多等級減振預制道床減振效果及振動位移研究

尹學軍，蘭慧峰，李會超，劉永強，李國玉，秦明君，洪 彧

（1.青島科而泰環境控制技術有限公司，山東青島 266101；2.青島地鐵集團有限公司，山東青島 266108；3.西南交通大學土木工程學院，成都 610031）

減振預制浮置道床在軌道交通減振領域已被廣泛應用，許多專家學者對減振墊浮置板系統作了大量的研究[1-5]。研究表明，預制道床具有鋪設精度高、進度及質量易控制、勞動強度小、后期維護方便等優點，所以道床全面預制化已成為國內軌道交通建設的發展趨勢，并在上海、深圳、蘇州等地廣泛應用。通過大量工程經驗可知，預制道床中的鋼彈簧浮置板雖然減振效果較好，但是具有鋪設成本較高、位移較大以及失效后安全性較差[6-7]等缺點，而目前減振墊預制道床技術存在減振等級固定、失效后無法更換等缺點。

為解決現有減振墊道床減振效果差、減振等級單一固定，以及線路運行后減振等級無法升級和再調平困難等問題，本文提出了基于多孔自由式復合減振墊的多等級減振通用預制道床技術(見圖1)，并將該技術應用于青島新建地鐵4 號線張彭區間地鐵項目。經過相關測試，該多等級減振預制道床具有較好的減振效果，同時可根據項目具體情況需要對減振等級進行調整，真正實現了精準調平、線路運行前后的減振等級可調、減振墊更換方便以及鋪設成本降低。由于道床和基底板均為預制生產，這樣大大提高了現場的施工效率及施工質量，縮短了工期，節省了大量人工成本。為使表述簡潔，將“多等級減振通用預制道床的高等減振道床”簡稱為“高等減振道床”；“多等級減振通用預制道床的中等減振道床”簡稱為“中等減振道床”；“長枕埋入式現澆混凝土普通整體道床”簡稱為“普通道床”。各層級減振參數設計見表1。

表1 各層級減振參數設計Table 1 Design of vibration reduction parameters at each level

1 試驗條件說明

1.1 軌道

本次試驗選取的地鐵線路區間隧道內鋪設60 kg/m鋼軌，扣件為DTVI2型，測試區間左線高等減振道床鋪設長度為153.6 m(曲線段)，中等減振道床鋪設長度為148.8 m(直線段)。浮置板道床厚度均為260 mm，寬度均為2.3 m，標準板長度為4.7 m，普通道床與浮置板道床在區間內的分布情況如圖2 所示。

圖2 多等級減振預制道床與普通道床分布情況Figure 2 Distribution of prefabricated and ordinary multi-class vibration damping ballast beds

1.2 斷面及測點選擇

根據《浮置板軌道技術規范》(CJJ/T 191—2012)[8]要求，選取線路條件(包括地址條件、線路曲線半徑、鋼軌類型、軌道不平順、隧道壁斷面、隧道埋深、路基或橋梁結構等)、鋼軌和扣件類型應與浮置板軌道相同或相似的普通道床地段作為參考系，應借助參考系相同測點的測量結果，通過比較得出浮置板軌道的減振效果。綜合考慮以上因素及要求，為得到客觀性評價，最終決定選取8 組斷面進行測試，測試斷面情況見表2。

表2 測試斷面情況Table 2 Test section

隧道內振動及位移測試同時進行，振動加速度傳感器安裝高度在軌面1.25 m 處隧道壁位置及道床板中心邊側位置，位移傳感器安裝在板端部位置(見圖3)，位移測試斷面選取斷面2、斷面4 和斷面6 分別進行測試。多等級減振通用預制道床振動及位移測點現場布置見圖4，普通道床測點布置與多等級減振通用預制道床一致。

圖3 浮置板道床過車振動及位移響應測點布置Figure 3 Schematic of measuring points for vibration and displacement response of floating plate ballast bed

圖4 測試現場測點布置Figure 4 Layout of measuring points at the test site

1.3 車輛

測試的運營車輛為B1 型電客車，6 節編組，4 動2拖，總長118 m，設計軸重14 t，車輛的長、寬、高分別為19、2.8 和3.8 m，區間內列車設計時速為80 km/h，實際測試時列車以70 km/h 左右速度通過所有測試斷面。

1.4 測試設備

本次試驗主要采用北京某振動與噪聲技術研究所研制的INV3062-C1(L)型信號采集處理分析系統。INV9828 型加速度傳感器，采樣頻率為1 280 Hz；DH920型電渦流位移傳感器，采樣頻率為25.6 Hz，所有檢測設備鑒定證書均在有效期內。

2 評價指標及數據分析

2.1 評價指標

根據《浮置板軌道技術要求》(CJJ/T 191—2012)要求，減振效果的評價指標計算的量應為浮置板軌道與普通道床軌道比較分頻振級均方根的差值ΔLa，頻率考慮范圍為4～200 Hz，計算公式如式(1)所示：

式中，VLq(i)是選擇沒采取浮置板的地段為參考系，其軌旁測點垂向振動加速度在1/3 倍頻程第i個中心頻率的分頻振級，dB；VLh(i)是選擇采取浮置板的地段為參考系，其軌旁測點垂向振動加速度在1/3 倍頻程第i個中心頻率的分頻振級(dB)。

