時速350 km高速列車下穿機(jī)場對跑道區(qū)道面的影響

吳雪 周興龍 鐘瑞 趙才友

1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都610031；2.成都地鐵運營有限公司，成都610031

近年來，軌道交通線路下穿或鄰近機(jī)場的情況越來越多，引起的振動噪聲問題日益嚴(yán)重。飛機(jī)起降對機(jī)場道面的要求極高，而高速列車經(jīng)過下穿機(jī)場隧道引起道面結(jié)構(gòu)的振動會與飛機(jī)豎向振動相互影響，構(gòu)成復(fù)雜的飛機(jī)-道面耦合振動問題，直接影響道面結(jié)構(gòu)的承載能力以及飛機(jī)運行的安全性。目前暫無相關(guān)資料明確指出高速鐵路運營與機(jī)場運營之間的影響關(guān)系，有待開展研究。

針對列車誘發(fā)的環(huán)境振動問題，主要是從現(xiàn)場實測、理論仿真兩方面進(jìn)行研究。彭也也、肖桂元、袁揚等［1-3］通過實測列車引起的環(huán)境振動響應(yīng)，認(rèn)為地面振動加速度頻譜幅值隨振源距離的增加呈現(xiàn)波動衰減的趨勢。劉騰等［4］通過對高速鐵路路基區(qū)段地面振動的實測分析，指出地面振動呈波動式變化，遠(yuǎn)離振源處以低頻振動為主。李平等［5］對高速鐵路振源及環(huán)境振動進(jìn)行了現(xiàn)場測試，認(rèn)為高速列車誘發(fā)高架曲線段振源振動強(qiáng)度明顯高于直線段，橋面Z振級遠(yuǎn)高于隧道壁Z振級。馬蒙、謝鎣松等［6-7］對地鐵沿線精密儀器所受的影響進(jìn)行了研究。嚴(yán)濤等［8］分析了大地的振動響應(yīng)特征以及隧道埋深對地面振動的影響。張啟樂等［9-10］研究了行車速度、土體彈性模量、隧道凈距、隧道埋深與角度對地面振動的影響。崔高航等［11］采用半解析有限元法建立了列車-軌道-地基土相互作用模型，為計算列車引起的沿線場地環(huán)境振動提供了新思路。上述研究均未涉及對特殊地面的分析。

成自（成都—自貢）高速鐵路是世界上首條以時速350 km下穿機(jī)場跑道的高速鐵路。本文以此為背景建立仿真預(yù)測模型，研究列車引起的振動對跑道的影響，為機(jī)場環(huán)境振動預(yù)測與評估提供理論依據(jù)。

1 模型的建立

成自鐵路天府機(jī)場段設(shè)計行車速度350 km/h；最小曲線半徑一般地段為7 000 m，困難地段為5 500 m；最大坡度一般地段為20‰，困難地段為30‰。正線總長7.84 km，包括車站和區(qū)間隧道。車站為地下二層三洞七跨雙島式車站，有效站臺長450 m。區(qū)間隧道位于車站兩側(cè)，總長6.23 km，埋深約14 m。線路下穿機(jī)場飛行區(qū)、滑行道、消防通道、航空貨運區(qū)、停機(jī)坪等區(qū)域。

列車運行引起的環(huán)境振動影響因素眾多，涉及跑道、土體、隧道、軌道等，因此建模時將整個系統(tǒng)分解成兩部分，分別為：①車輛-軌道-隧道剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)子系統(tǒng)；②軌道-隧道-土體-跑道三維環(huán)境振動預(yù)測子系統(tǒng)。

1.1 車輛-軌道-隧道剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型

采用分層建模的思想，自上往下依次為車輛、鋼軌、扣件、道床板、減振墊、底座板、下部基礎(chǔ)體系。

車輛選用CRH380B型客車，其中車體、轉(zhuǎn)向架、輪對均近似處理為剛體，一系和二系懸掛阻尼考慮為黏性阻尼，一系彈簧、二系彈簧以及輪軌接觸的赫茲彈簧考慮為線性彈簧。車體內(nèi)各部件之間通過施加約束以限制其相對運動。

結(jié)合工程實際，選用CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)。建模時，鋼軌采用鐵木辛柯梁模擬以提高計算精度。為了反映鋼軌實際的支承特性，模型中鋼軌的支承考慮為離散點支承，扣件系統(tǒng)考慮為彈簧-阻尼系統(tǒng)；采用實體結(jié)構(gòu)模擬道床板與底座板。在建立減振型無砟軌道模型時，其他部件的建模參數(shù)及過程與前述相同，僅在道床板與底座板之間增設(shè)橡膠減振墊，將其考慮為彈簧-阻尼系統(tǒng)?？奂g距600 mm，剛度取25 kN/mm；減振墊層面剛度取0.046 N/mm3；道床板長6.40 m，寬2.80 m，厚0.26 m；底座板長6.40 m，寬2.80 m，厚0.21 m。其他參數(shù)見表1。

