地鐵三種典型軌道結構振動響應對比分析研究

張 曉，廖志軍，余海娜

（1. 紹興市軌道交通集團有限公司，浙江紹興 312035；2. 杭州市地鐵集團有限責任公司，浙江杭州 310017）

目前國內地鐵建設快速發(fā)展，而地鐵振動對周邊環(huán)境的影響為人們所廣泛關注，不同行業(yè)振動保護對象的振動控制指標不盡相同，包括速度響應控制與加速度響應控制。同時也有研究表明，振動會危害人體健康。研究指出，人對不同頻率的振動有不同的反應，例如，手對 30～40 Hz 的振動最為敏感，手部操作受影響最嚴重；眼睛對 18～50 Hz 的振動最為敏感，視覺干擾最大；頭部對 2～30 Hz 和 500～1 000 Hz 的振動最為敏感；神經(jīng)系統(tǒng)對 250 Hz 的振動最為敏感；上下頜對 6～8 Hz 的振動最為敏感，會出現(xiàn)語言障礙。另有研究表明，對于 20 Hz 以下的振動，加速度振幅達到 0.01g時開始引起人的注意；0.05g以上會使人感到舒適；超過 0.3g后，就會造成人體器官平衡失調，會引發(fā)頭暈、頭沉、貪睡、疲倦、注意力衰退等。振動給人帶來的后果，嚴重的還會造成器官失調，神經(jīng)系統(tǒng)、心臟血管系統(tǒng)和運動系統(tǒng)的障礙等。綜上，假設不對地鐵產(chǎn)生的振動進行減振處理，勢必對上述的敏感建構筑物及人群產(chǎn)生影響，因此，軌道交通減振降噪勢在必行。

1 土體-隧道有限元建模

地鐵軌道結構形式一般包括有砟軌道和無砟軌道 2種。目前，對減振降噪型軌道結構的研究主要集中在彈性扣件、先鋒扣件、彈性支承塊、梯子型軌道、浮置板等無碴軌道上。本文將選擇彈性扣件、彈性支承塊、浮置板等 3 種典型的軌道結構進行分析。

首先基于 ANSYS 有限元仿真建立一個土體-隧道模型（圖 1），土體和隧道均采用上海地鐵工程地質參數(shù)，然后通過輪軌耦合模擬地鐵振動，分析其響應。模型中設置 19 個計算點，分別位于離隧道中心 2. 27 m處隧道壁，地面距隧道中心水平距離 0 m、10 m、20 m、30 m、40 m、50 m、70 m、90 m、110 m、130 m、150 m、170 m 位置，如圖 2 所示。

2 軌道結構振動響應分析

通過有限元模擬分析，得出了彈性扣件、彈性支承塊、浮置板 3 種軌道類型工況之下的振動傳播規(guī)律，主要包括速度響應、加速度響應與計算點距隧道中心距離之間的關系，以及不同計算點處 1/3 倍頻程加速度振級。

圖 1 土體-隧道模型

圖 2 計算點布置（單位：m）

圖 3 3 種軌道結構速度峰值

圖 4 3 種軌道結構加速度峰值

2.1 速度響應分析

根據(jù)計算結果，60～170 m 速度響應峰值已相對較小，與 0～50 m 計算點速度響應峰值相差甚遠，若放于一圖內橫向比較，將無法辨識 60～170 m 計算點速度響應峰值變化情況。因此，按不同數(shù)量級與不同距離，將速度響應峰值情況分 3 個圖展示，以便觀察規(guī)律，見圖 3。

由圖3可知，計算點距隧道中心水平方向 0～20 m 范圍內，浮置板減振效果優(yōu)于彈性支承塊，彈性支承塊減振效果優(yōu)于彈性扣件；計算點距隧道中心水平方向 20～80 m 范圍內，彈性支承塊減振效果優(yōu)于浮置板和彈性扣件，彈性扣件減振效果優(yōu)于浮置板；計算點距隧道中心水平方向 80～170 m 范圍內，彈性支承塊和彈性扣件減振性能相似，都優(yōu)于浮置板。

2.2 加速度響應分析

（1）按不同數(shù)量級與不同距離，將加速度響應峰值情況分 3 個圖展示，見圖 4。由圖 4 可知，計算點距隧道中心水平方向 0～100 m 范圍內，浮置板減振效果優(yōu)于彈性支承塊，彈性支承塊減振效果優(yōu)于彈性扣件；計算點距隧道中心水平方向100～170 m 范圍內，彈性支承塊和彈性扣件減振效果相似，都優(yōu)于浮置板。

