蘇州軌道交通2號(hào)線軌道減振措施性能測試分析

李雙袁國清李成侯晉施毅

蘇州軌道交通2號(hào)線軌道減振措施性能測試分析

李雙1袁國清2李成1侯晉1施毅3

（1.蘇州大學(xué)城市軌道交通學(xué)院，215131，蘇州；2.上海交通大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，200240，上海；3.蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司，215004，蘇州//第一作者，教授）

在蘇州軌道交通2號(hào)線隧道內(nèi)采用III型軌道減振器扣件、中量級鋼彈簧浮置板道床以及重型鋼彈簧浮置板道床等3種減振措施的代表斷面上，采用落錘法測量鋼軌、軌枕、道床及隧道側(cè)壁測點(diǎn)的振動(dòng)時(shí)域信號(hào)，計(jì)算得到各斷面上測點(diǎn)的傳遞函數(shù)，并評價(jià)分析了這3種減振措施的性能。選取對列車振動(dòng)較敏感的軌道下穿居民小區(qū)路段進(jìn)行地面振動(dòng)測試，分析了地下列車運(yùn)行對居民生活的振動(dòng)影響。研究結(jié)果表明，蘇州軌道交通所采取的大埋深及重型鋼彈簧浮置板道床等減振措施是卓有成效的。

城市軌道交通；環(huán)境振動(dòng)；軌道減振器；鋼彈簧浮置板

First-author′s addressSchool of Urban Rail Transportation，Soochow University，215131，Suzhou，China

城市軌道交通的快速發(fā)展在為人們生活提供方便的同時(shí)，也會(huì)帶來一定的環(huán)境振動(dòng)污染問題［1-2］。為此，在規(guī)劃、設(shè)計(jì)與環(huán)評階段對軌道交通所致的環(huán)境振動(dòng)進(jìn)行較為準(zhǔn)確的預(yù)測［3-7］，進(jìn)而對振動(dòng)敏感路段施加合適的減振方式［8-9］，已成為城市軌道交通建設(shè)的工作重心和研究熱點(diǎn)。

本文對蘇州軌道交通2號(hào)線地下軌道所采取的3種減振措施進(jìn)行振動(dòng)測試，計(jì)算各種減振軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)傳遞函數(shù)，對比分析各種減振措施的性能；然后對設(shè)置鋼彈簧浮置板道床路段的居民小區(qū)進(jìn)行振動(dòng)測試，將列車運(yùn)行引起的振動(dòng)與環(huán)境振動(dòng)進(jìn)行對比，分析振動(dòng)特性及減振效果。研究結(jié)果為后續(xù)線路的振動(dòng)預(yù)測與減振設(shè)計(jì)提供參考。

1 隧道內(nèi)振動(dòng)傳遞函數(shù)測試

落錘法是研究軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性、評價(jià)和優(yōu)化軌道剛度匹配和構(gòu)件性能的常用方法，具有方法簡單、可操作性強(qiáng)、測試結(jié)果離散性小等優(yōu)點(diǎn)［5-7］。在蘇州軌道交通2號(hào)線上，針對隧道內(nèi)采用的3種減振措施，選擇的測試斷面與軌道結(jié)構(gòu)為：盤蠡路站DK20+880-DK21+420路段III型軌道減振器扣件、盤蠡路站DK20+180-DK20+ 550路段重型鋼彈簧浮置板道床、山塘街站ZDK14+350-ZDK14+530路段中量級鋼彈簧浮置板道床。采用落錘法測得鋼軌、軌枕、道床以及隧道側(cè)壁（3個(gè)方向）的振動(dòng)時(shí)域信號(hào)，得到各斷面從鋼軌至軌枕、道床以及隧道側(cè)壁的傳遞函數(shù)，用于評價(jià)減振性能。

定義：列車上行方向?yàn)?X方向、軌面向上為+Z方向，另外一個(gè)方向用右手法則確定。

落錘法：在距離軌面0.5 m高處，用繩子懸掛一個(gè)1 kg的鋼球，讓其自由落體敲擊軌面，同時(shí)采集各測點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)；每次測試時(shí)間10 s，每個(gè)斷面測量4次。

采用高靈敏度加速度傳感器及16通道的Mueller-BBM振動(dòng)噪聲測試分析系統(tǒng)，測試的采樣頻率是2 048 Hz，有效分析頻率為800 Hz。實(shí)驗(yàn)測點(diǎn)分布如圖1所示，其中采集儀與4個(gè)測點(diǎn)傳感器有線連接。

