減振板式無砟軌道減振性能試驗研究

張歡

（中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

軌道結構是直接承受列車荷載的重要線路結構。深入研究其振動傳遞機理，有針對性地提出減振措施，對于目前我國大量建設和運營的高速鐵路至關重要。減振板式無砟軌道可減輕列車荷載對下部基礎的沖擊，延長線路使用壽命，有效保護環境，減輕高速列車通過時對沿線居民生產和生活的影響［1-2］。本文選取我國廣深港高速鐵路獅子洋隧道，開展減振板式無砟軌道試驗研究。

1 工程概況

獅子洋隧道長10.8 km，設計時速350 km，是目前國內最長、標準最高的水下隧道，同時也是世界上速度目標值最高的水下隧道［3］。該隧道地質條件較差，主要穿越軟土層和砂層。為減少高速列車對軟土和砂層段隧道基礎的影響，無砟軌道結構須采取減振措施。

該隧道內CRTSⅠ型減振板式無砟軌道采用預應力混凝土平板［4］，在底座和CA砂漿之間設置厚27 mm的彈性橡膠減振墊層。橫向上每塊軌道板兩側底座上設置一對減振墊擋臺，縱向上在隧道沉降縫和橡膠減振墊層剛度變化處斷開并搭接，其余地段為連續鋪設。

減振墊層為隔離式減振墊，由覆蓋層、編織層、夾層和阻尼層4部分組成，并通過減振墊層下的圓臺狀橡膠彈簧提供彈性。減振墊層設置4種剛度，分別為0.10，0.08，0.06，0.04 N/mm2，

2 減振性能試驗

2.1 試驗方法

選取未設置減振墊層的無砟軌道地段作為對比工況。在設置不同剛度減振墊層地段分別測試動車組以不同速度通過時CA砂漿充填層應變、軌道板與底座間位移、無砟軌道結構和隧道各部位的振動加速度等參數。

測試方法為：①CA砂漿充填層應變采用應變式傳感器直接或組成橋路測試，測試期間傳感器須粘貼于被測物體表面。②鋼軌、軌道板、底座、仰拱和隧道邊墻的振動加速度采用壓電式加速度傳感器測試。測試期間傳感器須粘貼于被測物體表面，隧道邊墻加速度傳感器須安裝在距地面約1.5 m處的邊墻豎直段。③鋼軌垂向和橫向位移采用應變式位移傳感器測試，傳感器采用塞尺進行現場標定。測試期間傳感器須預壓于被測物體表面。

2.2 試驗結果與分析

2.2.1 CA砂漿充填層應變

動車組以不同速度通過CRTSⅠ型板式無砟軌道測點時，剛度0.04 N/mm2減振地段和非減振地段CA砂漿充填層應變實測數據統計結果見圖1。

圖1 CA砂漿充填層應變

由圖1可見：減振地段CA砂漿充填層的垂向壓應變和縱向拉應變最大值分別為51.2×10-6和297.6×10-6；非減振地段CA砂漿充填層的垂向壓應變和縱向拉應變最大值分別為2.8×10-6和4.4×10-6。減振地段CA砂漿充填層的垂向壓應變和縱向拉應變均大于非減振地段，但未超過CA砂漿充填層的容許應變。

2.2.2 軌道板與底座間位移

動車組以不同速度通過CRTSⅠ型板式無砟軌道測點時，軌道板與底座間垂向位移實測數據統計結果見圖2。

圖2 軌道板與底座間位移

由圖2可以看出：①減振墊層剛度為0.10，0.08，0.06，0.04 N/mm2時，軌道板與底座間垂向位移最大值分別為0.29，0.67，0.63，0.86 mm；非減振地段軌道板與底座間垂向位移最大值為0.07 mm。②軌道板與底座間垂向位移最大值和平均值均與減振墊層剛度有關，剛度越大位移越小；減振地段軌道板與底座間垂向位移明顯大于非減振地段。③減振地段軌道板與底座間橫向位移較垂向位移小，減振墊層剛度為0.10，0.04 N/mm2時其橫向位移最大值分別為0.04，0.10 mm。軌道板與底座間橫向位移隨膠墊剛度減小總體上呈增大趨勢，但其量值較小滿足相關規范要求［5］，軌道板橫向穩定性較好。

2.2.3 1/3倍頻程分析

倍頻程表示的是相應倍頻帶內的振動能之和，一般采用1/3倍頻程評價一個完整倍頻程內的振動平均幅值［6-7］。為進一步分析不同剛度橡膠減振墊層的減振效果，對動車組以200，310 km/h的速度通過時，CRTSⅠ型板式無砟軌道軌道板、底座和隧道仰拱、隧道邊墻振動加速度信號進行1/3倍頻程分析，結果見圖3和圖4。

