重載鐵路隧道內(nèi)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性研究

趙　勇(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京　100081;2.高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100081)

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重載鐵路隧道內(nèi)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性研究

趙勇1，2
(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081;2.高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081)

摘要:利用瓦(塘)日(照)鐵路30 t軸重重載綜合試驗(yàn)段對(duì)隧道內(nèi)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:與現(xiàn)澆枕式無(wú)砟軌道相比，彈性支承塊式無(wú)砟軌道由于采用了雙層彈性墊層設(shè)計(jì)，剛度系數(shù)更加均勻，其軌道結(jié)構(gòu)對(duì)低頻和高頻振動(dòng)的減振效果較為顯著，對(duì)于衰減輪軌沖擊力和隧道基礎(chǔ)振動(dòng)、降低隧道基底的應(yīng)力水平、避免或減輕一些基底病害的發(fā)生和發(fā)展較為有利。

關(guān)鍵詞:重載鐵路隧道內(nèi)無(wú)砟軌道振動(dòng)衰減性能剛度系數(shù)

重載鐵路的運(yùn)量和列車(chē)軸重較大，為適應(yīng)重載鐵路列車(chē)荷載的特點(diǎn)，確保行車(chē)安全，應(yīng)采用配套的軌道結(jié)構(gòu)。有砟軌道和無(wú)砟軌道作為軌道結(jié)構(gòu)的兩種基本形式，各有利弊［1］。有砟軌道結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、彈性好，在一定的養(yǎng)護(hù)維修條件下具有較好的輪軌接觸狀態(tài)，減振、降噪效果好，維修較方便，造價(jià)相對(duì)較低［2］。而無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)則具有穩(wěn)定性好、平順性高、軌道狀態(tài)長(zhǎng)期保持能力強(qiáng)、維修工作量較少等突出優(yōu)點(diǎn)［3］。重載鐵路速度相對(duì)較低，在普通地段可采用經(jīng)濟(jì)性好、方便維修的有砟軌道結(jié)構(gòu)，但對(duì)于長(zhǎng)大隧道地段，在保證下部基礎(chǔ)條件及施工質(zhì)量的前提下，采用少維修的無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)更具優(yōu)勢(shì)［4-6］。

國(guó)內(nèi)新建30 t重載鐵路主要為煤運(yùn)鐵路，從線路的穩(wěn)定性、養(yǎng)護(hù)維修等方面考慮，在重載鐵路長(zhǎng)大隧道內(nèi)鋪設(shè)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)具有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)［4］，目前已研發(fā)了3種隧道內(nèi)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)形式(彈性支承塊式、雙塊式和長(zhǎng)枕埋入式)。但國(guó)內(nèi)外重載鐵路無(wú)規(guī)模鋪設(shè)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，故研究隧道內(nèi)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)在30 t軸重重載列車(chē)作用下的動(dòng)力性能，尤其是研究振動(dòng)對(duì)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)和下部基礎(chǔ)的影響至關(guān)重要。本文結(jié)合瓦日鐵路30 t軸重重載綜合試驗(yàn)段，重點(diǎn)對(duì)隧道內(nèi)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性進(jìn)行研究。

1　隧道內(nèi)重載軌道結(jié)構(gòu)概況

彈性支承塊式無(wú)砟軌道由鋼軌、扣件、支承塊、橡膠套靴、塊下彈性墊板、道床板等部分組成?，F(xiàn)澆枕式無(wú)砟軌道包括雙塊式和長(zhǎng)枕埋入式，結(jié)構(gòu)組成見(jiàn)圖1。彈性支承塊式與現(xiàn)澆枕式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)對(duì)比見(jiàn)表1。

圖1　隧道內(nèi)重載無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)斷面(標(biāo)高:mm;尺寸:mm)

由于雙塊式與長(zhǎng)枕埋入式無(wú)砟軌道設(shè)計(jì)基本相同，均為現(xiàn)澆枕式無(wú)砟軌道，因此選取直線地段雙塊式與直線地段彈性支承塊式無(wú)砟軌道進(jìn)行對(duì)比研究。