（2）圖 5 給出了 3 種軌道結構工況下隧道壁計算點加速度響應對比圖。由圖 5 可知，隧道壁處，彈性扣件軌道與彈性支承塊軌道工況下，0～10 Hz 范圍振級從約105 dB 開始，隨著頻率增大總體呈遞減趨勢，減至約 75 dB；10～40 Hz 范圍振級從約 75 dB 開始，隨著頻率增大總體呈遞增趨勢，增至約 95 dB；40～500 Hz 振級維持在 100 dB 附近。浮置板軌道工況下，0～10 Hz 范圍振級從約 105 dB 開始，隨著頻率增大總體呈遞減趨勢，減至約 60 dB；10～40 Hz 范圍振級從約 60 dB 開始，隨著頻率增大總體呈遞增趨勢，增至約 85 dB；40～150 Hz 范圍振級從約 85 dB 開始，隨著頻率增大總體呈遞減趨勢，減至約 65 dB；150 Hz 以上振級維持在 65 dB 附近?？傮w而言，隧道壁處，0～40 Hz 3 種軌道結構的減振效果接近，浮置板對 40～500 Hz 振動減振效果相對較優(yōu)。

（3）圖 6 給出了 3 種軌道結構工況下地面 0 m 計算點加速度響應對比圖。由圖 6 可知，地面 0 m 計算點處，彈性扣件軌道與彈性支承塊軌道工況下，0～10 Hz 范圍振級從約 105 dB 開始，隨著頻率增大總體呈遞減趨勢，減至約 70 dB；10～40 Hz 范圍振級從約70 dB 開始，隨著頻率增大總體呈遞增趨勢，增至約90 dB；40～500 Hz 振級從約 90 dB 開始，隨著頻率增大總體呈遞減趨勢，減至約 40 dB。浮置板軌道工況下，0～10 Hz 范圍振級從約 105 dB 開始，隨著頻率增大總體呈遞減趨勢，減至約 60 dB；10～40 Hz 范圍振級從約 60 dB 開始，隨著頻率增大總體呈遞增趨勢，增至約 80 dB；40～500 Hz 范圍振級從約 80 dB 開始，隨著頻率增大總體呈遞減趨勢，減至約 0 dB。總體而言，地面 0 m 計算點處，0～40 Hz 3 種軌道結構的減振效果接近，40～500 Hz 頻域內浮置板減振較優(yōu)。

（4）圖 7 給出了 3 種軌道結構工況下地面 10 m 計算點加速度響應對比圖。由圖 7 可知，地面10 m計算點處，彈性扣件軌道與彈性支承塊軌道工況下，0～10 Hz 范圍振級從約 105 dB 開始，隨著頻率增大總體呈遞減趨勢，減至約 65 dB；10～40 Hz 范圍振級從約 65 dB 開始，隨著頻率增大總體呈遞增趨勢，增至約 80 dB；40～500 Hz 振級從約 80 dB 開始，隨著頻率增大總體呈遞減趨勢，減至約 20 dB。浮置板軌道工況下，0～10 Hz 范圍振級從約 105 dB 開始，隨著頻率增大總體呈遞減趨勢，減至約 55 dB；10～40 Hz 范圍振級從約 55 dB 開始，隨著頻率增大總體呈遞增趨勢，增至約 75 dB；40～500 Hz 范圍振級從約 75 dB 開始，隨著頻率增大總體呈遞減趨勢，減至 0 dB?？傮w而言，地面 10 m 計算點處，0～40 Hz 3 種軌道結構的減振效果接近，40～500 Hz 范圍浮置板軌道減振效果較優(yōu)。

圖 5 3 種軌道結構隧道壁計算點加速度振級

圖 6 3 種軌道結構地面 0 m 計算點加速度振級

圖 7 3 種軌道結構地面 10 m 計算點加速度振級

（5）圖 8 給出了 3 種軌道結構工況下地面 20 m 計算點加速度響應對比圖。與圖 7 相比，圖 8 加速度振級普遍明顯降低，且 40 Hz 以上振動繼續(xù)加速衰減。彈性扣件軌道與彈性支承塊軌道工況下，0～10 Hz 范圍振級從約 100 dB 開始，隨著頻率增大總體呈遞減趨勢，減至約 50 dB；10～40 Hz 范圍振級從約 50 dB 開始，隨著頻率增大總體呈遞增趨勢，增至約 60 dB；40～500 Hz 振級從約 60 dB 開始，隨著頻率增大總體呈遞減趨勢，減至 0 dB。浮置板軌道工況下，0～10 Hz 范圍振級從約 100 dB 開始，隨著頻率增大總體呈遞減趨勢，減至約 40 dB；10～40 Hz 范圍振級從約 40 dB 開始，隨著頻率增大總體呈遞增趨勢，增至約 55 dB；40～500 Hz 范圍振級從約 55 dB 開始，隨著頻率增大總體呈遞減趨勢，減至 0 dB?？傮w而言，地面 20 m 計算點處，0～40 Hz 3 種軌道結構的減振效果接近，40～500 Hz 范圍浮置板軌道減振效果較優(yōu)。