圖3 動車組時速200 km時1/3倍頻程振動加速度級

圖4 動車組時速310 km時1/3倍頻程振動加速度級

由圖3和圖4可見：①振動加速度級自上而下衰減，由軌道板傳至底座有一定程度衰減，底座至隧道邊墻衰減不明顯；②軌道板振動加速度級隨速度增加有增大的趨勢，且高頻段更明顯；③與非減振地段相比，減振地段軌道板各頻段振動加速度級均有增大趨勢，500 Hz以下頻段更明顯；④動車組時速310 km時底座、隧道仰拱和邊墻振動加速度級在300 Hz以上頻段比非減振地段小，且橡膠減振墊層剛度0.04 N/mm和0.06 N/mm2地段底座和隧道仰拱的振動加速度級較小，高頻成分的振動抑制效果較強。減振型CRTS I型板式無砟軌道的減振墊層剛度可采用0.04 N/mm和0.06 N/mm2。

2.2.4 插入損失

振動加速度的有效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的平均功率［8-9］。采用加速度有效值計算的振動加速度級更為準確，并以此計算減振地段相對于非減振地段的插入損失。插入損失為無減振裝置與有減振裝置情況下的振動加速度級之差［10］。

動車組以不同速度通過時無砟軌道軌道板、底座和隧道仰拱、邊墻插入損失統計結果見圖5。

圖5 無砟軌道和隧道各部位插入損失隨動車組速度變化曲線

由圖5可見：①隨著列車速度的提高，軌道板、底座、隧道仰拱和邊墻的插入損失均有不同程度的變化。這是因為列車以不同速度通過時無砟軌道和隧道各部位不同頻段振動加速度級不同。②軌道板插入損失隨減振墊層剛度降低而減小，當減振墊層剛度為0.04 N/mm2時，軌道板插入損失在列車不同速度級均為負值，表明此地段軌道板振動加速度級大于非減振地段。③減振墊層剛度為0.08 N/mm2時，底座插入損失較小，減振效果不明顯；減振墊層剛度為0.04 N/mm2時，底座插入損失最大值為22 dB，減振效果明顯。④不同剛度減振墊層地段隧道仰拱處均有減振效果，插入損失最大值為26dB。⑤減振墊層剛度為0.04N/mm2和0.06 N/mm2時隧道邊墻處均有減振效果，插入損失最大值為20 dB，但是減振墊層剛度為0.04 N/mm2時軌道板的振動加速度級有所增大。

2.2.5 傳遞損失

傳遞損失采用各層窄帶譜中振動加速度總級值之差來計算，可直觀反映振動能量在無砟軌道至隧道各層間的衰減。統計結果見圖6。

圖6 無砟軌道至隧道各層間傳遞損失隨動車組速度變化曲線

由圖6可見：①減振墊層剛度為0.04 N/mm2和0.06 N/mm2地段軌道板至底座傳遞損失均大于非減振地段，最大值為35.3 dB；②底座至仰拱的傳遞損失較離散，與列車速度、軌道整體剛度等有關；③時速310 km時減振墊層剛度0.06 N/mm2地段仰拱至邊墻的傳遞損失略大于非減振地段。

3 結論

通過板式無砟軌道減振性能試驗得出以下主要結論：

1）減振地段CA砂漿充填層的垂向壓應變和縱向拉應變均大于非減振地段，但未超過CA砂漿充填層的容許應變。

2）軌道板與底座間垂向位移最大值和平均值均與減振墊層的剛度有關，剛度越大位移越小；減振地段軌道板與底座間垂向位移明顯大于非減振地段。減振地段軌道板與底座間橫向位移較垂向位移小，滿足相關規范要求。

3）動車組時速310 km時，300 Hz以上頻率成分的振動受到抑制，且減振墊層剛度0.04 N/mm2和0.06 N/mm2地段底座和仰拱的振動加速度級較小。

4）減振墊層剛度為0.04 N/mm2和0.06 N/mm2時隧道邊墻處均有減振效果，插入損失最大值為20 dB，但減振墊層剛度為0.04 N/mm2時軌道板振動加速度級有所增大。

5）減振墊層剛度為0.04 N/mm2和0.06 N/mm2地段軌道板至底座傳遞損失均大于非減振地段，最大值為35.3 dB；時速310 km時減振墊層剛度0.06 N/mm2地段仰拱至邊墻的傳遞損失略大于非減振地段。

綜合考慮，減振型CRTSⅠ型板式無砟軌道的減振墊層剛度以0.06 N/mm2為宜。