2　無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性研究

2.1振動(dòng)時(shí)域特征分析

振動(dòng)時(shí)域特征參數(shù)包括振動(dòng)加速度的時(shí)域幅值和有效值。通過(guò)時(shí)域特征分析，可以直觀得出無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)的總體趨勢(shì)。以30 t軸重5 000 t編組試驗(yàn)列車(chē)通過(guò)時(shí)測(cè)試結(jié)果為例，直線地段、不同速度等級(jí)和不同測(cè)點(diǎn)的彈性支承塊式和現(xiàn)澆枕式兩種無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)加速度對(duì)比見(jiàn)圖2和圖3。

表1　隧道內(nèi)重載無(wú)砟軌道系統(tǒng)對(duì)比

圖2　振動(dòng)加速度時(shí)域幅值對(duì)比

圖3　振動(dòng)加速度有效值對(duì)比

對(duì)比圖2和圖3可以看出:

①?gòu)椥灾С袎K式與現(xiàn)澆枕式無(wú)砟軌道相比，鋼軌振動(dòng)加速度幅值和有效值均略小。由于支承塊周?chē)鹉z套靴和塊下彈性墊板的設(shè)置，使得道床板參振質(zhì)量小于現(xiàn)澆枕式，道床板振動(dòng)加速度幅值和有效值均大于現(xiàn)澆枕式。支承塊下墊板和橡膠套靴的設(shè)置會(huì)使支承塊本身產(chǎn)生一定的振動(dòng)，其振動(dòng)加速度量值較小，同時(shí)橡膠套靴的設(shè)置可緩解支承塊與混凝土道床間的剛性接觸，對(duì)支承塊和道床板的受力和振動(dòng)起到緩沖的作用。

②30 t軸重試驗(yàn)列車(chē)通過(guò)時(shí)，兩種軌道結(jié)構(gòu)在同一速度下，鋼軌振動(dòng)能量最大，支承塊次之，隧道邊墻最小，道床板和隧道基底的振動(dòng)能量介于支承塊和隧道邊墻之間，且振動(dòng)強(qiáng)度基本相當(dāng);彈性支承塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)隧道基底以及隧道邊墻振動(dòng)加速度顯著低于現(xiàn)澆枕式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)閺椥灾С袎K式無(wú)砟軌道設(shè)置了軌下墊板及塊下墊板雙層彈性層，故其相對(duì)于現(xiàn)澆枕式無(wú)砟軌道更有利于減緩下部基礎(chǔ)的振動(dòng)。

2.2插入損失分析

振動(dòng)加速度的有效值(均方根值)是衡量加速度強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，它表示振動(dòng)加速度在單位時(shí)間內(nèi)的平均功，稱為平均功率。平均功率乘以過(guò)程總時(shí)間，就可得出整個(gè)過(guò)程(完成運(yùn)量的全壽命期限)的全功。這個(gè)全功可以視為加速度對(duì)軌道總體破壞作用的量度。插入損失L1為

式中:a2R為沒(méi)有隔振裝置時(shí)的響應(yīng);a2為有隔振裝置時(shí)的響應(yīng)。

當(dāng)L1＞0時(shí)，隔振系統(tǒng)起作用;當(dāng)L1＜0時(shí)，隔振系統(tǒng)沒(méi)有衰減作用。

對(duì)式(1)進(jìn)行變換，引入基準(zhǔn)加速度a0= 10－6m/s2，得到

式中:VL2R為無(wú)隔振裝置時(shí)的振動(dòng)加速度級(jí);VL2為有隔振裝置時(shí)的振動(dòng)加速度級(jí)。

式2表明，插入損失即為有無(wú)隔振裝置時(shí)的振動(dòng)加速度級(jí)之差。

本文中統(tǒng)一采用加速度有效值來(lái)計(jì)算彈性支承塊式相對(duì)于現(xiàn)澆枕式無(wú)砟軌道的插入損失。

30 t軸重重載試驗(yàn)列車(chē)以不同速度通過(guò)直線段時(shí)，彈性支承塊式相對(duì)于現(xiàn)澆枕式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的插入損失統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2，振動(dòng)加速度級(jí)與列車(chē)速度關(guān)系見(jiàn)圖4。