表1 剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型參數(shù)

模型中，在垂向平面內(nèi)將輪軌接觸簡化為赫茲接觸。這是因為考慮到輪軌間的接觸行為是連接車輛系統(tǒng)和軌道結(jié)構(gòu)的紐帶，在多數(shù)情況下接觸彈簧只起到聯(lián)系及耦合車輛系統(tǒng)和軌道結(jié)構(gòu)的作用，彈簧剛度誤差對計算結(jié)果的影響較小。此外，非線性赫茲接觸彈簧會大幅提高動力分析的難度，計算繁瑣，效率低。

中國高速鐵路不平順譜是對中國已建成高速鐵路進(jìn)行測試基礎(chǔ)上統(tǒng)計而成的。為了較為真實地反映實際情況，本文采用中國高速無砟軌道譜模擬軌道不平順。

借助多體動力學(xué)軟件Universal Mechanism（UM）和有限元分析軟件ANSYS對車輛、軌道結(jié)構(gòu)、隧道進(jìn)行聯(lián)合仿真。采用有限元軟件ANSYS建立下部軌道及隧道模型。有限元模型中利用自由度縮減得到的矩陣結(jié)果文件以柔性子系統(tǒng)的形式導(dǎo)入多體動力學(xué)軟件，與車輛進(jìn)行耦合，形成剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型。在仿真過程中，柔性子系統(tǒng)在鉸和力元的作用下與其他部件進(jìn)行信息交互。

1.2 軌道-隧道-土體-跑道三維環(huán)境振動預(yù)測模型

隧道下穿跑道區(qū)范圍內(nèi)，隧址區(qū)上覆第四系全新統(tǒng)坡殘積層，下部為侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組泥巖夾砂巖；隧道頂部距離地面14 m，底部位于中風(fēng)化泥巖夾砂巖地層。地質(zhì)勘測資料顯示，從地面自上而下土體類型依次為粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化泥巖夾砂巖、強(qiáng)風(fēng)化泥巖夾砂巖、中風(fēng)化泥巖夾砂巖。

土體介質(zhì)的分層特性及動力特性決定傳播介質(zhì)的材料阻抗以及彈性波傳播模式。為了在數(shù)值仿真計算中充分考慮土體介質(zhì)的分層特性，將土體簡化為水平分層均勻介質(zhì)，建立分層土體振動衰減模型。為了進(jìn)一步簡化計算，假定各個地層為均勻、各向同性體并且滿足相鄰?fù)翆娱g不會發(fā)生相對滑動的位移協(xié)調(diào)條件。土層材料計算參數(shù)見表2。

表2 土層材料計算參數(shù)

建模時，鋼軌采用梁單元模擬，扣件和橡膠減振墊采用彈簧單元模擬，其他部件如道床板、隧道、土體等均采用實體單元模擬。通過在土體兩側(cè)橫斷面和底面延伸一層實體單元來設(shè)置三維一致黏彈性人工邊界條件［12-14］，邊界單元等效剪切模量為0.33 MPa，彈性模量為6.65 MPa。模型關(guān)鍵區(qū)域網(wǎng)格尺寸為0.5 m，非關(guān)鍵區(qū)域網(wǎng)格尺寸為0.8 m，共1 260 560個單元，1 341 516個節(jié)點；步長0.000 5 s，共模擬2 000個時間步長。計算模型如圖1所示。

圖1 軌道-隧道-土體-跑道三維計算模型（單位：m）

2 評價標(biāo)準(zhǔn)與觀測點布置

目前缺乏高速鐵路下穿機(jī)場跑道的振動控制標(biāo)準(zhǔn)，而機(jī)場跑道有嚴(yán)格控制地面振動水平的必要性。綜合參考JGJT 170—2009《城市軌道交通引起建筑物振動與二次輻射噪聲限值及其測量方法標(biāo)準(zhǔn)》、GB 10070—1988《城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)》、TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》，為了保證飛機(jī)的正常運行，保證機(jī)場跑道精密儀器的正常工作，參照第0類特殊住宅區(qū)的夜間限值對機(jī)場跑道振動水平進(jìn)行評估，即機(jī)場跑道區(qū)地面最大Z振級不超過62 dB；采用地面水平振動速度評價列車運行引發(fā)的振動響應(yīng)及其對周邊設(shè)備的影響；參考韋華建［15］的研究結(jié)果，水平振動速度應(yīng)小于2 cm/s。

在地面設(shè)置觀測點O1、O2、O3，其距離線路中心線分別為0、10、20 m，即O1點在線路中心線的正上方，如圖2所示。

圖2 觀測點示意（單位：m）

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 輪軌相互作用力

在車輛-軌道-隧道剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，提取輪軌相互作用力作為軌道-隧道-土體-跑道三維模型的輸入荷載，進(jìn)行環(huán)境振動的計算。由于成自鐵路兼顧高速鐵路和城際快線的功能，因此分別計算列車以250、300、350 km/h通過隧道時的輪軌相互作用力。計算結(jié)果見表3。

