速列車通過時(shí)，高架段和隧道段振源測試結(jié)果見表2，橋面和隧道壁Z振級見表3。

表2 振源測試結(jié)果

表3 橋面和隧道壁Z振級 dB

由表2可知，高架段斷面1和斷面2的軌道板最大加速度分別為6.28，9.23 m/s2，振動(dòng)加速度級分別為119，121 dB；橋面最大加速度分別為1.07，2.57 m/s2，振動(dòng)加速度級分別為103，105 dB。雖然高架橋曲線段行車速度較直線段低10 km/h，但曲線段振源振動(dòng)強(qiáng)度明顯高于直線段，主要是因?yàn)榱熊嚱?jīng)過曲線段時(shí)，輪緣貼靠鋼軌運(yùn)行，導(dǎo)致輪軌接觸為多點(diǎn)接觸，輪軌關(guān)系更為復(fù)雜，進(jìn)而導(dǎo)致輪軌力增加，最終導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)更為劇烈。另外通過頻域分析可知，軌道板振動(dòng)頻率主要集中在200～1 000 Hz，橋面振動(dòng)頻率主要集中在80～160 Hz,400～630 Hz。隧道段斷面1和斷面2的道床板最大加速度分別為5.78，5.86 m/s2，振動(dòng)加速度級分別為129，131 dB，振動(dòng)頻率主要集中在200～500 Hz；隧道壁的最大加速度分別為2.37，2.54 m/s2，振動(dòng)加速度級分別為91，92 dB，振動(dòng)頻率主要集中在50～125 Hz。

由表3可知，對于高架段斷面1和斷面2，在1～80 Hz內(nèi)計(jì)權(quán)的橋面Z振級分別為91，92 dB，在4～200 Hz 內(nèi)計(jì)權(quán)的橋面Z振級均為93 dB。對于隧道段斷面1和斷面2，在1～80 Hz內(nèi)計(jì)權(quán)的隧道壁Z振級分別為75，76 dB，在4～200 Hz內(nèi)計(jì)權(quán)的隧道壁Z振級分別為79，80 dB。列車運(yùn)行所產(chǎn)生的橋面Z振級遠(yuǎn)高于隧道壁Z振級。

3.2 高架段和隧道段地面振動(dòng)及傳播特性分析

環(huán)境振動(dòng)采用垂直方向計(jì)權(quán)因子修正后的Z振級用VLZ表示[10-11]。高速列車在高架段和隧道段運(yùn)行所誘發(fā)的環(huán)境振動(dòng)Z振級見表4。

由表4可知，直線段橋墩斷面環(huán)境振動(dòng)高于橋梁跨中斷面0～7 dB；曲線段橋墩斷面環(huán)境振動(dòng)高于橋梁跨中斷面1～12 dB。雖然曲線段行車速度較直線段低10 km/h，但是曲線段環(huán)境振動(dòng)Z振級依然高于直線段環(huán)境振動(dòng)0～6 dB，且在橋墩斷面更加明顯。隧道段斷面1的環(huán)境振動(dòng)Z振級比斷面2高3～13 dB，主要是由于斷面1軌面埋深比斷面2淺，導(dǎo)致斷面1振動(dòng)衰減路徑小于斷面2。高架段斷面1和斷面2、隧道段斷面1和斷面2的最大環(huán)境振動(dòng)Z振級分別為84，90，66，57 dB，最大相差33 dB，即列車在高架橋上運(yùn)行所誘發(fā)的環(huán)境振動(dòng)遠(yuǎn)高于隧道區(qū)間的環(huán)境振動(dòng)。

一般情況下，環(huán)境振動(dòng)隨距離呈對數(shù)關(guān)系衰減。因此，可采用統(tǒng)計(jì)回歸方法擬合得到環(huán)境振動(dòng)Z振級隨距振源距離的衰減公式

VLZ=Ar+Blgr+C

式中：r為距振源距離;A,B,C為系數(shù)。

不同斷面環(huán)境振動(dòng)衰減公式系數(shù)見表5。高速列車在高架段和隧道段運(yùn)行時(shí)部分?jǐn)嗝娴沫h(huán)境振動(dòng)頻譜特性如圖5所示。

由圖5可知，環(huán)境振動(dòng)主要為200 Hz以下的低頻振動(dòng)，且主頻集中在20～80 Hz。隨著距振源距離增加，高頻成分衰減速度大于低頻成分。對于隧道而言，不同埋深下地面環(huán)境振動(dòng)主頻有所差別，總體上埋深越大，主頻越低。

表5 環(huán)境振動(dòng)衰減公式系數(shù)

圖5 部分?jǐn)嗝姝h(huán)境振動(dòng)頻譜特性

4 結(jié)論

本文以廣深港高速鐵路光明城高架段和武廣高速鐵路金沙洲隧道段為試驗(yàn)對象，結(jié)合沿線實(shí)際地質(zhì)條件，開展高速鐵路振源以及環(huán)境振動(dòng)測試，研究振源特點(diǎn)和環(huán)境振動(dòng)衰減規(guī)律，主要結(jié)論如下：

1)高架段軌道板振動(dòng)主要集中在200～1 000 Hz，振動(dòng)加速度級為119～121 dB，橋面振動(dòng)主要集中在80～160,400～630 Hz，振動(dòng)加速度級為103～105 dB，且曲線段振源振動(dòng)強(qiáng)度明顯高于直線段。隧道段道床板振動(dòng)主要集中在200～500 Hz，振動(dòng)加速度級為129～131 dB；隧道壁振動(dòng)主要集中在50～125 Hz，振動(dòng)加速度級為91～92 dB。

2)直線段橋墩斷面環(huán)境振動(dòng)高于橋梁跨中斷面0～7 dB，曲線段橋墩斷面環(huán)境振動(dòng)高于橋梁跨中斷面1～12 dB。雖然曲線段行車速度較直線段低10 km/h，但曲線段環(huán)境振動(dòng)依然高于直線段環(huán)境振動(dòng)0～6 dB，且在橋墩斷面更加明顯。而隧道段斷面1的環(huán)境振動(dòng)Z振級比斷面2高3～13 dB；高架段斷面環(huán)境振動(dòng)Z振級高于隧道段斷面最大達(dá)到33 dB。

3)隨著距軌道中心線距離增加，環(huán)境振動(dòng)逐漸減小；對于橋梁段，距離軌道中心線大于15 m后衰減速度降低，而對于隧道段，距離軌道中心線15 m以后可能出現(xiàn)振動(dòng)驟降。

4)高速列車誘發(fā)環(huán)境振動(dòng)主要為200 Hz以下，且主頻集中在20～80 Hz；隨著距軌道中心線距離增加，高頻成分衰減速度大于低頻成分。對于隧道而言，其埋深越大，主頻越低。

5)列車在高架橋上運(yùn)行所誘發(fā)的環(huán)境振動(dòng)遠(yuǎn)高于隧道段，且幅值較大，建議在城市高架段采取一定的減振措施控制環(huán)境振動(dòng)。