圖1 地下軌道斷面落錘法測點(diǎn)分布圖

1.1 III型軌道減振器斷面

鋼軌測點(diǎn)的4次落錘測試的時(shí)域信號(hào)相似，如圖2所示。各測點(diǎn)的加速度頻譜如圖3所示。

圖2 鋼軌測點(diǎn)的時(shí)域加速度

圖3 Ⅲ型軌道減振器斷面各測點(diǎn)的加速度頻譜

將Ⅲ型軌道減振器斷面各測點(diǎn)加速度信號(hào)Y（ω）提取出來，再用傳遞函數(shù)計(jì)算獲得鋼軌X（ω）至其它測點(diǎn)的傳遞函數(shù)。對這些傳遞函數(shù)做1/3倍頻譜，并截?。?00 Hz的頻譜。為了便于分析，將無量綱的傳遞函數(shù)H取對數(shù)20 log H，其幅值單位轉(zhuǎn)換成dB（如圖4所示）。

從圖4中可以看出，鋼軌的振動(dòng)信號(hào)傳遞到其它測點(diǎn)時(shí)，在低頻（＜10 Hz）有一定程度的放大，其中軌枕測點(diǎn)在3.15 Hz傳遞函數(shù)為15.3 dB；在＞40 Hz的頻段，軌枕與道床測點(diǎn)都有20 dB的衰減，側(cè)壁測點(diǎn)衰減最大可達(dá)到40 dB。

1.2鋼彈簧浮置板道床斷面

圖4 Ⅲ型軌道減振器斷面鋼軌測點(diǎn)至各測點(diǎn)的傳遞函數(shù)

測試得到各測點(diǎn)的振動(dòng)加速度頻譜（限于篇幅不再列出），計(jì)算得到鋼軌振動(dòng)到各測點(diǎn)的傳遞函數(shù)分別如圖5和圖6所示。

1.3 對比分析

圖5 中級鋼彈簧浮置板道床斷面鋼軌測點(diǎn)至各測點(diǎn)的傳遞函數(shù)

主要關(guān)心從鋼軌測點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)傳遞到隧道側(cè)壁Z方向在40～125 Hz頻段內(nèi)的傳遞函數(shù)。將3種減振措施的傳遞函數(shù)繪制成圖（見圖7）。從圖7中可以看出，鋼軌至側(cè)壁測點(diǎn)Z方向的振動(dòng)衰減量，重型鋼彈簧浮置板道床斷面最大、中量級鋼彈簧浮置板道床次之、III型軌道減振器扣件斷面最小。其中，重型鋼彈簧浮置板道床斷面?zhèn)缺跍y點(diǎn)受到環(huán)境和工頻信號(hào)的掩蓋，所以在50 Hz處出現(xiàn)突變。整體而言，在40～125 Hz頻段重型鋼彈簧浮置板道床斷面比III型軌道減振器扣件斷面的推動(dòng)衰減量要大，大于4 dB。

圖6 重型鋼彈簧浮置板道床斷面鋼軌測點(diǎn)與各測點(diǎn)的傳遞函數(shù)

圖7 3種減振措施斷面鋼軌測點(diǎn)至隧道側(cè)壁測點(diǎn)Z方向的傳遞函數(shù)

2 地面振動(dòng)測試

針對蘇州軌道交通2號(hào)線正下方穿過的居民區(qū)，選擇銀橋新村作為測量點(diǎn)，分析重型鋼彈簧浮置板道床的減振效果。該小區(qū)下面的軌道埋深14 m，小區(qū)在2號(hào)線上的位置如圖8所示。

根據(jù)《蘇州市軌道交通2號(hào)線工程環(huán)境影響報(bào)告書》，銀橋新村為2-7層磚混結(jié)構(gòu)的住宅樓，屬Ⅱ類建筑物，其環(huán)境振動(dòng)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為：晝間不大于70 dB，夜間不大于67 dB。如果不采取減振措施，該處振動(dòng)預(yù)測值為78 dB，超標(biāo)量為：晝間8 dB，夜間11 dB。環(huán)評建議減振措施為：設(shè)置420 m（雙線長度）鋼彈簧浮置板道床，減振目標(biāo)值-20 dB，措施后振動(dòng)預(yù)測值58 dB，達(dá)標(biāo)。