表2　彈性支承塊式相對(duì)于現(xiàn)澆枕式插入損失統(tǒng)計(jì)　dB

對(duì)比表2及圖4可以看出:

①?gòu)椥灾С袎K式和現(xiàn)澆枕式的鋼軌、支承塊、道床板、隧道基底和隧道邊墻振動(dòng)加速度級(jí)隨列車(chē)速度提高有明顯的增大趨勢(shì)。

圖4　振動(dòng)加速度級(jí)對(duì)比

②彈性支承塊式與現(xiàn)澆枕式相比，鋼軌振動(dòng)加速度級(jí)略小，道床板振動(dòng)加速度級(jí)略大。由于橡膠套靴對(duì)支承塊的約束作用，支承塊本身的振動(dòng)加速度級(jí)值較小，同時(shí)橡膠套靴的設(shè)置可緩解支承塊與混凝土道床間的剛性接觸，對(duì)支承塊和道床板的受力和振動(dòng)起到緩沖的作用。

③對(duì)于隧道基底和隧道邊墻的振動(dòng)加速度級(jí)，彈性支承塊式明顯小于現(xiàn)澆枕式，相對(duì)現(xiàn)澆枕式無(wú)砟軌道地段其隧道基底和邊墻的插入損失最大值分別為11.10 dB和8.20 dB，彈性支承塊式無(wú)砟軌道由于設(shè)置軌下墊板及塊下墊板雙層彈性墊層，相對(duì)于現(xiàn)澆枕式無(wú)砟軌道更有利于減緩下部基礎(chǔ)(隧道基底和隧道邊墻)的振動(dòng)。雙層彈性墊層的設(shè)計(jì)減振效果明顯，對(duì)下部基礎(chǔ)的減振效果達(dá)到10 dB左右，故彈性支承塊式比現(xiàn)澆枕式的減振效果更優(yōu)越。

④與剛性道床相比，彈性支承塊式無(wú)砟軌道由于采用了雙層彈性墊層設(shè)計(jì)，軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)衰減性能較為顯著，對(duì)于衰減隧道基礎(chǔ)振動(dòng)(尤其在基礎(chǔ)處理不良及地下水發(fā)育地段)、降低隧道基底的應(yīng)力水平，避免或減輕一些基底病害的發(fā)生和發(fā)展較為有利。

2.3振動(dòng)頻域特征分析

30 t軸重試驗(yàn)列車(chē)以不同速度通過(guò)直線段彈性支承塊式、現(xiàn)澆枕式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)時(shí)，對(duì)不同斷面軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行1/3倍頻程分析。通過(guò)振動(dòng)頻域特征分析可以得出無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)在不同頻段的振動(dòng)加速度級(jí)，1/3倍頻程中心頻率按照ISO標(biāo)準(zhǔn)給出，鋼軌、道床板、隧道基底以及隧道邊墻垂向振動(dòng)加速度頻域?qū)Ρ纫?jiàn)圖5。

圖5　無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)及下部基礎(chǔ)振動(dòng)加速度頻域?qū)Ρ?/p>

由圖5可以看出:

①直線段彈性支承塊式與現(xiàn)澆枕式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)相比，鋼軌在100 Hz頻帶以下有一定的減振效果;道床板在500 Hz頻帶以下存在一定的振動(dòng)放大效果。

②直線段彈性支承塊式與現(xiàn)澆枕式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)相比，隧道基底在100 Hz頻帶以下有一定的減振效果，各頻段中心頻率隧道基底振動(dòng)加速度級(jí)之差最大值出現(xiàn)在31.5 Hz，減振效果達(dá)到14.05～18.01 dB;在315～1 000 Hz頻帶上，各頻段中心頻率隧道基底振動(dòng)加速度級(jí)之差較大，最大值出現(xiàn)在500 Hz，減振效果達(dá)到24.77 dB。

③直線地段彈性支承塊式與現(xiàn)澆枕式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)相比，隧道邊墻在315～1 000 Hz頻帶有一定的減振效果，各頻段中心頻率隧道基底振動(dòng)加速度級(jí)之差最大值出現(xiàn)在1 000 Hz，減振效果達(dá)到15.41～15.60 dB;在50 Hz頻帶以下，各頻段中心頻率隧道基底振動(dòng)加速度級(jí)之差較大，最大值出現(xiàn)在10 Hz，減振效果達(dá)到16.61～27.94 dB。

