寧波軌道交通軌道振動預(yù)測研究及優(yōu)化

程　燁，劉鄭琦

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京　100055)

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寧波軌道交通軌道振動預(yù)測研究及優(yōu)化

程燁，劉鄭琦

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京100055)

在軌道交通初步設(shè)計(jì)階段地下線軌道減振設(shè)計(jì)中，對距外軌中心線兩側(cè)10～60 m范圍內(nèi)的環(huán)境敏感點(diǎn)，往往采用踏勘、工程類比等經(jīng)驗(yàn)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，具有一定的誤差。在采用《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 城市軌道交通》(HJ453—2008)振動預(yù)測模型的基礎(chǔ)上，參考北京、上海等城市的經(jīng)驗(yàn)，研究適用于寧波軌道交通地下線軌道振動預(yù)測模型，并采用計(jì)算機(jī)語言實(shí)現(xiàn)預(yù)測模型程序化以提高設(shè)計(jì)效率。在初步設(shè)計(jì)階段，振動預(yù)測的標(biāo)準(zhǔn)化、自動化，對穩(wěn)定區(qū)間軌道高度，細(xì)化概算投資，減少設(shè)計(jì)反復(fù)具有重要意義。

城市軌道交通；地下線；振動預(yù)測；計(jì)算機(jī)程序

在城市軌道交通初步設(shè)計(jì)階段，軌道減振設(shè)計(jì)多根據(jù)沿線踏勘調(diào)研、建筑物離線路距離、工程類比等因素進(jìn)行設(shè)計(jì)，存在著一定誤差，無法對減振方案、區(qū)間軌道高度、概算投資提供嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計(jì)輸入，甚至在環(huán)評報(bào)告批復(fù)后產(chǎn)生較大的設(shè)計(jì)反復(fù)。

城市軌道交通振動的產(chǎn)生和傳播與列車的構(gòu)造、行車速度、軌道及隧道結(jié)構(gòu)、沿線地質(zhì)條件等諸多因素有關(guān)。本文在采用《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 城市軌道交通》(HJ453—2008)(下簡稱《導(dǎo)則》)振動預(yù)測模型的基礎(chǔ)上，參考其他城市有益經(jīng)驗(yàn)，完善《導(dǎo)則》修正量取值范圍較大等不便，研究適用于寧波軌道交通地下線軌道振動預(yù)測方法，并采用計(jì)算機(jī)語言實(shí)現(xiàn)預(yù)測過程程序化以提高設(shè)計(jì)效率。

1　振動環(huán)境預(yù)測

1.1預(yù)測范圍

城市軌道交通地下線多經(jīng)過學(xué)校、居民區(qū)、醫(yī)院、實(shí)驗(yàn)室等地段，需要采取一定的減振措施以減小列車運(yùn)行對沿線環(huán)境敏感點(diǎn)的影響，避免居民投訴[1]?！秾?dǎo)則》8.1.4條[2]規(guī)定，列車運(yùn)營期間振動預(yù)測包括對距外軌中心線兩側(cè)10～60 m范圍內(nèi)敏感點(diǎn)振動預(yù)測、隧道垂直上方至外軌中心線兩側(cè)10 m范圍內(nèi)敏感點(diǎn)二次結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)測(線路下穿敏感點(diǎn))、距外軌中心線兩側(cè)60 m范圍內(nèi)文保目標(biāo)振動速度預(yù)測。

地下線在選線初期就多沿既有道路或規(guī)劃道路敷設(shè)，盡量避開文保目標(biāo)，故線路直接下穿敏感點(diǎn)、靠近文保目標(biāo)等情況較少，即使存在以上情況，往往采用較高級別減振措施，措施技術(shù)成熟，方案穩(wěn)定，變數(shù)不大。然而，距外軌中心線兩側(cè)10～60 m范圍內(nèi)分布著沿線超九成的敏感點(diǎn)，且敏感點(diǎn)種類繁多，住宅、商業(yè)、學(xué)校等星羅密布，振動預(yù)測工作量最為繁瑣，工況最為復(fù)雜，對軌道減振設(shè)計(jì)影響最大，故本次研究以此為重點(diǎn)。

1.2預(yù)測公式及參數(shù)