表3 輪軌相互作用力

由表3可知：①列車運行速度從250 km/h提高到300 km/h，輪軌垂向、橫向力最大值增幅分別為7.0%、7.2%；列車運行速度從300 km/h提高到350 km/h，輪軌垂向、橫向力最大值增幅分別為0.6%、0.3%。輪軌相互作用力隨著車速的增加而增大，這是因為車速的提高導(dǎo)致輪軌相互作用增強(qiáng)，引起車輛與軌道系統(tǒng)振動加劇。②普通軌道和減振軌道的計算結(jié)果相差不大，說明減振墊層對車輛動力響應(yīng)影響很小。這主要是由于扣件的剛度較小，減振墊層對整體剛度影響很小，而道床板質(zhì)量較大，因此道床板下的剛度改變對輪軌相互作用影響很小。

3.2 地面振動響應(yīng)

3.2.1 地面測點垂向振動

為滿足地面環(huán)境振動的預(yù)測需求，對4～200 Hz頻段的振級進(jìn)行分析。對時域加速度值進(jìn)行Z振級處理，得到1/3倍頻程中心頻率對應(yīng)的垂向振動加速度振級，由此可統(tǒng)計得出振動能量在各頻帶內(nèi)的分布情況。跑道區(qū)地面測點垂向最大Z振級的計算結(jié)果見圖3。

圖3 地面測點垂向最大Z振級

從圖3可知：地面測點垂向最大Z振級的極大值出現(xiàn)在線路中心線正上方的O1點；對于同一測點，地面測點最大Z振級隨列車運行速度的增加而增大；同一車速下，垂向振動隨與線路中心線的水平距離的增加而衰減；由普通軌道計算出的地面測點垂向最大Z振級大部分超過GB 10070—1988規(guī)定的限值，而使用減振軌道可使地面測點垂向最大Z振級減小10.0～10.5 dB，能夠滿足GB 10070—1988限值要求。

車輛以350 km/h通過時，線路中心線正上方的O1點垂向Z振級1/3倍頻程結(jié)果見圖4。

圖4 線路中心線正上方地面測點垂向Z振級

從圖4可知：列車運行速度越高引發(fā)的地面振動響應(yīng)越大，時速350、300、250 km時引發(fā)的地面振動響應(yīng)依次減小，垂向Z振級分別為65.6、64.7、62.7 dB；隨車速增加，垂向振動主頻有向高頻移動的趨勢。

3.2.2 地面測點水平振動

列車通過時，各地面測點在不同軌道條件下水平振動速度見表4。

表4 地面測點水平振動速度

由表4可知，地面測點水平振動速度的極大值出現(xiàn)在線路中心線正上方，其值為0.220 mm/s，遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)要求的2 cm/s。這說明列車運行對機(jī)場跑道水平振動影響很小，不會影響飛機(jī)正常運行。

為了進(jìn)一步研究行車速度對環(huán)境水平振動的影響，選取線路中心線正上方的O1點，計算得到不同車速下水平振動響應(yīng)的時域和頻域變化曲線。結(jié)果見圖5、圖6?？芍孩佘囁僭礁?，水平振動速度峰值波動越大。列車運行引起的地面振動屬于低頻振動，幅值曲線存在多個峰值，主峰值隨車速增加而增大且主頻呈現(xiàn)出向高頻移動的趨勢，體現(xiàn)了土體的阻尼特性以及濾波作用。②與普通無砟軌道相比，鋪設(shè)橡膠減振墊后，水平振動速度大幅下降，進(jìn)一步證明減振措施的有效性。

圖5 線路中心線正上方水平振動速度時域變化曲線

圖6 線路中心線正上方水平振動速度最大值頻域變化曲線

4 結(jié)論

1）列車運行時，輪軌相互作用力隨著車速的增加而增大；普通軌道和減振軌道的輪軌相互作用力相差不大，減振墊層對車輛動力響應(yīng)影響很小。

2）列車通過下穿機(jī)場跑道的CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道誘發(fā)的跑道區(qū)地面振動響應(yīng)隨車速增加而增大。車速大于等于300 km/h時，垂向振動響應(yīng)顯著增強(qiáng)；列車運行對機(jī)場跑道水平振動影響很小。

3）列車通過時，地面垂向振動響應(yīng)隨著距振源的水平距離的增加而衰減，極大值出現(xiàn)在線路中心線的正上方。

4）采用普通軌道結(jié)構(gòu)時地面測點垂向最大Z振級超出限值，無法滿足環(huán)境振動要求；鋪設(shè)橡膠減振墊可使地面測點垂向最大Z振級減小10.0～10.5 dB，且水平振動速度大幅下降，能滿足地面環(huán)境振動要求。