（6）圖 9 給出了 3 種軌道結構工況下地面30 m 計算點加速度響應對比圖。與圖 8 相比，圖 9 加速度振級普遍進一步降低，400 Hz 以上已衰減近 0，其中浮置板軌道已將 200 Hz 以上振動減弱近 0。彈性扣件軌道與彈性支承塊軌道工況下，0～10 Hz 范圍振級從約 95 dB 開始，隨著頻率增大總體呈遞減趨勢，減至約 40 dB；10～40 Hz 范圍振級從約 40 dB 開始，隨著頻率增大總體呈遞增趨勢，增至約 50 dB；40～500 Hz 振級從約 50 dB 開始，隨著頻率增大總體呈遞減趨勢，減至 0 dB。浮置板軌道工況下，0～10 Hz 范圍振級從約 95 dB 開始，隨著頻率增大總體呈遞減趨勢，減至約 30 dB；10～40 Hz 范圍振級從約 30 dB 開始，隨著頻率增大總體呈遞增趨勢，增至約 45 dB；40～500 Hz 范圍振級從約 45 dB 開始，隨著頻率增大總體呈遞減趨勢，減至 0 dB。總體而言，地面 30 m 計算點處，0～40 Hz 3 種軌道結構的減振效果接近，40～500 Hz 范圍浮置板軌道減振效果較優(yōu)。

圖 8 3 種軌道結構地面 20 m 計算點加速度振級

圖 9 3 種軌道結構地面 30 m 計算點加速度振級

圖 10 3 種軌道結構地面 50 m 計算點加速度振級

（7）圖 10 給出了 3 種軌道結構工況下地面 50 m 計算點加速度響應對比圖。由圖 10 可知，地面 50 m 計算點處，200 Hz 以上振動已衰減近 0，其中浮置板軌道已將 120 Hz 以上振動減弱為 0。彈性扣件軌道與彈性支承塊軌道工況下，0～10 Hz 范圍振級從約 80 dB開始，隨著頻率增大總體呈遞減趨勢，減至約 30 dB；10～40 Hz 范圍振級從約 30 dB 開始，隨著頻率增大總體呈遞增趨勢，增至約 37 dB；40～500 Hz 振級從約 37 dB 開始，隨著頻率增大總體呈遞減趨勢，減至 0 dB。浮置板軌道工況下，0～10 Hz 范圍振級從約 80 dB 開始，隨著頻率增大總體呈遞減趨勢，減至約 20 dB；10～40 Hz 范圍振級從約 20 dB 開始，隨著頻率增大總體呈遞增趨勢，增至約 35 dB；40～500 Hz 范圍振級從約 35 dB 開始，隨著頻率增大總體呈遞減趨勢，減至 0 dB。總體而言，地面 50 m 計算點處，0～40 Hz 3 種軌道結構的減振效果接近，40～500 Hz 范圍浮置板軌道減振效果較優(yōu)。

（8）圖 11 給出了 3 種軌道結構工況下地面 70 m 計算點加速度響應對比圖。由圖 11 可知，地面 70 m 計算點處，100 Hz 以上振動已衰減近 0，其中浮置板軌道已將 60 Hz 以上振動減弱為 0。彈性扣件軌道與彈性支承塊軌道工況下，0～10 Hz 范圍振級從約 75 dB開始，隨著頻率增大總體呈遞減趨勢，減至約 10 dB；10～40 Hz 范圍振級從約 10 dB 開始，隨著頻率增大總體呈遞增趨勢，增至約 17 dB；40～500 Hz 振級從約 17 dB 開始，隨著頻率增大總體呈遞減趨勢，減至 0 dB。浮置板軌道工況下，0～10 Hz 范圍振級從約 75 dB 開始，隨著頻率增大總體呈遞減趨勢，減至約 7 dB；10～40 Hz 范圍振級從約 7 dB 開始，隨著頻率增大總體呈遞增趨勢，增至約 15 dB；40～500 Hz 范圍振級從約 15 dB 開始，隨著頻率增大總體呈遞減趨勢，減至 0 dB。總體而言，地面 70 m計算點處，0～40 Hz 3 種軌道結構的減振效果接近，40～500 Hz 范圍浮置板軌道減振效果較優(yōu)。

