地鐵常用減振軌道振動特性及減振效果對比研究

涂勤明

（廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣州 510010）

城軌列車導致的沿線建筑物振動和噪聲問題越來越引起關注，減振降噪成為城市軌道交通的一項主要研究內容［1］。目前地鐵常用的減振軌道包括中等減振扣件軌道、梯形軌枕軌道、鋼彈簧浮置板軌道等。

文獻［2］在地鐵典型路段進行現場試驗，根據地鐵引起的地面振動實況研究其振動特性及傳播規(guī)律；文獻［3］對地鐵彈性扣件進行落軸沖擊仿真分析，研究了3種典型扣件的減振性能；文獻［4］在成都地鐵對3 種扣件系統(tǒng)（GJ-Ⅲ，GJ-I，DTVI2）線路的軌道動態(tài)變形及振動進行了現場試驗，對比分析了軌道變形、軌道振動、道床與隧道壁振動；文獻［5-6］通過車輛-軌道-構造物系統(tǒng)化減振的論證，分析新減振理念的特征和必要性，并利用模擬計算和現場測試驗證了梯形軌枕在減振降噪方面的使用價值；文獻［7-10］運用動力學原理分析了浮置板軌道的隔振原理，根據國內外應用實例及實測結果驗證了浮置板軌道的減振降噪效果。文獻［11］實測了120 km/h 速度下地鐵扣件節(jié)點處鋼軌垂向位移，研究了行車速度及軌道不平順對地鐵扣件節(jié)點垂向位移的影響。

本文依托廣州地鐵，對中等減振扣件軌道、梯形軌枕軌道、鋼彈簧浮置板軌道、普通整體道床軌道路段4 種不同類型的軌道進行環(huán)境振動現場實測，對比研究3種常用減振軌道的減振特性和效果。

1 測點布置及測試儀器

在廣州地鐵選取線路埋深、坡度基本相同的4 個直線路段作為測試路段，其軌道類型分別為普通整體道床軌道、中等減振扣件軌道、梯形軌枕軌道、鋼彈簧浮置板軌道。在4 個測試路段分別選1 個斷面布設測點，見圖1。其中，在鋼軌、道床、隧道壁3個部位各布置2 個振動加速度測點，分別測試3 個部位的垂向、橫向振動加速度；在左右股鋼軌上各布置2 個位移測點，分別測試鋼軌垂向位移和軌頭橫向位移。

圖1 測點布置

測試儀器包括加速度傳感器、位移傳感器、數據采集儀及電腦等。其中加速度傳感器為CF0162 壓電式電壓型加速度傳感器，測試頻響范圍為0.3～5 000 Hz。根據列車通過時振動響應大小的不同，鋼軌、道床、隧道壁的加速度傳感器量程分別為500g，50g，2g（g為重力加速度）。

2 測試評價標準

我國在ISO 2631 系列規(guī)范的基礎上，結合大量國內科研成果，制定了GB/T 13441 系列標準。作為我國環(huán)境振動研究行業(yè)規(guī)范的指導性準則，GB/T 13441 系列標準制定了嚴密的振動評價體系和指標，適用于不同范圍或情況，對不同方向、不同頻率的振動規(guī)定了不同的計權系數。

對隧道內振動數據進行分析時，根據規(guī)范［12］選用GB/T 13441 系列標準中垂直方向（Z向）的計權方式，修正后的振級即為Z振級，其計算公式為

式中：VLZ為振動計權加速度級（Z振級）；Li為每個頻率的振動加速度級；ai為各頻帶的計權因子。

目前最常用的是以1～80 Hz 頻率的Z振級插入損失ΔL作為減振措施的評價量，其計算公式為

式中：VLZ1，VLZ2分別為無減振措施、有減振措施時的Z振級。

3 振動加速度測試及分析

根據文獻［12-13］及現場實際情況，統(tǒng)計20 趟地鐵列車通過各測點時的振動加速度數據并進行時域和頻域分析。地鐵列車通過普通整體道床軌道、中等減振扣件軌道、梯形軌枕軌道、鋼彈簧浮置板軌道的測點時平均速度分別為83，67，86，79 km/h。

3.1 時域分析

3.1.1 振動加速度

以各測點20 趟地鐵列車通過時振動加速度最大值的平均值作為該測點的振動加速度，見表1。

表1 列車通過時不同類型軌道的振動加速度m·s-2

從表1可以看出：①普通整體道床軌道、梯形軌枕軌道、鋼彈簧浮置板軌道鋼軌的振動加速度相差不大，中等減振扣件軌道明顯偏小。這是因為中等減振扣件軌道測點的地鐵列車運行速度較小，導致其鋼軌振動加速度尤其是鋼軌橫向振動加速度偏小。②中等減振扣件軌道的道床振動加速度小于普通整體道床軌道，而梯形軌枕軌道、鋼彈簧浮置板軌道明顯大于普通整體道床軌道。③鋼彈簧浮置板軌道的隧道壁振動加速度明顯小于另外3種軌道類型。

3.1.2Z振級

以各測點20趟地鐵列車通過時1～80 Hz的Z振級平均值作為該測點的Z振級，見表2。

表2 列車通過時不同類型軌道的Z振級 dB

從表2可以看出：①3種減振軌道的鋼軌Z振級均比普通整體道床軌道略小。②3 種減振軌道的道床板Z振級均大于普通整體道床軌道，其中鋼彈簧浮置板軌道最大，中等減振扣件軌道最小。③3 種減振軌道的隧道壁Z振級均小于普通整體道床軌道，其中中等減振扣件軌道最大，鋼彈簧浮置板軌道最小。因此，減振效果最好的是鋼彈簧浮置板軌道，其次是梯形軌枕軌道，最后是中等減振扣件軌道。

