不同軌道結構形式下地鐵隧道振動傳遞特性試驗研究

吳寶游，宋立忠，艾永飛，劉全民，劉天宇

（1.中鐵電氣化局集團有限公司，北京100036；2.華東交通大學 鐵路環境振動與噪聲教育部工程研究中心，南昌330013）

近年來中國城市軌道交通發展迅猛，極大地滿足了人民群眾出行需求，在優化城市結構布局、緩解城市交通擁堵以及促進經濟社會發展等方面的作用日益凸顯。據統計[1]：截止2020年12月31日，我國內地累計有45 個城市開通城市軌道交通運營線路7 978.19公里，其中地鐵6 302.79公里，占比79%。

隨著地鐵線路的大規模修建，隨之而來的振動與噪聲問題也變得日益突出。地鐵列車在鋼軌上運行時，受輪軌不平順的影響，車輪與鋼軌之間相互作用，產生輪軌力，激發輪軌系統振動，并通過軌道結構傳至隧道壁，再傳到地面，引起地面建筑物的振動及二次結構噪聲[2]。

國內外學者針對地鐵引起的振動問題開展了大量研究[3-6]。在地鐵隧道的振動傳遞特性方面，袁揚和劉維寧等[7]通過實驗室錘擊試驗和數值模擬，研究了不同振源作用下隧道-地層-建筑物系統的振動傳遞特性，發現隧道-地層-建筑物系統的傳遞率函數是系統的固有特性，而與振源幅值、幅頻特性等因素無關。侯晉等[8]在蘇州軌道交通1號線隧道內，通過錘擊試驗對比了短軌枕斷面（Ⅲ型減振器扣件+短軌枕式整體道床）和長軌枕斷面（普通扣件+長軌枕式整體道床）的振動傳遞特性，結果表明Ⅲ型減振器扣件+短軌枕式整體道床具有更好的減振效果，在40 Hz～80 Hz頻段的振動峰值衰減約10 dB。賀國宇[9]以深圳地鐵5 號線南延段作為工程背景，通過錘擊試驗，研究了瀝青、橡膠、泡沫混凝土等不同材料減振層的振動傳遞特性，結果表明：在3 種減振材料中，瀝青材料的振動衰減率最大，泡沫混凝土的振動衰減率最小。CAI等[10]以北京地鐵15號線作為研究對象，通過現場測試研究了列車通過彈性長枕軌道時的減振效果，與普通無砟軌道相比，彈性長枕軌道在40 Hz 以上表現出顯著的減振效果，總振動加速度級減小約10 dB。

本文以南昌地鐵3 號線為工程背景，分別在普通板式軌道斷面、雙層非線性減振扣件斷面、隔離式減振墊斷面開展現場錘擊試驗，研究不同軌道結構形式下地鐵隧道的振動傳遞特性，在此基礎上分析不同軌道結構的減振效果。

1 測試概況

1.1 工程背景

本次試驗以南昌地鐵3 號線為工程背景，線路全長28.5 km，采用全地下敷設方式，共設22 座地下車站，采用6節編組B型列車。南昌地鐵3號線途經繩金塔歷史街區、三眼井文化風貌區、南昌新四軍軍部舊址、八大山人故居、陳云故居廣場、梅湖自然歷史風景區以及其他22 處歷史建筑。在經過振動敏感區域時，需采取減振措施，如采用雙層非線性減振扣件、隔離式減振墊等。為了測試不同軌道結構的振動傳遞特性及減振效果，在線路開通前開展了現場錘擊試驗。

1.2 測點布置

為了測試不同軌道結構的振動傳遞特性及減振效果，分別選取普通板式軌道地段、雙層非線性減振扣件地段、隔離式減振墊地段，在鋼軌軌頂、軌道板中心及隧道壁上粘貼振動加速度傳感器，如圖1 所示。①號測點在扣件正上方的鋼軌軌頂，②號測點在兩相鄰扣件中間的鋼軌軌頂，③號測點在軌道板中心，④號測點在高1.5 m 的隧道壁上，其中①、③、④號測點位于同一斷面。測試照片見圖2。

圖1 測點布置示意圖

圖2 測試照片

1.3 測試工況

本次測試分別選取普通板式軌道斷面、雙層非線性減振扣件斷面、隔離式減振墊斷面，錘擊點位于①號測點附近，為了保證測試結果的有效性，在每個測試斷面重復測試3次，測試工況見表1。

