時速80 km/h地鐵地下線梯形軌枕軌道現場測試分析

劉 力， 張勝龍， 王文斌*， 李玉路， 趙夢拴

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司城軌軌道交通中心， 北京 100081； 2.中國鐵道科學研究院集團有限公司， 北京 100081)

城市軌道交通具有緩解城市擁堵，充分發揮城市土地資源的一種重要交通工具[1]。近年來，中國多個城市得到迅猛發展。但是隨之而來的振動噪聲問題也一直困擾著城市居民[2]。為此中外學者研制出一系列減振措施[3-4]，軌道處減振措施主要有減振扣件、梯形軌枕減振道床、減振墊減振道床和鋼彈簧浮置板減振道床[5]等。梯形軌枕作為一種中等減振軌道，能夠一定程度緩解地鐵運營引起的振動噪聲問題，在中國得到廣泛應用。現場測試是研究地鐵運營引起的振動問題最直接、有效的手段，有學者對梯形軌枕進行了一系列的測試研究。葛輝等[6]通過對時速120 km/h的梯形軌枕和彈性長枕進行測試，對兩者的減振效果進行了對比。鄧玉姝等[7]對高架橋梯形軌枕振動和噪聲進行了測試和仿真計算。曾向榮等[8]對160 km/h的梯形軌枕的安全性和平穩性進行了在線測試。前人從不同方面對梯形軌枕進行了研究，但是關于地下線梯形軌枕減振效果和位移進行測試的研究尚鮮見報道。

以北京地鐵某號線梯形軌枕為例，對地鐵地下線普通整體道床和梯形軌枕道床(圖1)進行加速度和動位移測試，分析對比地鐵列車經過時兩種軌道的動力響應和梯形軌枕的減振效果，為梯形軌枕理論研究和應用提供依據。

圖1 梯形軌枕道床Fig. 1 Ladder sleeper ballast bed

1 現場測試

測試選取北京地鐵某號線，單洞單線，列車為地鐵B型車，6節編組，車速為80 km/h，測試分為普通整體道床和梯形軌枕道床兩個斷面，兩種道床形式均采用DTVIII扣件，普通道床斷面加速度測點包括鋼軌、道床和隧道壁。梯形軌枕道床斷面加速度測點包括鋼軌、道床和隧道壁，位移測點包括鋼軌垂向、鋼軌橫向和道床垂向。鋼軌、道床和隧道壁加速度測點分別采用200g、50g、5g量程朗斯加速度傳感器，鋼軌和道床位移采用東方所應變式位移傳感器，有效量程±10 mm，具體測點布置位置如圖2所示，現場測點照片如圖3所示。

圖 2 各斷面位移測點示意Fig. 2 Each section displacement measuring point

圖3 位移測點Fig. 3 Displacement measuring point

測試采用自動觸發方式，收集地鐵列車經過測試斷面時引起的各測點的加速度和位移，測試時間為1 d，將該天內所有經過的地鐵列車數據進行了采集。

2 測試結果與分析

對普通道床斷面和梯形軌枕道床斷面的測試數據進行對比分析，評價梯形軌枕工作性能。

2.1 加速度

加速度主要從時域、頻域和最大Z振級等角度進行分析，全方位描述梯形軌枕的減振效果。

2.1.1 時域

加速度時域數據為地鐵列車經過引起的測點處的加速度隨時間變化的值，普通道床斷面各測點加速度時域值如圖4所示，梯形軌枕斷面各測點加速度時域值如圖5所示。

圖4 普通整體道床各測點垂向加速度時程圖Fig. 4 Time history diagram of vertical acceleration of each point in ordinary ballast bed

圖5 梯形軌枕道床各測點垂向加速度時程圖Fig. 5 Time history diagram of vertical acceleration of each points in ladder sleeper ballast bed

取列車經過時10 s數據進行分析，分別計算兩斷面各加速度測點的有效值，如表 1所示。

從圖4、圖5、表1中可以看出，所有測點振動均

表1 時域有效值對比Table 1 Comparison of effective values in time domain

成梭形，反應列車駛近和駛遠的過程。普通道床斷面鋼軌、道床和隧道壁振動幅值分別為80、5、1 m/s2，有效值為14.1、0.48、0.069 m/s2，在列車輪軌經過時有稍微振動增大毛刺，鋼軌到道床振動有效值衰減96.6%，道床到隧道壁振動有效值衰減85.6%。梯形軌枕道床斷面鋼軌、道床和隧道壁振動幅值分別為100、3、0.07 m/s2，有效值為18.1、0.62、0.016 m/s2，輪軌經過時的振動增大毛刺不明顯，鋼軌到道床振動有效值衰減96.6%，道床到隧道壁振動有效值衰減97.4%。梯形軌枕道床鋼軌和道床處振動加速度大于普通整體道床，隧道壁處振動加速度小于普通整體道床，說明梯形軌枕有一定減振效果，隔振墊將道床鋼軌與隧道基地隔離，阻止振動能量直接向下傳播，所以梯形軌枕道床鋼軌和道床的振動要大于普通整體道床，測試結果與減振軌道設計原理相符,值的說明的是鋼軌附近的振動與輪軌關系的好壞有關，隨著輪軌關系的惡化鋼軌處振動將會增加。