④30 t軸重編組車(chē)輛通過(guò)時(shí)，彈性支承塊式鋼軌在100 Hz頻帶以下有一定的減振效果，道床板在500 Hz頻帶以下存在一定的振動(dòng)放大效果。而對(duì)于隧道基底以及隧道邊墻振動(dòng)加速度級(jí)，彈性支承塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)測(cè)試數(shù)據(jù)在低頻和高頻段顯著低于雙塊式無(wú)砟軌道，在中頻段兩者基本相當(dāng)。這是因?yàn)閺椥灾С袎K式無(wú)砟軌道設(shè)置了軌下墊板及塊下墊板雙層彈性墊層，相對(duì)于現(xiàn)澆枕式無(wú)砟軌道其更有利于減緩下部基礎(chǔ)低頻及高頻段的振動(dòng)。

2.4荷載沖擊振動(dòng)分析

為測(cè)試無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)在沖擊荷載作用下的振動(dòng)特性，利用移動(dòng)加載車(chē)進(jìn)行荷載沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)分為150 kN和225 kN兩種沖擊荷載工況，每種工況至少?zèng)_擊6次，測(cè)試鋼軌、道床板、隧道基底以及隧道邊墻的振動(dòng)加速度［7-9］。結(jié)果見(jiàn)表3。表中數(shù)據(jù)為各工況所測(cè)最大時(shí)域幅值的平均值。

表3　定點(diǎn)荷載沖擊試驗(yàn)軌道結(jié)構(gòu)各部件及下部基礎(chǔ)振動(dòng)加速度值　m/s2

由表3可以看出:隨沖擊荷載值增大，軌道結(jié)構(gòu)各部件及隧道基底、隧道邊墻振動(dòng)加速度均有明顯增大。

在相同沖擊荷載作用下，彈性支承塊式無(wú)砟軌道與現(xiàn)澆枕式相比，道床板、隧道基底和隧道邊墻的振動(dòng)加速度量值明顯較小，彈性支承塊式無(wú)砟軌道與現(xiàn)澆枕式無(wú)砟軌道剛度基本相同，但支承塊下彈性墊板的設(shè)置更有利于緩沖列車(chē)振動(dòng)的沖擊，使其具有一定的減振效果。

2.5彈性系數(shù)、阻尼系數(shù)和振動(dòng)衰減次數(shù)分析

為分析軌道的振動(dòng)傳遞和衰減性能，在實(shí)驗(yàn)室建造實(shí)尺無(wú)砟軌道試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，采用落軸試驗(yàn)車(chē)，對(duì)實(shí)尺軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行落軸試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果表明:

1)在重載彈性支承塊式無(wú)砟軌道(彈性道床)和現(xiàn)澆枕式無(wú)砟軌道(剛性道床)進(jìn)行落軸試驗(yàn)時(shí)，沖擊位置的變化和落軸高度對(duì)輪軌沖擊力衰減次數(shù)的影響較小，軌道的彈性系數(shù)和阻尼系數(shù)與落軸高度沒(méi)有必要關(guān)系。

2)彈性道床扣件支點(diǎn)上剛度系數(shù)為68.3～89.5 kN/mm，阻尼系數(shù)為117.7～118.2 kN·s/m;扣件支點(diǎn)間的剛度系數(shù)為73.1～79.3 kN/mm，阻尼系數(shù)為75.4～80.0 kN·s/m。扣件支點(diǎn)上和支點(diǎn)間的剛度系數(shù)更加均勻，但阻尼系數(shù)有明顯差異。

3)剛性道床扣件支點(diǎn)上剛度系數(shù)為108.0～124.4 kN/mm，阻尼系數(shù)為74.6～82.3 kN·s/m，扣件支點(diǎn)間的剛度系數(shù)為89.8～96.1 kN/mm，阻尼系數(shù)為63.4～65.9 kN·s/m?？奂c(diǎn)上和支點(diǎn)間的剛度系數(shù)略有差異，但阻尼系數(shù)差異不大。