表1 測試工況

1.4 測試儀器

本次測試采用北京東方振動和噪聲技術研究所的Coinv 力錘進行錘擊，采用美國PCB 公司的PCB333B32 加速度傳感器記錄鋼軌振動加速度，采用美國PCB 公司的PCB393B04 加速度傳感器記錄軌道板和隧道壁振動加速度，采用德國Head公司的DEMO-SQⅢ-GZ 數據采集儀同步采集力信號和振動加速度信號。

2 測試結果分析

圖3 為PT-1 工況下的錘擊力的時程和頻譜曲線，從圖中可以看出：錘擊力的時域峰值約為12 kN；在0～1 000 Hz頻率范圍內，錘擊力的頻譜衰減特性良好。因此，本次測試結果可用于分析不同軌道結構形式下的地鐵隧道振動傳遞特性。

圖3 錘擊力

2.1 振動傳遞特性

振動加速度導納HAF(ω)是輸出振動加速度響應信號和輸入激勵信號的傅里葉變換之比，可以表示為：

其中：A(ω)和F(ω)分別表示振動加速度和力的傅里葉變換。

振動加速度導納反映了結構的固有振動特性，與輸入無關，因此，很多學者采用振動加速度導納研究振動傳遞特性[11-14]。

為了研究不同結構形式下的地鐵隧道振動傳遞特性，分別計算了普通板式軌道斷面、雙層非線性減振扣件斷面、隔離式減振墊斷面各測點的振動加速度導納。

圖4給出了PT-1、SC-1、GL-1工況下各測點的振動加速度導納頻譜，從圖中可以看出：各測試斷面鋼軌的振動加速度導納差別不大，但軌道板及隧道壁振動加速度導納差異明顯，說明不同軌道結構形式下地鐵隧道振動傳遞特性有所差異。在普通板式軌道地段，隧道壁的振動加速度導納在7 Hz～100 Hz及400 Hz～800 Hz范圍內均明顯大于軌道板的振動加速度導納，僅在100 Hz～160 Hz 范圍內明顯小于軌道板的振動加速度導納；在雙層非線性減振扣件地段，隧道壁的振動加速度導納僅在10 Hz～40 Hz范圍內明顯大于軌道板的振動加速度導納，而在80 Hz～170 Hz 范圍內則明顯小于軌道板的振動加速度導納；在隔離式減振墊地段，隧道壁的振動加速度導納在30 Hz以上顯著小于軌道板的振動加速度導納，這說明隔離式減振墊軌道的減振效果最佳，其次是雙層非線性扣件軌道，普通板式軌道的減振效果最差。

圖4 不同軌道結構形式下的振動加速度導納頻譜

2.2 減振效果分析

為了進一步研究雙層非線性減振扣件軌道、隔離式減振墊軌道相對于普通板式軌道減振效果，分別計算了單位力作用下普通板式軌道斷面、雙層非線性減振扣件斷面、隔離式減振墊斷面各測點的振動加速度級。

振動加速度級VAL(單位：dB)可以表示為：

其中：a表示振動加速度有效值，單位為m/s2；a0為基準加速度，a0=10-6m/s2。

表2給出了單位力作用下不同測試斷面各測點的振動加速度級，從表中可以看出：單位力作用下，不同測試斷面的鋼軌振動加速度級差別不大，不同工況下同一測試斷面同一測點的振動加速度級也差別不大，這證明了測試數據的有效性。同時，還可以看出：單位力作用下，普通板式軌道斷面、雙層非線性減振扣件斷面、隔離式減振墊斷面軌道板（③號測點）的振動加速度級依次增大，分別約為58.38 dB/N、60.91 dB/N、75.87 dB/N，而隧道壁（④號測點）的振動加速度級則依次減小，分別約為69.22 dB/N、63.63 dB/N、59.19 dB/N。因此，與普通板式軌道相比，雙層非線性扣件軌道、隔離式減振墊軌道的減振效果分別約為5.59 dB、10.03 dB。

表2 單位力作用下不同測試斷面各測點的振動加速度級/（dB/N）

3 結語

本文以南昌地鐵3 號線為工程背景，分別選取普通板式軌道斷面、雙層非線性減振扣件斷面、隔離式減振墊斷面，開展現場錘擊試驗，研究了不同軌道結構形式下地鐵隧道的振動傳遞特性，并分析了不同軌道結構的減振效果，主要結論如下：

（1）在3種軌道結構形式中，隔離式減振墊的減振效果最佳，其次是雙層非線性扣件，普通板式軌道的減振效果最差。

（2）雙層非線性扣件在80 Hz～170 Hz 范圍內表現出良好的減振特性，與普通板式軌道相比，減振效果約為5.6 dB。

（3）隔離式減振墊在30 Hz 以上頻段表現出顯著的減振特性，與普通板式軌道相比，減振效果約為10 dB。