選擇垂直軌道中心線5 m（1號(hào)測點(diǎn)）、10 m（2號(hào)測點(diǎn)）、20 m（3號(hào)測點(diǎn)）、40 m（4號(hào)測點(diǎn)）處的4個(gè)測點(diǎn)，測點(diǎn)分布如圖8所示。測試采集時(shí)間共1 800 s，如圖9所示。

圖8 銀橋新村位置及地面測點(diǎn)布置

圖9 銀橋新村各測點(diǎn)時(shí)域圖

從整個(gè)時(shí)域圖中加速度的幅值變化，幾乎無法分辨列車通過時(shí)段，說明重型鋼彈簧浮置板道床起到了很好的隔振作用。根據(jù)蘇州軌道交通1號(hào)線的振動(dòng)實(shí)測情況，列車通過時(shí)間約為10 s，如圖10所示。

圖10 蘇州軌道交通1號(hào)線列車通過時(shí)的鋼軌振動(dòng)加速度

本次截取某趟列車通過時(shí)加速度最大的中間3.5 s時(shí)段（472.0～475.5 s）進(jìn)行分析，各測點(diǎn)的振動(dòng)頻譜如圖11所示。

選取無列車通過時(shí)，信號(hào)較穩(wěn)定的時(shí)間段（600～700 s）的3號(hào)測點(diǎn)時(shí)域信號(hào)作為環(huán)境振動(dòng)信號(hào)，環(huán)境振動(dòng)頻譜如圖12所示。

圖11 銀橋新村列車通過時(shí)段的地面振動(dòng)頻譜

圖12 銀橋新村環(huán)境振動(dòng)頻譜

蘇州軌道交通1號(hào)線地面振動(dòng)測試結(jié)果表明，列車運(yùn)行傳到地面的振動(dòng)能量集中在50～80 Hz，因此這一頻段是需要重點(diǎn)關(guān)注的。

對照圖11和圖12可以看出，1號(hào)測點(diǎn)有效地捕捉到了列車通過時(shí)的振動(dòng)信號(hào)，主要峰值在50～80 Hz之間，而且列車通過時(shí)的振動(dòng)區(qū)別于環(huán)境振動(dòng)的頻段集中在400 Hz以下；相對于環(huán)境振動(dòng)而言，其它測點(diǎn)的峰值并不明顯，只是在300 Hz左右出現(xiàn)小的凸起，這說明在埋深較大且遠(yuǎn)離列車行進(jìn)方向的情況下，地面振動(dòng)信號(hào)快速衰減。

將列車通過時(shí)段各測點(diǎn)振動(dòng)換算成平均Z振級和最大Z方向振級并繪制成圖（見圖13）。從圖13可以看出，隨著距離線路越遠(yuǎn)，振動(dòng)剛開始明顯下降，后面降低得少。列車通過時(shí)，距離軌道中心線5 m處測點(diǎn)的平均振動(dòng)級比環(huán)境振動(dòng)僅僅高出0.4 dB，說明列車通過時(shí)的振動(dòng)基本上被環(huán)境振動(dòng)掩蓋；環(huán)境振動(dòng)的最大振級比列車通過時(shí)的最大振級要大，這說明小區(qū)內(nèi)環(huán)境振動(dòng)干擾才是主要的振動(dòng)源。且所有的Z振級都不超過64 dB，這說明在列車試運(yùn)行的工況下，銀橋新村居民區(qū)的振動(dòng)是達(dá)標(biāo)的（白天＜70 dB，夜間＜67 dB）；列車通過時(shí)傳遞到地面振動(dòng)能量主要集中在低頻，典型列車通過時(shí)的振動(dòng)頻譜（1號(hào)測點(diǎn)）的峰值在50～80 Hz頻段。大于80 Hz之后的頻段幅值急劇減小，達(dá)到環(huán)境振動(dòng)量級。

圖13 銀橋新村環(huán)境振動(dòng)與列車通過時(shí)各測點(diǎn)Z方向振級對比

3 結(jié)論

通過對蘇州軌道交通2號(hào)線的3種軌道減振結(jié)構(gòu)的振動(dòng)傳遞函數(shù)測試、軌道下穿居民小區(qū)的地面測試和分析表明：

（1）從振動(dòng)傳遞函數(shù)來看，低頻段（特別是＜10 Hz）的振動(dòng)從鋼軌傳遞至軌枕、道床及隧道壁時(shí)，有不同程度的放大；在居民關(guān)心的40～80 Hz頻段，3種減振器都有良好的效果；鋼軌至隧道側(cè)壁Z方向的振動(dòng)衰減量，重型鋼彈簧浮置板道床斷面最大、中量級鋼彈簧浮置板道床次之、III型軌道減振器扣件斷面最小。

