120 km/h地鐵多種減振軌道結(jié)構(gòu)現(xiàn)場測試與分析

林渝軻,吳夢瑤,王 平

(1.高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031； 2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031)

地鐵作為現(xiàn)代化大中城市交通發(fā)展的首選，在城市軌道交通中發(fā)揮著舉足輕重的作用[1]。繼美國舊金山地鐵運(yùn)行速度達(dá)到128 km/h而作為世界地鐵最高運(yùn)營速度之后，我國上海、廣州、深圳等地運(yùn)行速度120 km/h地鐵線路陸續(xù)開通，標(biāo)志著地鐵高速化將成為未來地鐵發(fā)展的趨勢。地鐵提速給人們的出行帶來更多的方便，但是地鐵列車對軌道的高速?zèng)_擊對環(huán)境的振動(dòng)和噪聲傳播等問題的研究帶來更多的挑戰(zhàn)[2]。

目前，國內(nèi)既有地鐵線路列車設(shè)計(jì)速度大多為60 km/h或80 km/h，國內(nèi)外許多學(xué)者采用現(xiàn)場測試[3]的方法對低速下列車輪軌振動(dòng)傳播規(guī)律進(jìn)行了研究，Degrande[4]等通過對倫敦地鐵地下段進(jìn)行現(xiàn)場測試，分析了隧道結(jié)構(gòu)及地面振動(dòng)傳播規(guī)律。閆維明等[5]等根據(jù)地鐵現(xiàn)場測試結(jié)果研究發(fā)現(xiàn)地鐵誘發(fā)振動(dòng)對建筑物影響以垂直分量為主，地鐵誘發(fā)的豎向振動(dòng)沿地表水平方向傳播時(shí)存在振動(dòng)放大區(qū)。何衛(wèi)[6]等通過現(xiàn)場測試分析了不同扣件類型及不同車速等因素對列車荷載特性的影響。但國內(nèi)外專家學(xué)者對行車速度120 km/h地鐵線路的現(xiàn)場測試及其減振效果的研究較為缺乏[7]。故通過現(xiàn)場測試詳細(xì)評價(jià)在高速行車條件下各型減振軌道結(jié)構(gòu)的減振效果很有必要且具備理論與現(xiàn)實(shí)意義。

通過對廣東某城市地鐵運(yùn)行速度120 km/h左右下地鐵隧道內(nèi)DZIII-1型扣件普通整體道床、梯形軌枕軌道、鋼彈簧浮置板軌道的現(xiàn)場振動(dòng)測試[8-9]，評價(jià)地鐵行車速度120 km/h左右下各型軌道結(jié)構(gòu)的減振效果，以期為今后高速行車條件下減振軌道設(shè)計(jì)及線路的養(yǎng)護(hù)維修[10]提供實(shí)測數(shù)據(jù)與理論依據(jù)。

1 測試儀器和測點(diǎn)布置

測試儀器由加速度傳感器、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及電腦組成[11]。將加速度傳感器固定在測點(diǎn)上，記錄列車經(jīng)過時(shí)所產(chǎn)生的鋼軌加速度、道床(浮置板)加速度、隧道壁加速度。由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行采集，然后通過電腦做出分析[11]。

加速度傳感器采用朗斯測試LC系列壓電式加速度傳感器，其具體技術(shù)指標(biāo)如表1所示。數(shù)據(jù)采集儀器為德國IMC公司CS系列采集儀。

本次測試中普通整體道床軌道、梯形軌枕軌道、鋼彈簧浮置板軌道均采用DZIII-1型扣件。測點(diǎn)布置在鋼軌外側(cè)軌底、道床(浮置板)和隧道壁上，由于浮置板軌道的隔振效果沿縱向位置是變化的，測試斷面選擇在浮置板的中部[12]。測試斷面均位于直線線形區(qū)間，每個(gè)測試斷面共安裝3個(gè)測點(diǎn)，分別用于測量鋼軌豎向振動(dòng)加速度、道床豎向振動(dòng)加速度、隧道壁振動(dòng)加速度。各測點(diǎn)傳感器布置如圖1所示。

表1 加速度傳感器技術(shù)指標(biāo)

圖1 測點(diǎn)布置示意

2 測試結(jié)果和分析

2.1 時(shí)域分析

本次測試中每種軌道結(jié)構(gòu)各測試斷面均采集至少20組數(shù)據(jù)[13]，每種軌道結(jié)構(gòu)均選取行車速度為120 km/h左右工況下效果較好的測試斷面典型振動(dòng)加速度時(shí)程曲線圖，數(shù)據(jù)處理前均采取濾波處理[13]，如圖2～圖4所示。

