成都地鐵軌道GJ-III型減振扣件振動(dòng)控制效果分析

王志強(qiáng)，王安斌，白 健，雷 濤

（1.中船重工第七二五研究所 洛陽雙瑞橡塑科技有限公司，河南省減振降噪材料工程技術(shù)研究中心,河南 洛陽 471003；2.成都地鐵運(yùn)營有限公司，成都 610000）

地鐵是城市現(xiàn)代化的一種重要交通工具之一。由于具有不占用地面空間、運(yùn)量大、速度快、準(zhǔn)時(shí)、方便等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為解決城市交通擁擠和減少噪聲大氣污染的一種有效手段。但與此同時(shí)，地鐵運(yùn)營引起的振動(dòng)和噪聲對(duì)環(huán)境的影響也越來越引起人們的重視。據(jù)有關(guān)國家統(tǒng)計(jì)，除工廠、企業(yè)和建筑工程外，交通系統(tǒng)引起的環(huán)境振動(dòng)是公眾反映中最為強(qiáng)烈。

近年來，國內(nèi)外對(duì)城市鐵路和地鐵運(yùn)行引起的振動(dòng)和噪聲進(jìn)行了廣泛的研究。Gladwell等[1]現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，城市軌道交通引起的結(jié)構(gòu)及地面振動(dòng)主要為低頻問題，主要頻率范圍為40～100 Hz，當(dāng)列車運(yùn)行速度為50～80 km/h時(shí)，在列車經(jīng)過隧道內(nèi)對(duì)振動(dòng)和噪聲進(jìn)行測(cè)試，振動(dòng)的峰值出現(xiàn)在40～80 Hz附近[2]。在軌道振動(dòng)控制中，采用彈性扣件隔振是最簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的方法，現(xiàn)有的彈性扣件有諧振式浮軌扣件、VANGUARD、GJ-III、克隆蛋等。其中GJ-III型減振扣件是中等減振類的彈性扣件，已在廣州地鐵，上海地鐵，杭州地鐵，成都地鐵等線路得到廣泛的應(yīng)用。同時(shí)GJ-III扣件也在廣州地鐵5號(hào)線直線電機(jī)軌道系統(tǒng)中使用并通過最終試驗(yàn)測(cè)試，完全能夠滿足直線電機(jī)系統(tǒng)對(duì)軌道結(jié)構(gòu)及減振的要求[3]。

本文針對(duì)成都地鐵一號(hào)線三種不同扣件系統(tǒng)線路的軌道動(dòng)態(tài)變形及振動(dòng)做了現(xiàn)場(chǎng)的對(duì)比測(cè)試分析，三種線路測(cè)試位置分別為：GJ-III扣件系統(tǒng)在文殊院站至人民北路站上行線段K 6+350處的，曲線半徑為450 m；GJ-I扣件系統(tǒng)在錦江賓館站至華西壩站上行線K 10+130處的，曲線半徑為500 m；DTV I2扣件系統(tǒng)在高新站至火車南站上行線K 14+50處的，曲線半徑700 m。三種工況試驗(yàn)比較均在記錄同等車（軸載）相近車速條件下的試驗(yàn)結(jié)果。對(duì)比測(cè)試分析軌道變形、軌道振動(dòng)、道床及隧道壁振動(dòng)等[4]。

1 軌道扣件系統(tǒng)

DTVI2扣件為普通彈性分開式，扣件的設(shè)計(jì)名義節(jié)點(diǎn)垂直靜剛度為20～40 kN/mm。

GJ-I型軌道減振器為硫化型扣件，節(jié)點(diǎn)垂直靜剛度為11～14 kN/mm。

GJ-III型減振降噪扣件是基于底板型扣件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并通過雙層非線性彈性墊板系統(tǒng)以降低系統(tǒng)垂向剛度增加隔振效果和提高扣件扭轉(zhuǎn)剛度及結(jié)構(gòu)阻尼來控制二次噪聲與振動(dòng)?？奂到y(tǒng)主要由軌下非線性彈性墊、上鐵墊板、中間非線性彈性墊、下鐵墊板和自鎖裝置等組成，如圖1所示?？奂?jié)點(diǎn)的垂直靜剛度為10～15 kN/mm。