2.1.2 頻域

1/3倍頻程譜能夠描述不同頻率下振動物理量的大小，能夠反映某一頻段內的振動能量的有效值[9]，在地鐵環境振動領域應用比較廣泛[10-11]。將兩測試斷面各測點加速度數據進行1/3倍頻程加速度譜分析，如圖6所示。

圖6 各加速度測點1/3倍頻程加速度級圖Fig. 6 Acceleration level diagram of 1/3 octave frequency

兩種道床斷面振動能量衰減趨勢相似，從鋼軌、道床到隧道壁振動均呈現衰減趨勢，鋼軌振動能量最大且頻域越高能量越大，與其自身剛度大有關。道床振動能量相對于鋼軌有所減低，隧道壁振動能量相對于鋼軌和道床最低。將兩測試斷面隧道壁測點1/3倍頻程譜做差如圖7所示。

圖7 隧道壁加速度測點1/3倍頻程插入損失Fig. 7 1/3 octave insertion loss at the acceleration measurement point of the tunnel wall

梯形軌枕道床在隧道壁處各頻率斷內振動能量均小于普通整體道床。其中100 Hz以內減振效果略高于100 Hz以上減振效果。

2.1.3 Z振級

根據《城市區域環境振動標準》(GB 10070—1988)和《城市區域環境振動測量方法》(GB 10071—1988)，鐵路交通引起的環境振動采用鉛垂向Z振級最大值VLZmax進行評價。隧道壁振動雖然為襯砌結構振動，用最大Z振級作為減振效果評價指標仍有較大意義[12]。

Z振級實質為加速度級在Z方向的計權。加速度級按GB 10071—1988規定的方法，采用各中心頻率的有效值(RMS)，按式(1)計算。頻率為1～80 Hz。

VL=20lg(a/aref)

(1)

式(1)中:VL為振級，dB；a為振動加速度的有效值，m/s2；aref為基準振動加速度，取aref=1×10-6m/s2。

根據式(1)計算出普通整體道床隧道壁最大Z振級為77.1 dB，梯形軌枕減振道床最大Z振級為65.2 dB，減振效果為11.9 dB。

2.2 位移

軌道動位移是城市軌道交通列車運行中的一項重要指標，軌道剛度過低會引起動位移過大，列車平穩性降低，鋼軌播磨[13-14]等一系列問題。目前，中國各方也在編寫相應規范對不同軌道結構軌道動位移限值進行規定。梯形軌枕軌道各測點在列車經過時的動位移時程如圖8所示。

圖8 動位移時程圖Fig. 8 Dynamic displacement time history

因為地鐵列車荷載直接通過輪對作用在鋼軌上，所以鋼軌垂向位移能夠清晰地反映列車輪對的作用過程，在輪軌的作用向下鋼軌垂向產生向下規律性位移，最大值為0.34 mm；因為測試斷面為直線段，所以鋼軌橫向位移呈左右對稱搖擺，并未向一側偏移，最大值為0.13 mm；由于鋼軌的緩沖作用，列車荷載傳遞到道床上僅能體現相鄰較遠輪對之間的作用過程，道床垂向位移最大值為1.21 mm；道床橫向位移為左右搖擺，最大值為0.081 mm。

3 結論

通過對北京地鐵某線梯形軌枕在80 km/h地鐵列車運行下進行加速度和動位移測試，對測試結果進行分析得出以下結論。

(1)普通道床斷面鋼軌、道床和隧道壁振動有效值為14.1、0.48、0.069 m/s2，梯形軌枕斷面對應測點振動有效值為18.1、0.62、0.016 m/s2，地鐵梯形軌枕道床相對于普通整體道床鋼軌和道床振動加速度有效值有所增加，隧道壁振動加速度有效值降低，與減振軌道設計原理相符。

(2)從1/3倍頻程譜看出梯形軌枕斷面隧道壁處振動加速度相對于普通整體道床斷面在1～1 000 Hz 內均有一定減振效果，兩斷面最大Z振級差值11.9 dB。

(3)梯形軌枕道床在地鐵列車作用下鋼軌垂向、鋼軌橫向、梯軌垂向、梯軌橫向最大動位移分別為0.34、0.13、1.21、0.081 mm，比較安全。