圖 11 3 種軌道結構地面 70 m 計算點加速度振級

圖 12 3 種軌道結構地面 90 m 計算點加速度振級

圖 13 3 種軌道結構地面 110～170 m 計算點加速度振級

（9）圖 12 給出了 3 種軌道結構工況下地面 90 m計算點加速度響應對比圖。由圖 12 可知，地面 90 m 計算點處，50 Hz 以上振動已衰減近 0。彈性扣件軌道與彈性支承塊軌道工況下，0～10 Hz 范圍振級從約 72 dB 開始，隨著頻率增大總體呈遞減趨勢，減至約 5 dB；10～40 Hz 范圍振級維持在 0～5 dB 范圍；40～500 Hz 振級從約 5 dB 開始，隨著頻率增大總體呈遞減趨勢，減至約 0 dB。浮置板軌道工況下，0～10 Hz 范圍振級從約 72 dB 開始，隨著頻率增大總體呈遞減趨勢，減至約 2 dB；10～25 Hz 范圍振級從約 2 dB 開始，隨著頻率增大總體呈遞增趨勢，增至約 5 dB；25～500 Hz 范圍振級從約 5 dB 開始，隨著頻率增大總體呈遞減趨勢，減至0 dB?？傮w而言，地面 90 m 計算點處，各頻域內 3 種軌道減振效果相近。

（10）圖 13 給出了 3 種軌道結構工況下地面 110～170 m 計算點加速度響應對比圖。由圖 13 可知，110～170 m 計算點內振動以 10 Hz 以內振動為主，從 110 m 計算點開始， 10 Hz 以上振動衰減為 0。

通過圖 5～圖13 中的數(shù)據(jù)對比可見，0～1 Hz 以內的振級，浮置板軌道工況要大于彈性支承塊和彈性扣件軌道工況，1 Hz 附近的振級最大；20～40 Hz 內的振級，浮置板軌道工況略大于彈性扣件軌道工況，彈性扣件軌道工況略大于彈性支承塊軌道工況；1～20 Hz 和 40～500 Hz 頻段，浮置板軌道工況減振效果優(yōu)于彈性支承塊軌道工況，彈性支承塊軌道工況減振效果優(yōu)于彈性扣件軌道工況。

3 結論

本文通過 ANSYS 有限元仿真模型以及輪軌耦合模擬地鐵振動，分析了彈性扣件、彈性支承塊、浮置板 3種典型軌道下的加速度響應、速度響應、計算點距隧道中心水平方向距離、振動頻率之間的關系，得出結論如下。

（1）速度響應方面。計算點距隧道中心水平方向 0～20 m 范圍內，浮置板軌道減振效果優(yōu)于彈性支承塊，彈性支承塊軌道減振效果優(yōu)于彈性扣件軌道；地面計算點距隧道中心水平方向 20～80 m 范圍內，彈性支承塊軌道減振效果優(yōu)于浮置板和彈性扣件軌道，彈性扣件軌道減振效果優(yōu)于浮置板軌道；地面計算點距隧道中心水平方向 80～170 m 范圍內，彈性支承塊和彈性扣件軌道減振效果相似，都優(yōu)于浮置板軌道。

（2）加速度響應方面。計算點距隧道中心水平方向 0～100 m 范圍內，浮置板軌道減振效果優(yōu)于彈性支承塊軌道，彈性支承塊軌道減振效果優(yōu)于彈性扣件軌道；計算點距隧道中心水平方向 100～170 m 范圍內，彈性支承塊和彈性扣件軌道減振效果相似，都優(yōu)于浮置板軌道。

（3）振動頻率方面。0～1 Hz 以內浮置板軌道的振動響應略大于彈性支承塊和彈性扣件軌道。20～40 Hz，浮置板軌道振動響應略大于彈性扣件軌道和彈性支承塊軌道；彈性支承塊和彈性扣件軌道減振效果相似，都優(yōu)于浮置板軌道，優(yōu)先選擇彈性支承塊軌道。1～20 Hz 和40～500 Hz，浮置板軌道減振效果優(yōu)于彈性支承塊軌道，彈性支承塊軌道減振效果優(yōu)于彈性扣件軌道。

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