3.2 頻域分析

3.2.1 1/3倍頻程分析

對各測點測得的振動加速度進行1/3 倍頻程分析，得到該測點的振動加速度級頻譜，見圖2。

圖2 不同類型軌道振動加速度1/3倍頻程頻譜

從圖2 可以看出：①在1～800 Hz 頻域，3 種減振軌道的鋼軌垂向加速度級均小于普通整體道床軌道，且鋼彈簧浮置板軌道小于中等減振扣件軌道；在100～160 Hz 頻域，梯形軌枕軌道和普通整體道床軌道接近。②在1～800 Hz 頻域，3 種減振軌道的鋼軌橫向加速度級均小于普通整體道床軌道；在80～400 Hz頻域，梯形軌枕軌道和普通整體道床軌道接近。③在1～800 Hz頻域，鋼彈簧浮置板軌道的道床板垂向加速度級明顯大于普通整體道床軌道；在1～400 Hz 頻域，中等減振扣件軌道、梯形軌枕軌道扣件軌道均大于普通整體道床軌道，而在400～800 Hz頻域均小于普通整體道床軌道。④在1～800 Hz頻域，鋼彈簧浮置板軌道的道床板橫向加速度級明顯大于普通整體道床軌道；中等減振扣件軌道小于普通整體道床軌道；梯形軌枕軌道與普通整體道床軌道差別不大。⑤在1～800 Hz 頻域，3 種減振軌道的隧道壁垂向、橫向加速度級均明顯小于普通整體道床軌道。因此，鋼彈簧浮置板軌道減振效果最好。

3.2.2 插入損失

一般采用隧道壁的插入損失來評價軌道的減振性能。3種減振軌道的隧道壁垂向插入損失見圖3。

圖3 不同軌道類型隧道壁垂向插入損失

從圖3 可以看出：在1～25 Hz 頻域，3 種減振軌道的隧道壁垂向插入損失均保持平穩(wěn)；在25～160 Hz 頻域，3 種減振軌道的隧道壁垂向插入損失出現不同程度的下降，其中鋼彈簧浮置板軌道下降幅度最大、梯形軌枕軌道次之、中等減振扣件軌道下降幅度最??；在160～800 Hz頻域，中等減振扣件軌道的插入損失基本保持平穩(wěn)，而梯形軌枕軌道和鋼彈簧浮置板軌道的插入損失先上升然后下降。因此，在低頻段3 種減振軌道減振效果均保持平穩(wěn)，鋼彈簧浮置板軌道優(yōu)于另外2種減振軌道；在高頻段梯形軌枕軌道、鋼彈簧浮置板軌道減振性能明顯優(yōu)于中等減振扣件軌道。

4 鋼軌動態(tài)變形測試及分析

地鐵列車通過各測點時，位移傳感器測得左右股鋼軌垂向位移和軌頭橫向位移，得出鋼軌垂向位移（負號表示向下）和軌距變化的最大值，見表3。

表3 列車通過時不同類型軌道的鋼軌動態(tài)變形 mm

從表3 可以看出：①中等減振扣件軌道的鋼軌垂向位移比普通整體道床軌道大62.36%，梯形軌枕軌道和鋼彈簧浮置板軌道比普通整體道床軌道分別小5.75%，14.37%。②中等減振扣件軌道、梯形軌枕軌道、鋼彈簧浮置板軌道的軌距變化分別比普通整體道床軌道大66.21%，26.94%，12.29%。顯然，中等減振扣件軌道的鋼軌動態(tài)變形增大明顯。這是由于其減振效果主要是通過減振扣件實現，而減振扣件的剛度比普通扣件剛度小，導致鋼軌動態(tài)變形增大。

5 結論

本文在廣州地鐵選取4種軌道類型分別為中等減振扣件軌道、梯形軌枕軌道、鋼彈簧浮置板軌道、普通整體道床軌道的路段進行了環(huán)境振動現場實測，對比分析了地鐵列車通過時4種軌道的鋼軌、道床、隧道壁振動加速度（垂向、橫向）及鋼軌動態(tài)變形（垂向、橫向）。結論如下：

1）普通整體道床軌道、梯形軌枕軌道、鋼彈簧浮置板軌道鋼軌的振動加速度相差不大，中等減振扣件軌道因其通過車速偏小而鋼軌振動加速度明顯偏小；中等減振扣件軌道的道床振動加速度小于普通整體道床軌道，另外2 種減振軌道明顯大于普通整體道床軌道；鋼彈簧浮置板軌道的隧道壁振動加速度明顯小于其他軌道；

2）從Z振級角度看，鋼彈簧浮置板軌道減振效果最好，其次是梯形軌枕軌道，中等減振扣件軌道最差。

3）從1/3 倍頻程分析看，鋼彈簧浮置板軌道減振效果明顯好于另外2種減振軌道。

4）從隧道壁垂向插入損失看，在低頻段3 種減振軌道減振效果均保持平穩(wěn)，鋼彈簧浮置板軌道優(yōu)于另外2 種減振軌道；在高頻段，梯形軌枕軌道、鋼彈簧浮置板軌道減振性能明顯優(yōu)于中等減振扣件軌道。

5）中等減振扣件軌道的鋼軌動態(tài)變形明顯大于其他軌道。