4)同種軌道結(jié)構(gòu)輪軌沖擊力的峰值＞15 kN之前的衰減次數(shù)在兩個(gè)沖擊位置且不同落高工況下變化不大，但彈性道床和剛性道床相比具有明顯差異，彈性道床的沖擊衰減次數(shù)平均在3～4次，剛性道床的沖擊衰減次數(shù)平均在9～10次。

5)彈性道床與剛性道床相比，當(dāng)軌道結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)剛度相近時(shí)不同位置處的剛度更加均勻，且雙層減振結(jié)構(gòu)更有利于輪軌沖擊力的迅速衰減［10-11］。

3　結(jié)語(yǔ)

1)彈性支承塊式與現(xiàn)澆枕式相比，鋼軌振動(dòng)加速度級(jí)略小，道床板振動(dòng)加速度級(jí)略大。由于橡膠套靴對(duì)支承塊的約束作用，支承塊本身的振動(dòng)加速度級(jí)值較小，同時(shí)橡膠套靴的設(shè)置可緩解支承塊與混凝土道床間的剛性接觸，對(duì)支承塊和道床板的受力和振動(dòng)起到緩沖的作用。隧道基底和隧道邊墻的振動(dòng)加速度級(jí)，彈性支承塊式無(wú)砟軌道明顯小于現(xiàn)澆枕式無(wú)砟軌道，減振效果達(dá)到10 dB左右，其具有更優(yōu)越的隔振效果。

2)彈性支承塊式鋼軌在100 Hz頻帶以下有一定的減振效果，道床板在500 Hz頻帶以下存在一定的振動(dòng)放大效果。相對(duì)于現(xiàn)澆枕式無(wú)砟軌道其更有利于減緩下部基礎(chǔ)低頻及高頻段的振動(dòng)。

3)彈性道床扣件支點(diǎn)上和支點(diǎn)間的剛度系數(shù)更加均勻，但阻尼系數(shù)有明顯差異;剛性道床扣件支點(diǎn)上和支點(diǎn)間的剛度系數(shù)略有差異，但阻尼系數(shù)差異不大。

4)彈性道床的沖擊衰減次數(shù)平均在3～4次，剛性道床的沖擊衰減次數(shù)平均在9～10次，雙層減振結(jié)構(gòu)更有利于輪軌沖擊力的迅速衰減。

5)與現(xiàn)澆枕式無(wú)砟軌道相比，彈性支承塊式無(wú)砟軌道由于采用了雙層彈性墊層設(shè)計(jì)，其軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)衰減性能較為顯著，對(duì)于衰減輪軌沖擊力和隧道基礎(chǔ)振動(dòng)、降低隧道基底的應(yīng)力水平，避免或減輕一些基底病害的發(fā)生和發(fā)展較為有利。

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(責(zé)任審編葛全紅)

Research on Vibration Performance of Heavy Haul Ballastless Track Structure in Tunnel

ZHAO Yong1，2

(1.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China;2.State Key Laboratory for Track Technology of High-Speed Railway，Beijing 100081，China)

Abstract:T he vibration characteristics of ballastless track structure in tunnel were studied by experiments of W a(tang)Ri(Zhao)railway 30 t axle load heavy comprehensive test section.T he results showed that the low vibration track(LVT)uses double elastic cushion design and the stiffness coefficient is more uniform compared to cast-in-place pillow ballastless track，the structure of which has a significant effect on vibration damping with low frequency and high frequency，and LVT has the advantages of attenuating wheel-rail impact and tunnel foundation vibration，reducing the stress level of the tunnel base，avoiding or reducing the occurrence and development of some base diseases.

Key words:Heavy haul railway;Ballastless track in tunnel;Vibration;Attenuation performance;Stiffness coefficient

作者簡(jiǎn)介:趙勇(1983—)，男，助理研究員。

基金項(xiàng)目:中國(guó)鐵路總公司科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃(2014G002-B)

收稿日期:2015-12-20;修回日期:2016-01-20

文章編號(hào):1003-1995(2016)03-0136-06

中圖分類(lèi)號(hào):U213.2+44

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2016.03.33