圖1 GJ-III型雙層非線性減振扣件

GJ-III型扣件雙層彈性結(jié)構(gòu)采用了“非線性高扭抗減振墊板”設(shè)計(jì)，能在鋼軌變形安全條件下使垂向靜剛度降低，最低可達(dá)5 kN/mm；中間非線性彈性墊可從無預(yù)載狀態(tài)開始工作，不受錨固螺栓擰緊力的影響，充分利用了彈性墊的彈性，具有良好的減振降噪效果；扣件橫向、扭轉(zhuǎn)剛度高，具有良好的過載保護(hù)功能，安全性好。

軌下彈性墊板如圖2所示，下圖是由帶有釘柱的彈性凸體及連接板組成，上圖為彈性墊板剖面圖。圖3是典型的GJ-III型扣件載荷—變形曲線，可以看出隨著載荷的增大，變形遞增減小，剛度非線性急劇提高（剛度為載荷—變形曲線斜率），從而提供高扭轉(zhuǎn)剛度，控制鋼軌軌頭橫向變形。

圖2 GJ-III非線性彈性墊示意圖

圖3 GJ-III扣件非線性剛度曲線

2 軌道動(dòng)態(tài)變形及振動(dòng)測(cè)試

在線動(dòng)態(tài)測(cè)試選取地鐵列車正常運(yùn)營狀況下行車高峰時(shí)段，對(duì)運(yùn)營高峰階段各測(cè)試線路的動(dòng)態(tài)變形及振動(dòng)記錄30輛列車。各種工況試驗(yàn)比較應(yīng)盡可能選取相近線路、同等車型、相近車速條件下的試驗(yàn)結(jié)果。

2.1 軌道變形測(cè)量

軌道變形測(cè)量選在鋪設(shè)扣件地段中部，測(cè)試位置如圖4所示的兩個(gè)扣件跨度的1/2處。鋼軌相對(duì)道床的變形通過變形測(cè)量傳感器進(jìn)行測(cè)量。傳感器安裝在與道床相連的萬向節(jié)支架上，每個(gè)傳感器探頭都垂直于目標(biāo)板上的測(cè)量表面。

圖4 軌道振動(dòng)變形位移計(jì)布置圖

使用6個(gè)記錄通道，其中4個(gè)用來測(cè)量鋼軌兩邊相對(duì)道床的垂直變形，2個(gè)用來測(cè)量鋼軌相對(duì)道床的橫向變形，具體位移傳感器分布如圖5所示。

圖5 跨度1/2處鋼軌相對(duì)道床傳感器布置

2.2 軌道振動(dòng)測(cè)量

軌道的振動(dòng)測(cè)量截面位置與鋼軌變形測(cè)試位置圖4相同，即在扣件跨度的1/2處同一截面處，測(cè)量傳感器位置如圖6所示。

主要測(cè)試點(diǎn)有：

（1）對(duì)左右鋼軌軌底座的垂直方向及軌腰的橫向振動(dòng)；

城市軌道交通的車輛密度大，運(yùn)輸量較高，在工程設(shè)計(jì)上，主要以行車間隔縮短為主。在該種方式的作用下，可以進(jìn)一步提升服務(wù)質(zhì)量，降低旅客的候車時(shí)間以及工程總體投資數(shù)額。但在信號(hào)ATP系統(tǒng)的作用下，該項(xiàng)操作的實(shí)際效果并沒有很好的體現(xiàn)出來，如“車、地”通信速率、軌道區(qū)段長度等因素，在具體應(yīng)用過程中不能將行車距離無限縮短，而且最小行車間隔對(duì)整個(gè)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)影響較大。信號(hào)ATP系統(tǒng)的出現(xiàn)，主要是利用各種控制參數(shù)來確定行車間隔。站在實(shí)際工程角度來說，應(yīng)該以實(shí)際施工方案內(nèi)容內(nèi)容、線路、距離等綜合因素為主，建立起一個(gè)合理的投資計(jì)劃，最終滿足車輛信號(hào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

（2）對(duì)軌道道床中央的垂直方向和橫向振動(dòng)。

圖6 跨度/2處鋼軌及道床上加速計(jì)位置

2.3 隧道壁振動(dòng)測(cè)量

與軌道變形和振動(dòng)測(cè)試一樣，在截面對(duì)應(yīng)的隧道壁垂直方向及橫向振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，主要利用固定在隧道壁上的固定塊來放置加速度計(jì)，加速度計(jì)位置如圖7所示。

