城市軌道交通鋼軌打磨措施的減振效果測試研究

張伯林，張宏亮，辛 濤，鄭 軍 ，王朋松

（1.南京地鐵集團有限公司，江蘇南京 210008；2.北京城建設計發(fā)展集團股份有限公司，北京 100037；3.北京市軌道結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，北京 100037；4.北京交通大學土木建筑工程學院，北京 100044）

1 研究背景

城市軌道交通具有方便、快捷、準時、運量大等優(yōu)點，極大程度地緩解了城市交通擁擠現(xiàn)狀，近年來在我國發(fā)展迅猛[1-4]。截至2020年12月31日，國內(nèi)累計有45個城市建成城市軌道交通并投入運營，運營線路達到244條，總長度7 978.19 km[5]。城市軌道交通開通以來，由于軌道線路狀態(tài)隨著運營時間增長出現(xiàn)劣化，居民投訴城市軌道交通引起的振動與噪聲問題陸續(xù)增多[6-8]。北京、上海、廣州、南京等城市軌道交通都曾遭遇此類難題[9-10]。例如，北京地鐵大興線開通1 年后，高米店北站至高米店南站區(qū)間青島嘉園小區(qū)居民投訴本線路運營后振動噪聲影響了正常的工作及生活；上海地鐵8 號線自2008年通車以來，列車運營產(chǎn)生振動和噪聲影響了青云路、控江路地段居民正常生活秩序，導致群眾上訪投訴次數(shù)不斷增加；廣州地鐵1號線1999 年開通后，長壽路站至陳家祠站隧道區(qū)間上的一座住宅樓樓內(nèi)居民被振動與噪聲侵擾。如何采取有效措施降低振動及噪聲影響，成為城市軌道交通發(fā)展中亟待解決的問題。

文章以振動噪聲過大引發(fā)居民投訴問題的某城市軌道交通區(qū)間為例進行分析，區(qū)間中振動噪聲敏感點與線路關系如圖1所示。經(jīng)過對敏感點附近線路軌行區(qū)間進行踏勘調(diào)研，參照高速鐵路相關技術(shù)標準[11]要求對鋼軌進行打磨，并對鋼軌打磨前后隧道內(nèi)振動源強進行現(xiàn)場測試，分析評估鋼軌打磨效果。

2 現(xiàn)狀調(diào)研

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，敏感點附近線路采用圓形盾構(gòu)隧道，隧道內(nèi)徑為2 750 mm，外徑為3 100 mm，如圖2所示。

圖1 敏感點與線路位置關系（單位：m）

軌道結(jié)構(gòu)采用長枕式整體道床，敏感點區(qū)段雙線均采用羅德（Lord）扣件，扣件間距為600 mm。左線平面線型為R1 200 m + 夾直線 30 m +R450 m，縱坡為8.4‰；右線平面線型為R1 500 m +夾直線 24 m +R450 m，縱坡為8.577 ‰。

此外，在R1 200 m的曲線段發(fā)現(xiàn)內(nèi)外股鋼軌存在波磨，波長為40 mm，如圖3所示。

圖2 隧道區(qū)間結(jié)構(gòu)

圖3 鋼軌波磨

經(jīng)調(diào)研確認，振動噪聲過大與波磨密切相關，因此決定對鋼軌采取打磨措施，并利用測試手段評估打磨減振效果。測試分為2個部分，包括軌面不平順測試與振動源強測試。

在入戶調(diào)研體驗過程中，右線地鐵列車通過時引起振動噪聲相比左線大，因此以右線為例進行測試分析。

3 軌面不平順測試及分析

采用軌道幾何狀態(tài)檢測儀對打磨前后曲線段鋼軌表面不平順進行測量，并對測量結(jié)果進行頻域分析，不平順幅值及粗糙度如圖4、圖5所示。

圖4 外股鋼軌軌面不平順

圖5 內(nèi)股鋼軌軌面不平順

根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，內(nèi)股鋼軌存在波長為20 mm與40 mm的明顯波磨，不平順幅值約為51μm。外股鋼軌波磨不明顯，不平順幅值約為8μm。打磨后軌面波磨狀況得到顯著改善，內(nèi)外股軌面不平順幅值分別降低67%與50%。