對比各測試斷面典型振動(dòng)加速度時(shí)程，得到以下結(jié)論。

(1)在地鐵列車高速(120 km/h)行駛條件下，鋼軌振動(dòng)最劇烈的是普通整體道床軌道，其垂向振動(dòng)加速度幅值高達(dá)292.14 m/s2，遠(yuǎn)高于鋼彈簧浮置板軌道的249.03 m/s2與梯形軌枕軌道的96.21 m/s2；各減振軌道結(jié)構(gòu)隧道壁振動(dòng)最劇烈的依然是普通整體道床軌道，其隧道壁振動(dòng)加速度幅值最大約為0.71 m/s2，但與鋼軌振動(dòng)加速度幅值大小變化規(guī)律不同的是，隧道壁振動(dòng)加速度幅值最小的是鋼彈簧浮置板軌道，振動(dòng)幅值最大約為0.13 m/s2。

圖2 普通整體道床軌道振動(dòng)加速度時(shí)程

圖3 梯形軌枕軌道振動(dòng)加速度時(shí)程

圖4 鋼彈簧浮置板軌道振動(dòng)加速度時(shí)程

(2)地鐵列車在高速行駛條件下，3種軌道形式均符合振動(dòng)加速度從鋼軌至隧道壁的逐層遞減規(guī)律。其中鋼彈簧浮置板軌道振動(dòng)加速度衰減最為明顯，鋼軌至道床振動(dòng)加速度從249.03 m/s2降至0.13 m/s2，其次為整體道床軌道、梯形軌枕軌道。道床至隧道壁振動(dòng)加速度衰減效果最好的為梯形軌枕軌道，但是隧道壁振動(dòng)加速度幅值最小為鋼彈簧浮置板軌道?？偟膩碚f，鋼彈簧浮置板軌道相對于整體道床軌道和梯形軌枕軌道，對列車高速行駛引起的振動(dòng)有較好的衰減作用。

研究表明不同頻率的振動(dòng)對人或物有著不同的影響，其中地鐵運(yùn)營引起的地面振動(dòng)主要為80 Hz以下的振動(dòng)，由于低頻段0～20 Hz振動(dòng)的衰減較慢，傳播距離較遠(yuǎn)，對精密儀器、建筑物和人的影響較為明顯[14]。

基于對各軌道形式各測試斷面振動(dòng)加速度進(jìn)行帶通濾波處理，統(tǒng)計(jì)分析了各軌道形式各個(gè)測試斷面在0～2 500 Hz、20～80 Hz、0～20 Hz頻段內(nèi)振動(dòng)加速度在各測試斷面間的傳遞規(guī)律，繼而分析不同軌道形式在不同頻段內(nèi)振動(dòng)衰減情況[12]，如圖5、圖6所示。

根據(jù)我國《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 10071—1988)[15]，加速度振級V(dB)的定義為

V=20lg(a/a0)

(1)

式中，a為振動(dòng)加速度有效值，m/s2；a0為基準(zhǔn)加速度，10-6m/s2。

各測點(diǎn)振動(dòng)加速度有效值取6組效果較好時(shí)域數(shù)據(jù)有效值線性平均。

分析圖5、圖6可以得出如下結(jié)論。

(1)普通整體道床軌道在各頻段內(nèi)對振動(dòng)的衰減均有一定效果，0～20 Hz振動(dòng)加速度級在鋼軌和道床間的衰減約為20 dB，在道床和隧道壁間的衰減約為25 dB；20～80 Hz振動(dòng)加速度級在鋼軌和道床間的衰減約為19 dB，在道床和隧道壁間的衰減約為14 dB；0～2 500 Hz振動(dòng)加速度級在鋼軌和道床間的衰減約為20 dB，在道床和隧道壁間的衰減約為17 dB。

圖5 各軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度級

圖6 各軌道結(jié)構(gòu)隧道壁對比損失

(2)梯形軌枕軌道結(jié)構(gòu)能有效降低隧道壁振動(dòng)，在0～20 Hz范圍內(nèi)，振動(dòng)加速度級在鋼軌和軌枕間略有衰減，約為13 dB，在軌枕和隧道壁間有40 dB的明顯衰減；20～80 Hz范圍內(nèi)振動(dòng)加速度級在鋼軌和軌枕間僅有約5 dB的衰減，在軌枕和隧道壁間的衰減比較明顯，約為42 dB；0～2 500 Hz振動(dòng)加速度級在鋼軌和軌枕間的衰減約為13 dB，衰減仍然較小，在軌枕和隧道壁間的衰減非常明顯，約為50 dB。

(3)鋼彈簧浮置板對振動(dòng)的衰減主要在鋼軌與浮置板之間完成，0～20 Hz振動(dòng)加速度級在鋼軌和浮置板間的衰減約53 dB，衰減非常明顯。在浮置板和隧道壁間的衰減約為12 dB；20～80 Hz范圍內(nèi)振動(dòng)加速度級在鋼軌和浮置板間振動(dòng)衰減為70 dB，而在浮置板和隧道壁間的衰減約為10 dB；0～2 500 Hz振動(dòng)加速度級在鋼軌和浮置板間的衰減約為80 dB，在浮置板和隧道壁間的衰減約為24 dB。