（2）在＞40 Hz的頻段，鋼軌至隧道側(cè)壁的振動(dòng)信號(hào)快速衰減，鋼彈簧浮置板道床結(jié)構(gòu)的衰減量最大可達(dá)到60 dB。整體而言，重型鋼彈簧浮置板道床斷面在40～125 Hz頻段要比III型軌道減振器扣件斷面的振動(dòng)衰減量大4 dB以上。

（3）3種軌道減振結(jié)構(gòu)的特征頻率都不相同，III型軌道減振器扣件斷面在200 Hz處出現(xiàn)單峰、重型鋼彈簧浮置板道床斷面在224 Hz處出現(xiàn)單峰、中量級鋼彈簧浮置板道床斷面在192 Hz和242 Hz出現(xiàn)兩個(gè)單峰。落錘法能激勵(lì)起后兩個(gè)斷面軌道多階固有頻率。

（4）對于軌道下穿居民小區(qū)，地下軌道交通激勵(lì)振動(dòng)與環(huán)境振動(dòng)幾乎沒有差別，說明蘇州軌道交通所采取的大埋深和重型鋼彈簧浮置板道床等減振措施是卓有成效的。

［1］陳國興，蘇曉梅，陳斌.地鐵列車運(yùn)行引起的環(huán)境振動(dòng)評價(jià)［J］.防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)，2008，28（1）：70-74.

［2］侯晉，李雙，袁國清，等.蘇州軌道交通1號(hào)線地面振動(dòng)測試與分析［J］.環(huán)境污染與防治，2014，36（10）：68-72.

［3］劉衛(wèi)豐，劉維寧，袁揚(yáng).基于地鐵列車運(yùn)行引起的振動(dòng)預(yù)測模型的浮置板軌道減振效果研究［J］.鐵道學(xué)報(bào)，2012，34（9）：81-86.

［4］TSUNOK，F(xiàn)URUTA M，ABE K.Numericalcalculation method for Prediction of ground-borne vibration near subway tunnel［J］.Journal of Mechanical Systems for Transportation and Logistics，2010，3（1）：53-62.

［5］王文斌.基于脈沖實(shí)驗(yàn)的地鐵環(huán)境振動(dòng)響應(yīng)傳遞函數(shù)預(yù)測方法研究［D］.北京：北京交通大學(xué)，2011.

［6］袁揚(yáng)，劉維寧，王文斌.基于錘擊測試的地鐵環(huán)境振動(dòng)預(yù)測方法的改進(jìn)［J］.天津大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)與工程技術(shù)版），2013，46（5）：408-414.

［7］劉海濤，肖俊恒，許良善，等.軌道結(jié)構(gòu)落錘沖擊的數(shù)值模擬方法［J］.中國鐵道科學(xué)，2014，35（2）：14-19.

［8］郝珺，耿傳智，朱劍月.不同軌道結(jié)構(gòu)減振效果測試分析［J］.城市軌道交通研究，2008，11（4）：68-71.

［9］耿傳智，田苗盛，董國憲.浮置板軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率分析［J］.城市軌道交通研究，2007，10（1）：22-24.

Damping Performance Test Analysis on Suzhou Metro Line 2

LI Shuang，YUAN Guoqing，LI Cheng，HOU Jin，SHI Yi

On the representative sections of Suzhou metro Line 2，type III vibration damper，middle-weight steel spring floating slab track and heavy-weight steel spring floating slab track are adopted.Monkey hammer method is used to obtain the vibration time domain signals at rail measuring points，on sleeper，ballast bed and tunnel sidewall respectively.The vibration transfer function between rail points of each section is calculated，performances of the above three vibration mitigation measures are evaluated.Besides，the sensitive residential areas above the tunnel are chosen as the object to test ground vibration，vibration effect over residents daily life caused by train operation is analyzed.The research shows that measures such as the large tunnel burial depth and the heavy-weight steel spring floating slab track taken by Suzhou rail transit are very effective.

urban rail transit；environment vibration；vibration damper；steel spring floating slab track

UZ13.2+4；U213.3

10.16037/j.1007-869x.2017.08.006

2015-08-06）