圖7 隧道壁振動(dòng)加速度放置位置

3 測(cè)試設(shè)備、儀器校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)記錄

測(cè)量變形和加速度的放大器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)安裝在專用的小型儀器箱內(nèi)并固定在指定位置，放大器安裝在測(cè)試點(diǎn)附近以避免使用較長的傳輸電纜而影響傳輸信號(hào)的質(zhì)量。每次車輛經(jīng)過時(shí)測(cè)量?jī)x器由電腦控制記錄分析程序自動(dòng)由位移或振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)激發(fā)并采集變形和加速度及噪聲數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)將自動(dòng)保存在電腦并進(jìn)行分析。

存放在電腦中的數(shù)據(jù)隨后將對(duì)變形進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)統(tǒng)計(jì)分析和對(duì)軌道振動(dòng)的頻譜分析。所有傳感器、放大器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及分析軟件預(yù)先經(jīng)過檢驗(yàn)與校準(zhǔn)。

4 試驗(yàn)分析

4.1 變形測(cè)試分析

變形測(cè)量在線路的正常運(yùn)行車輛下營運(yùn)的車輛進(jìn)行，每種工況分析比較的車輛不少于20輛。兩根鋼軌的變形分析分別針對(duì)每輛車的導(dǎo)向軸和從動(dòng)軸進(jìn)行。行車速度通過變形時(shí)間記錄信號(hào)及車輛幾何參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。為了穩(wěn)定每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果及相對(duì)比較性，只對(duì)列車通過各測(cè)試點(diǎn)的速度在平均速度±10%之間的記錄進(jìn)行平均。對(duì)相同的車軸（導(dǎo)向軸和從動(dòng)軸）經(jīng)過時(shí)產(chǎn)生的變形量取平均值。

鋼軌中心的垂直變形由鋼軌兩邊測(cè)得的垂直變形量取平均值。鋼軌的扭轉(zhuǎn)變形定義為鋼軌在軌腳處外側(cè)的變形量減去內(nèi)側(cè)的變形量除以2，然后乘以幾何系數(shù)（軌腳寬度比軌腳的外側(cè)垂直變形傳感器到軌腳的內(nèi)側(cè)垂直變形傳感器之間的距離）。軌頭的水平變形量由鋼軌軌腳的橫向變形測(cè)量加上鋼軌因扭轉(zhuǎn)在軌頭處的橫向分量。左右兩鋼軌對(duì)不同軌道扣件系統(tǒng)的變形平均值如表1所示。

水平負(fù)值—相對(duì)軌道中心向外變形

扭轉(zhuǎn)負(fù)值—相對(duì)軌道中心向外轉(zhuǎn)動(dòng)（軌距增加）

鋼軌相對(duì)道床垂直變形在DTVI2扣件為0.57 mm；GJ-I型軌道減振器為1.45 mm；GJ-III減振扣件為1.57 mm；DTVI2扣件、GJ-I型軌道減振器、GJ-III減振扣件的三種道床結(jié)構(gòu)最大動(dòng)態(tài)軌距擴(kuò)大量分別為0.22 mm、0.14 mm和0.22 mm，符合《中華人民共和國鐵道部鐵路線路維修規(guī)則》（1998年1月1日施行）對(duì)試驗(yàn)車速v＜100 km/h軌道動(dòng)態(tài)軌距I級(jí)保養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)允許偏差管理值的規(guī)定（偏差-6～+12范圍內(nèi)）[5]。

4.2 隧道振動(dòng)測(cè)試Z振級(jí)分析

道床和隧道壁的垂向Z振級(jí)直接影響隧道上方地面及建筑物的振動(dòng)環(huán)境水平。對(duì)道床和隧道壁Z振級(jí)的測(cè)量和分析主要感興趣的主要頻率范圍大約從1 Hz到80 Hz，其振動(dòng)用Z加權(quán)的加速度級(jí)dBz表示。由于隧道橫向振動(dòng)分量的傳播同樣會(huì)影響隧道上方地面或建筑物的垂向Z振動(dòng)特別是隧道兩測(cè)的振動(dòng)，所以對(duì)道床和隧道墻壁的橫向振動(dòng)也采用Z振級(jí)給出供振動(dòng)水平評(píng)估參考。圖8是三種扣件系統(tǒng)道床Z振級(jí)1/3倍頻程譜。圖9是三種扣件系統(tǒng)隧道墻壁z振級(jí)1/3倍頻程譜。