Z 計權傳遞損失計算采用了先計權后求差的環評計算評價方法[9]。首先分別計算道床和隧道壁的垂向振動Z振級，然后再對兩者做差求得計權后的傳遞損失，見式(2)，Z 振級計權因子參考標準(ISO 2631—1：1997)[10]。

式中，VLt-w為同一斷面道床與隧道壁之間Z 計權傳遞損失值(dB)；VLt為道床垂向Z 振級(dB)；VLw為隧道壁垂向Z 振級(dB)。位移測試結果的評價指標是過車時域數據的最大值。

位移測試數據分析時域數據峰值大小作為評價指標。為消除隨機干擾，以下分析結果均按照每個測點選取20 組數據的算術平均值進行。

2.2 時域分析

列車經過各測試斷面時，道床和隧道壁測點的典型加速度時程如圖5～6 所示，由圖中可以明顯看出，高等、中等減振道床振動加速度的最大值是普通道床的19 倍，而相對應的隧道壁垂向振動加速度的最大值是普通道床的1/6。這是由于復合減振墊剛度較小導致多等級減振浮置板道床振動較為劇烈，同時其對過車振動又有較好的衰減作用。

圖6 隧道壁垂向振動加速度典型時程曲線Figure 6 Typical time history curve of vertical vibration acceleration of tunnel wall

各測試斷面測點的典型位移時程如圖7～8 所示，20 組數據最大值平均值統計如表3 所示。可以得到，高等、中等減振道床地段軌道板垂向及橫向位移均比普通道床大，且均不大于2 mm，滿足《浮置板軌道技術規范》(CJJ/T 191—2012)中不大于3 mm 的要求。

表3 道床位移統計Table 3 Displacement statistics table of the ballast bed mm

圖8 道床橫向位移典型時程曲線Figure 8 Typical time history curve of the transverse displacement of the ballast bed

2.3 隧道壁分頻振級差值分析

表4 和圖9 分別為Z 計權后高等、中等減振道床和普通道床各斷面隧道壁的垂向振級實測結果平均值統計表和1/3 倍頻程振級頻譜圖。

表4 隧道壁垂向Z 振級統計Table 4 Statistics of vertical Z vibration levels of tunnel wall dB

圖9 減振道床與普通道床隧道壁分頻振級對比Figure 9 Comparison of frequency divided vibration levels for tunnel walls of damping track bed and ordinary track bed

由表4 和圖9 可以得到，高等減振道床與普通道床相比，減振效果為13.9 dB，其中在20～200 Hz 頻帶范圍內減振效果明顯，分頻振級最大值為49.9 dB(斷面3)，位于80 Hz 中心頻率處；中等減振道床與普通道床相比，減振效果為8.5 dB，其中在50～200 Hz頻帶范圍內減振效果明顯，分頻振級最大值為54.4 dB(斷面6)，位于63 Hz 中心頻帶處；同時由圖9 可以得出，所有的普通道床斷面隧道壁的分頻振級最大值均位于63 Hz 中心頻率處，最大值為64.8 dB(斷面7)。

2.4 道床與隧道壁傳遞損失分析

經過分析得到，普通道床的4 個斷面的傳遞損失基本一致，在此只選取普通道床斷面2 進行分析，其他斷面不再贅述。同樣，高等、中等減振道床各選取斷面4 和斷面6 進行分析，另一斷面不再贅述。表5給出了普通道床、高等減振道床、中等減振道床與對應隧道壁的垂向加速度分頻振級傳遞損失比較結果。

表5 道床與隧道壁之間的傳遞損失值Table 5 Transfer loss values between track bed and tunnel wall dB

由表4、圖10～11 可以得到，高等、中等減振道床的各分頻振級傳遞損失效果分別是普通道床的3.6 倍和2.8 倍，可見該復合型減振墊具有較好的減振效果。

圖10 同一斷面道床與隧道壁Z 振級曲線Figure 10 Z-vibration level curve of track bed and tunnel wall at the same section

圖11 多等級減振道床與普通道床插入損失曲線Figure 11 Insertion loss curve of multilayer damping track bed and ordinary track bed

實際工程中，可根據地鐵線路過車振動大小及地鐵線路與擬建建筑距離等影響因素，選擇高等、中等減振預制道床進行設計安裝。

3 結論

通過對青島地鐵4 號線張彭區間多等級減振預制道床與普通道床過車振動及位移測試分析，可以得到以下主要結論：

1) 在地鐵車輛實際載客運行及速度70 km/h 左右時，高等、中等減振道床較普通道床減振效果(分頻振級均方根差值平均值)分別為13.9 和8.5 dB；高等、中等減振道床斷面道床與隧道壁之間的Z 振級傳遞損失值分別為45.8 和35.1 dB。

2) 多等級減振通用預制道床的高等減振道床、中等減振道床以及普通道床，過車時，垂向位移分別為2.298、0.265 和0.058 mm；橫向位移分別為0.046、0.025 和0.019 mm，均滿足《浮置板軌道技術規范》(CJJ/T 191—2012)中的要求。

3) 多等級減振通用預制道床減振效果明顯，可根據不同需求自由選擇減振等級，研究結果對減振通用預制道床的發展具有一定的指導意義。