《導(dǎo)則》附錄C推薦了列車運(yùn)行時振動的基本預(yù)測模型，該模型在運(yùn)用過程中也存在很多不足[3]，例如沒有明確振源取值、未考慮線路曲線修正等。本文以預(yù)測敏感點(diǎn)垂向Z振級最大值VLzmax為評價量，參考北京、上海等振動預(yù)測經(jīng)驗(yàn)[4-6]，研究適用于寧波軌道交通地下線軌道振動預(yù)測模型。

寧波軌道交通不同線路間地下線軌道結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)參數(shù)保持一致，車輛為B型車(軸重≤14 t)，6節(jié)編組，普通地段采用60 kg/m鋼軌、彈性扣件、預(yù)應(yīng)力混凝土長枕式整體道床。

1.2.1振動預(yù)測公式

依據(jù)《導(dǎo)致》中預(yù)測模型和預(yù)測思路，現(xiàn)提出列車運(yùn)行時敏感點(diǎn)垂向Z振級最大值VLzmax預(yù)測式，見式(1)和式(2)。在該模型中，振動預(yù)測結(jié)果是在振動源強(qiáng)上考慮不同工況條件加以修正而得到的。

(1)

(2)

式中VLzmax——敏感點(diǎn)垂向Z振級最大值，dB；

VLzmax，0——列車振動源強(qiáng)，dB；

C——修正項(xiàng)，包括：速度修正CV、軸重修正CW、軌道結(jié)構(gòu)修正CL、輪軌條件修正CR、隧道結(jié)構(gòu)修正CH、距離修正CD、建筑物類型修正CB及曲線修正CQ，單位均為dB。

1.2.2修正參數(shù)

(1)振動源強(qiáng)VLzmax，0。源強(qiáng)的確定主要有3種方法，一種是采用地方標(biāo)準(zhǔn)，如《北京市地鐵噪聲與振動控制規(guī)范》(DB11/T838—2011)；一種是運(yùn)營線路實(shí)測數(shù)據(jù)，如廣州地鐵；一種是利用已有資料，目前大部分城市軌道交通采用該種方法[7]。

寧波軌道交通目前沒有針對軌道振動預(yù)測的地方標(biāo)準(zhǔn)或指導(dǎo)性文件，1號線一期、2號線一期已運(yùn)營，但其車輛滿載率較低，且運(yùn)營時間較短實(shí)測數(shù)據(jù)較少，無法利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)作為振動源強(qiáng)取值依據(jù)。上海與寧波同處長江三角洲地區(qū)，均為沖積平原，土層地質(zhì)特點(diǎn)類似，且上海軌道交通運(yùn)營多年，地鐵振動從規(guī)范到實(shí)測都有著豐富的經(jīng)驗(yàn)，故本次所用振動源強(qiáng)取值將依據(jù)寧波前期線路環(huán)評情況，引入上海經(jīng)驗(yàn)。

《城市軌道交通振動和噪聲控制簡明手冊》3.1.2[8]條列出了上海地鐵運(yùn)行振動源強(qiáng)，見表1，表中數(shù)據(jù)基于現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)得到，對應(yīng)的軌道條件為：列車速度60 km/h，線路采用60 kg/m鋼軌，無縫線路，彈性扣件和普通整體道床。

表1　軌道交通車輛運(yùn)行振動源源強(qiáng)(鉛垂向最大Z振級)

《上海市城市快速軌道交通近期建設(shè)規(guī)劃(2010～2020年)環(huán)境影響報(bào)告書》中上海地鐵地下段列車振動源強(qiáng)采用87.4 dB[9]。

綜上，確定寧波市軌道交通地下線振動源強(qiáng)為VLzmax，0=87.4 dB。

(2)速度修正CV。CV=20lg(v/v0)，其中：v0為源強(qiáng)參考速度，可知v0=60 km/h；v為接近敏感點(diǎn)對應(yīng)區(qū)段列車通過時的平均運(yùn)行速度。

(3)軸重修正CW。CW=20lg(w/w0)，其中：w0為源強(qiáng)參考軸重，可取w0=16 t；w為所預(yù)測車輛軸重，w=14 t。

(4)普通地段軌道結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土長枕式整體道床，無縫線路，車輪圓整，鋼軌表面平順，隧道結(jié)構(gòu)為單圓單線，則軌道結(jié)構(gòu)修正CL、輪軌條件修正CR、隧道結(jié)構(gòu)修正CH均為0。