三種扣件道床及隧道墻壁實(shí)測(cè)的總Z振級(jí)如圖10所示。

GJ-III減振扣件、GJ-I型軌道減振器、DTVI2扣件道床及隧道壁加速度振動(dòng)Z振級(jí)VLz統(tǒng)計(jì)情況見表2。

圖9 三種扣件隧道壁Z振級(jí)1/3倍頻譜

為了比較不同扣件的減振效果，對(duì)比條件需相似，由于三種扣件的線路測(cè)試位置的列車運(yùn)行速度不同，需要對(duì)速度進(jìn)行等效，根據(jù)FTA[6]的研究，列車運(yùn)行速度對(duì)地面?zhèn)鬟f的振動(dòng)與噪聲的影響可由下列公式等效計(jì)算其修正值。對(duì)于GJ-I扣件及GJ-III扣件等效列車速度為62 km/h的Z振級(jí)如表3所示。

在等效的條件下，道床在GJ-III減振扣件道床的垂向Z振級(jí)比DTV I2扣件普通道床降低了10.1 dB(z)，橫向Z振級(jí)降低7.8 dB(z)。隧道墻壁垂向的Z振級(jí)GJ-III減振扣件比DTV I2扣件普通道床降低8.6 dB(z)，橫向降低9.3 dB(z)。

表1 成都地鐵一號(hào)線平均軌道變形(mm)

表2 三種扣件道床及隧道Z振級(jí)（dB(z)）

表3 等效振動(dòng)級(jí)數(shù)下振動(dòng)比較（dB(z)）

道床在GJ-I型減振扣件道床的垂向Z振級(jí)比DTV I2扣件道床降低10.0 dB(z)，橫向Z振級(jí)低7.0 dB(z)。隧道墻壁垂向的Z振級(jí)在GJ-I型減振扣件道床與DTV I2扣件普通道床相比低7.2 dB(z)，隧道墻壁橫向的Z振級(jí)比DTV I2扣件普通道床低7.5 dB(z)。

5 結(jié)語

（1）安全性：成都地鐵一號(hào)線路上使用的三種扣件系統(tǒng)，鋼軌相對(duì)道床垂直變形在DTV I2扣件為0.57 mm；GJ-I型軌道減振器為1.45 mm；GJ-III減振扣件為1.57 mm；DTV I2扣件、GJ-I型軌道減振器、GJ-III減振扣件的三種道床結(jié)構(gòu)最大動(dòng)態(tài)軌距擴(kuò)大量分別為0.22 mm、0.14 mm和0.22 mm，均符合車輛運(yùn)行安全要求。

（2）GJ-III減振扣件與DTV I2扣件道床、隧道Z振級(jí)比較：GJ-III減振扣件道床的垂向Z振級(jí)比DTV I2扣件普通道床降低了10.1 dB(z)，橫向Z振級(jí)降低7.8 dB(z)。隧道墻壁垂向的Z振級(jí)GJ-III減振扣件比DTVI2扣件普通道床降低8.6 dB(z)，橫向降低9.3 dB(z)。

（3）GJ-I型軌道減振器與DTV I2扣件道床、隧道Z振級(jí)比較：GJ-I型軌道減振器道床的垂向Z振級(jí)比DTV I2扣件道床降低10.0 dB(z)，橫向Z振級(jí)低7.0 dB(z)。隧道墻壁垂向的Z振級(jí)在GJ-I型減振扣件道床與DTV I2扣件普通道床相比低7.2 dB(z)，隧道墻壁橫向的Z振級(jí)比DTV I2扣件普通道床低7.5 dB(z)。

[1]G.M.L.Gladwell,G.Zimmermann.On energy and complementary energy formulations of acoustic and structural vibration problem[J].Journal of Sound and Vibration,1966,22(3):233-241.

[2]王安斌，劉浪靜，黃紅東，等.潘得路先鋒減振扣件系統(tǒng)及在廣州地鐵上的應(yīng)用[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2006，2：24-27.

[3]張 濤，張 波，齊 春，左書藝.直線電機(jī)軌道工程GJ-III型減振降噪扣件的應(yīng)用[M].鐵路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2009，8：10-13.

[4]洛陽雙瑞橡塑科技有限公司.《成都軌道交通一號(hào)線軌道動(dòng)態(tài)變形及振動(dòng)測(cè)試分析報(bào)告》[R].2012，9.

[5]中華人民共和國鐵道部鐵路線路維修規(guī)則[S]（.1998年1月1日施行）.

[6]Carl E H,David A T,Lance D M.Federal Transit Administration:Transit noise and vibration impact assessment,office of planning and environment federal transit administration[R].May,2006.