4 振動源強測試及分析

為對打磨措施減振效果進行評估，在敏感點附近選取1個典型斷面，進行打磨前后隧道內(nèi)振動源強測試。

4.1 測點布置

按照GB 10071-88 《城市區(qū)域環(huán)境振動測量方法》[12]所規(guī)定的減振效果測量方法，測點設在隧道壁，振動傳感器安裝高度在道床板面以上1.25 ± 0.25 m范圍內(nèi)。除隧道壁測點外，另設鋼軌、道床板2個參考測試點。測點布置如圖6～圖9所示。

（1）鋼軌測點。左右鋼軌均布置1個垂向傳感器，置于外側(cè)軌底，另在距離目標斷面15 m處設置1個觸發(fā)傳感器。

圖6 傳感器測點布置示意圖（單位：m）

圖7 鋼軌測點

圖8 道床板測點

圖9 隧道壁測點

（2）道床板測點。左右鋼軌下面軌道板布置1個垂向傳感器，置于鋼軌外側(cè)軌底；基礎板邊緣布置1個垂向傳感器。

（3）隧道壁測點。隧道壁測點置于道床板面以上1.5 m處，布置1個縱向及1個垂向傳感器。

4.2 時域分析

此次測試共采集191組列車通過數(shù)據(jù)，典型高峰時段振動加速度時程曲線如圖10所示。

根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，振動沿鋼軌、道床板、隧道壁不斷衰減。打磨前鋼軌、道床板、隧道壁振動加速度峰值范圍為0 ～ 200 m / s2、0 ～20 m / s2、0～1.0 m / s2，打磨后，鋼軌、軌道板、隧道壁振動加速度峰值范圍為0～100 m / s2、0～1 m / s2、0 ～0.5 m / s2，軌道結(jié)構(gòu)及隧道壁振動加速度水平顯著下降。為對軌道結(jié)構(gòu)振動衰減進行定量分析，選取20組數(shù)據(jù)將打磨前后鋼軌、道床板及隧道壁振動加速度峰值及有效值均值分別統(tǒng)計，如表 1、表2所示。

圖10 振動加速度時程曲線

圖11 振動加速度級

表1 打磨前后加速度峰值 m/s2

表2 打磨前后加速度有效值 m/s2

表3 打磨前后Z振級 dB

根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，鋼軌及隧道壁振動加速度峰值及有效值衰減均達到50%以上。道床板振動峰值衰減最為明顯，達到97.2%，有效值衰減為35.7%，鋼軌打磨取得良好的減振效果。

4.3 頻域分析

對典型高峰時段振動加速度時程曲線進行頻域變換得到振動加速度級，結(jié)果如圖11所示。根據(jù)標準振動加速度級采用Z頻率計權(quán)曲線，可以得到鋼軌、道床板以及隧道壁的Z振級[13-15]。將20組數(shù)據(jù)Z振級平均值進行統(tǒng)計，如表3所示。

根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，打磨后鋼軌、道床板、隧道壁振動加速度水平在整個頻帶范圍內(nèi)都有所降低，尤其是在243 Hz附近（對應40 mm波長）。鋼軌、道床板、隧道壁的Z振級都降低4 dB以上，表明鋼軌打磨可以有效降低隧道內(nèi)振動源強。

5 結(jié)論

文章針對某城市軌道交通振動噪聲影響問題，對敏感點所處區(qū)間進行現(xiàn)場踏勘調(diào)研，發(fā)現(xiàn)振動噪聲過大與軌道波磨密切相關。通過對打磨前后鋼軌表面不平順狀態(tài)、隧道內(nèi)振動源強進行測試分析，證明鋼軌打磨措施有效，研究成果可為類似工程提供借鑒，主要結(jié)論如下。

（1）鋼軌打磨前，曲線內(nèi)股鋼軌表面存在波長為20 mm 與40 mm明顯波磨，打磨后波磨狀況得到顯著改善，內(nèi)外股鋼軌軌面不平順幅值分別降低67%與50%。

（2）鋼軌打磨后，軌道結(jié)構(gòu)及隧道壁振動加速度峰值及有效值大幅度降低，鋼軌、道床板、隧道壁振動加速度峰值相比打磨前分別減少63.4%、97.2%、64.6%，有效值相比打磨前分別減少52.5%、35.7%、80.0%。

（3）鋼軌打磨后，鋼軌、道床板、隧道壁的Z振級均降低4 dB以上，鋼軌打磨取得顯著效果。