(5)距離修正CD。敏感點(diǎn)至外軌中心線水平距離大于5 m時，CD=-20lgR+12，其中：R為敏感點(diǎn)至軌頂面外軌中心線的直線距離，R=sqrt(L2+H2)，L，H分別為敏感點(diǎn)至外軌中心線水平距離、至軌頂面垂直距離。

軌道減振措施需涵蓋振動最不利情況并延伸一定長度，考慮到沿線多為一定規(guī)模的居民區(qū)、商業(yè)區(qū)，故L取值為敏感點(diǎn)至外軌中心線水平最近距離，H取值為敏感點(diǎn)處隧道埋深，可由線路平縱斷面圖得到。

(6)建筑物類型修正CB。根據(jù)《導(dǎo)則》可知，Ⅰ類、Ⅱ類建筑物對應(yīng)修正值波動較大，且均為負(fù)值，使得振動預(yù)測結(jié)果偏?。虎箢惤ㄖ飳?yīng)修正值為-3～+3 dB，工程實(shí)施過程中Ⅲ類建筑物多考慮拆遷。

對于居住區(qū)，應(yīng)取值保守，充分留有設(shè)計(jì)余量，避免居民投訴[10]，對于Ⅰ類、Ⅱ類建筑物，CB可取0[11]，對于不拆遷的Ⅲ類建筑物，CB取+3。

(7)曲線修正CQ?！秾?dǎo)則》中未考慮線路曲線地段對振動的影響，曲線地段鋼軌磨耗會加重列車通過時的振動[12]。寧波經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，中心城區(qū)商業(yè)、住宅密布，地下水系、河流豐富，且歷史文化遺址較多，故軌道交通線路小半徑曲線較多，振動預(yù)測曲線修正不能忽略。

參考北京市地方標(biāo)準(zhǔn)《北京市地鐵噪聲與振動控制規(guī)范》(DB11/T 838—2011)[13]，當(dāng)線路為直道或彎道曲線半徑R>2 000 m時，修正量為0 dB；當(dāng)線路為彎道500 m

代入?yún)?shù)，經(jīng)整理后，可知軌道振動預(yù)測模型如下

VLzmax=98.24+20lg(v/60)-

(3)

2　振動預(yù)測模型計(jì)算及程序?qū)崿F(xiàn)

2.1振動預(yù)測模型計(jì)算

寧波已運(yùn)營地鐵線路1號線一期、2號線一期工程缺乏實(shí)測數(shù)據(jù)，在建項(xiàng)目3號線一期工程、4號線工程、5號線一期工程環(huán)評報(bào)告已公示。

施工圖設(shè)計(jì)階段軌道減振設(shè)計(jì)應(yīng)以環(huán)評報(bào)告的預(yù)測為依據(jù)，因而初步設(shè)計(jì)階段利用精確度較高的振動預(yù)測模型可以極大地提高設(shè)計(jì)效率[14]。利用本文振動預(yù)測模型對寧波軌道交通在建項(xiàng)目敏感點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測，并將計(jì)算結(jié)果與對應(yīng)環(huán)評報(bào)告進(jìn)行對比[15-17]，結(jié)果見表2。其中，敏感點(diǎn)編號取自環(huán)評報(bào)告，建筑物類型通過沿線調(diào)研綜合判定。

表2　寧波地鐵振動預(yù)測模型與各工程環(huán)評預(yù)測結(jié)果對比

3號線一期工程環(huán)評報(bào)告振動源強(qiáng)對應(yīng)的軌道條件、測點(diǎn)距軌道距離等與本文模型相同，但其取值為84.2 dB，比本模型低3.2 dB。報(bào)告中敏感點(diǎn)附近列車運(yùn)行速度接近于真實(shí)情況，也考慮了曲線修正，預(yù)測結(jié)果比本文模型預(yù)測結(jié)果低約3 dB，主要是振動源強(qiáng)取值較低造成的。

4號線工程、5號線一期工程環(huán)評報(bào)告振動源強(qiáng)參考了上海軌道交通，取值、軌道條件等與本文模型相同。環(huán)評報(bào)告所用運(yùn)行速度均取設(shè)計(jì)最高時速，且沒有考慮曲線修正，本文模型預(yù)測結(jié)果與報(bào)告預(yù)測結(jié)果基本一致，其誤差范圍約為-2～+1 dB。