(4)0～20、20～80和0～2 500 Hz 3種頻段內(nèi)的振動(dòng)加速度級，普通整體道床、梯形軌枕軌道對比圖中的0～2 500 Hz頻段比20～80 Hz頻段的振動(dòng)級還要小一些，說明普通整體道床、梯形軌枕軌道在高頻段的減振效果要優(yōu)于低頻段。

(5)通過對比分析各減振措施隧道壁各頻段內(nèi)垂向振動(dòng)加速度級，可以明顯地看出減振效果最好的為鋼彈簧浮置板軌道，其次為梯形軌枕軌道、普通整體道床軌道。

2.2 頻域分析

通過對6組較好的振動(dòng)加速度時(shí)程試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過傅里葉積分變換進(jìn)行隨機(jī)信號分析得到振動(dòng)加速度頻譜，然后通過1/3倍頻程譜進(jìn)行頻域分析[13]。不同軌道形式的同一測試斷面鋼軌、道床和隧道壁加速度1/3倍頻程譜如圖7、圖8所示。

圖7 各軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度1/3倍頻程譜

圖8 隧道壁垂向振動(dòng)加速度1/3倍頻程譜

通過分析圖7、圖8得到以下結(jié)論。

(1)普通整體道床鋼軌至道床在頻域內(nèi)垂向振動(dòng)加速度是均勻衰減，每個(gè)頻段內(nèi)衰減大小相差不大。從道床至隧道，頻域內(nèi)垂向振動(dòng)加速度均有衰減，但衰減程度不同，在低頻范圍內(nèi)衰減較大，高頻范圍內(nèi)衰減相對較小。從圖中也可看出，從鋼軌、道床到隧道壁，垂向振動(dòng)加速度主頻在逐漸減小。

(2)對于鋼軌的振動(dòng)而言，梯形軌枕軌道振動(dòng)峰值最小，約為142 dB，且其主頻已超過1 600 Hz(其余兩種軌道鋼軌振動(dòng)主頻約為1 250 Hz)，并不在高頻振動(dòng)產(chǎn)生噪聲的主要頻段780～1 600 Hz范圍內(nèi)。梯形軌枕軌道的軌枕減振效果也較好，平均在40 dB左右，最大可達(dá)到50 dB。經(jīng)過計(jì)算，在行車速度為118 km/h工況下，梯形軌枕軌道鋼軌、軌枕和隧道結(jié)構(gòu)的垂向振動(dòng)加速度在1/3倍頻程綜合振級分別為147.4、138.2和102.8 dB。

(3)鋼彈簧浮置板軌道從鋼軌至浮置板垂向振動(dòng)加速度在全頻段范圍內(nèi)衰減且衰減值較大，衰減效果最為突出，高頻范圍內(nèi)衰減值略大于低頻。浮置板至隧道垂向振動(dòng)加速度在全頻段范圍內(nèi)衰減，低頻范圍內(nèi)衰減值略大于高頻。對鋼彈簧浮置板軌道而言，鋼軌至浮置板的衰減值要遠(yuǎn)大于浮置板至隧道的衰減值。

(4)從圖8可看出，在不考慮隧道結(jié)構(gòu)形狀及隧道結(jié)構(gòu)與土體的耦合影響等情況下，在地鐵列車行車速度為120 km/h左右工況下，3種軌道結(jié)構(gòu)中鋼彈簧浮置板軌道減振效果最好，其次為梯形軌枕軌道，減振效果最差的為普通整體道床。

3 結(jié)論與建議

(1)普通整體道床軌道在各頻段內(nèi)對振動(dòng)的衰減均有一定效果，0～20 Hz、20～80 Hz和0～2 500 Hz三個(gè)頻段均有約20 dB的減振效果，有效地衰減鋼軌至道床的振動(dòng)。道床至隧道，頻域內(nèi)垂向振動(dòng)加速度均有衰減，但衰減程度不同，在低頻范圍內(nèi)衰減較大，高頻范圍內(nèi)衰減相對較小。

(2)梯形軌枕軌道結(jié)構(gòu)能有效降低隧道壁振動(dòng)，在0～20 Hz、0～2 500 Hz范圍內(nèi)，振動(dòng)加速度級在鋼軌和軌枕間略有衰減，約為13 dB，20～80 Hz范圍內(nèi)僅有約5 dB的衰減；0～20 Hz、20～80 Hz范圍內(nèi)在軌枕和隧道壁間有40 dB的明顯衰減；0～2 500 Hz范圍內(nèi)約50 dB的衰減。

(3)鋼彈簧浮置板對振動(dòng)的衰減主要在鋼軌與浮置板之間完成，0～20 Hz、20～80 Hz、0～2500 Hz范圍內(nèi)振動(dòng)加速度級在鋼軌和浮置板間的衰減分別為53、70、80 dB，衰減非常明顯。0～20 Hz、20～80 Hz、0～2 500 Hz范圍內(nèi)振動(dòng)加速度級在浮置板和隧道壁間的衰減約為12、10、24 dB。

(4)不同的減振措施對減振部位有不同的減振效果，根據(jù)不同減振措施的減振特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)將是減振設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

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