各線環(huán)評報(bào)告所用源強(qiáng)、修正條件等不同，使得寧波軌道交通不同線路間地下線軌道減振設(shè)計(jì)有所差異，不利于線網(wǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、減振措施的統(tǒng)一。

對距外軌中心線兩側(cè)10～60 m范圍內(nèi)的敏感點(diǎn)，本模型預(yù)測結(jié)果與上述環(huán)評報(bào)告預(yù)測結(jié)果基本一致，其誤差范圍較小，具有一定精度，足以滿足初步設(shè)計(jì)階段軌道減振設(shè)計(jì)的使用要求，也對寧波后續(xù)線路地下線軌道振動預(yù)測提供有益的參考。

2.2振動預(yù)測模型程序?qū)崿F(xiàn)

通過輸入敏感點(diǎn)對應(yīng)區(qū)段列車通過時的平均運(yùn)行速度v，敏感點(diǎn)距外軌中心線水平最近距離、隧道埋深L、H，通過踏勘、調(diào)研判斷建筑物類型修正CB以及通過線路條件判斷曲線修正CQ，可計(jì)算得出敏感點(diǎn)因列車運(yùn)行產(chǎn)生的垂向Z振級最大值VLzmax。對該過程進(jìn)行程序化設(shè)計(jì)，分為3部分即輸入數(shù)據(jù)、判斷參數(shù)及計(jì)算振動預(yù)測值，其流程如圖1所示。

圖1　振動預(yù)測模型程序化流程

通過常用計(jì)算機(jī)語言，利用預(yù)測模型程序化流程即可實(shí)現(xiàn)振動預(yù)測程序化、智能化。選取5號線一期工程V46敏感點(diǎn)為例，輸入運(yùn)行速度、距離要素、建筑

物類型，通過敏感點(diǎn)所處曲線半徑大小判斷出曲線修正后，即可由計(jì)算機(jī)輸出振動預(yù)測值為69.4 dB。

3　結(jié)論

在《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 城市軌道交通》(HJ453—2008)振動預(yù)測模型的基礎(chǔ)上，總結(jié)、優(yōu)化并得出了適合寧波軌道交通地下線軌道振動預(yù)測模型，實(shí)現(xiàn)預(yù)測過程程序化，主要結(jié)論如下。

(1)《導(dǎo)則》中推薦的振動預(yù)測模型具有一定局限性，應(yīng)結(jié)合振動測試、參數(shù)優(yōu)化等有益經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合工程所在地實(shí)際情況得出相適應(yīng)的振動預(yù)測模型。

(2)振動預(yù)測模型預(yù)測結(jié)果應(yīng)盡量接近環(huán)評報(bào)告，得出具有一定精度的振動預(yù)測模型，對后期線路初步設(shè)計(jì)階段軌道減振設(shè)計(jì)具有極大的參考價值。

(3)振動預(yù)測是在確定振動源強(qiáng)的基礎(chǔ)上，考慮不同工況條件加以修正而得到，采用計(jì)算機(jī)語言將振動預(yù)測程序化可大大提高設(shè)計(jì)效率，減少人工計(jì)算出現(xiàn)的各種失誤。

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Research and Optimization of Track Vibration Prediction of Ningbo Rail Transit

CHENG Ye，LIU Zheng-qi

(China Railway Engineering Consulting Group Co.，Ltd.，Beijing 100055，China)

In the vibration-reduction design of underground track at preliminary design stage of urban rail transit，the reconnaissance，engineering analogy and other empirical methods are often adopted to address the environmentally sensitive points within the range of 10～60 m away from the outer rail on both sides of the center line，which may have a certain error.Based on vibration-reduction model of Guidelines，this paper is to study the vibration-reduction methods applied to underground track of Ningbo rail transit with reference to the experiences of Beijing，Shanghai and other cities，and use computer language to fulfill programmed prediction model for better design efficiency.At the preliminary design stage，standardization and automation of vibration prediction play an important rule in stabilizing track structure height，and specifying investment budget，and reducing repeated design.

Urban rail transit; Underground line; Vibration prediction; Computer program

2016-03-21；

2016-05-04

寧波軌道交通減振降噪專題研究(SJ5111)

程燁(1985—)，男，工程師，2008年畢業(yè)于北京航空航天大學(xué)，E-mail:jaba2008@tom.com。

1004-2954(2016)10-0001-03

U213.2

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.10.001