廣州地鐵1號(hào)線橡膠浮置板道床服役性能評(píng)估

李秋義，羅 偉，朱 彬，王森榮，全順喜，李路遙

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063； 2.鐵路軌道安全服役湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430063)

1997年，浮置板道床引入國(guó)內(nèi)(內(nèi)地)，在廣州地鐵1號(hào)線首次應(yīng)用[1-4]，時(shí)至今日，其服役時(shí)間已長(zhǎng)達(dá)20年以上，開(kāi)行6節(jié)編組A型列車。廣州地鐵1號(hào)線浮置板道床以橡膠支座為隔振元件，考慮到在地下線路隧道內(nèi)的極端環(huán)境下(潮濕、臭氧等)，橡膠材料長(zhǎng)期服役中可能發(fā)生的老化、變形、破損直接關(guān)系到浮置板道床的安全服役和減振性能[5-7]，有必要對(duì)歷經(jīng)長(zhǎng)期服役后浮置板道床的各項(xiàng)性能進(jìn)行全面、系統(tǒng)的評(píng)估，故對(duì)廣州地鐵1號(hào)線浮置板道床開(kāi)展試驗(yàn)研究。

1 浮置板道床設(shè)計(jì)概況

廣州地鐵1號(hào)線正線共鋪設(shè)浮置板道床1 110 m，為單元式橡膠支座浮置板道床，每塊浮置板長(zhǎng)2.95 m，寬2.8 m，板中央最厚處0.335 m，邊緣處厚0.3 m，質(zhì)量約6.5 t。標(biāo)準(zhǔn)浮置板板底預(yù)制有4個(gè)圓形凹槽，安裝4個(gè)橡膠支座，橡膠支座為天然橡膠制品，直徑為400 mm，厚75 mm。橡膠支座設(shè)計(jì)靜剛度為12～16 kN/mm，側(cè)向緩沖膠墊橫向靜剛度為3.2～4.2 kN/mm[2]。浮置板道床地段扣件采用單趾彈簧扣件，軌道典型橫斷面如圖1所示。

圖1 廣州地鐵1號(hào)線浮置板道床典型橫斷面

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及分析

2.1 橡膠支座外觀檢測(cè)

對(duì)橡膠支座外觀的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)采用電子視頻內(nèi)窺鏡。如圖2所示，電子視頻工業(yè)內(nèi)窺鏡由顯示器、操縱桿、線纜、探頭四部分組成，其中，探頭一般由兩部分組成：光源和微型攝像機(jī)。內(nèi)窺鏡工作原理如下：微型攝像機(jī)在光源的照射下對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行拍攝，然后將拍攝到的圖像轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)由線纜輸送到顯示屏上顯示[8]。

圖2 工業(yè)用電子視頻內(nèi)窺鏡

采用“隔一抽一”的抽檢方法(隔一塊浮置板抽一塊浮置板進(jìn)行檢測(cè))，抽取了地鐵1號(hào)線50%的浮置板道床，對(duì)其橡膠支座進(jìn)行檢測(cè)。現(xiàn)場(chǎng)獲取的橡膠支座外觀圖像如圖3、圖4所示，外觀檢測(cè)主要結(jié)論如下：

圖3 橡膠支座外觀檢測(cè)圖像一

圖4 橡膠支座外觀檢測(cè)圖像二

①未見(jiàn)明顯的裂縫；

②未見(jiàn)明顯的破損掉塊；

③橡膠支座與道床板之間、與隧道基底之間均未見(jiàn)明顯的脫空、離縫；

④橡膠支座未見(jiàn)明顯的傾斜、偏移；

⑤檢測(cè)期間橡膠支座未見(jiàn)潮濕、泡水；

⑥部分橡膠支座出現(xiàn)表層龜裂、脫皮，約占檢測(cè)總量的11%。

2.2 橡膠支座實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)

采用“取一還一”的方式從廣州地鐵1號(hào)線獲取橡膠支座樣品3個(gè)，進(jìn)而對(duì)橡膠支座的力學(xué)性能參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，檢測(cè)項(xiàng)目包括：外觀尺寸、邵氏硬度、拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長(zhǎng)率、恒定壓縮永久變形、靜剛度和動(dòng)剛度。橡膠支座樣品如圖5所示，橡膠支座剛度檢測(cè)裝置如圖6所示。

圖5 橡膠支座樣品

圖6 橡膠支座剛度檢測(cè)裝置

橡膠支座力學(xué)性能參數(shù)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1，支座永久變形后尺寸與設(shè)計(jì)尺寸的差值小于1 mm，拉伸強(qiáng)度、靜剛度均滿足設(shè)計(jì)要求。橡膠支座材料邵氏硬度值較設(shè)計(jì)上限值增大約15%，拉斷伸長(zhǎng)率較設(shè)計(jì)下限值降低約9.5%，表明其在歷經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間服役后存在一定程度的硬化。

表1 橡膠支座力學(xué)性能參數(shù)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)結(jié)果

2.3 浮置板道床自振特性

本研究完成了浮置板道床自振特性的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，如圖7所示。地鐵1號(hào)線浮置板道床分塊長(zhǎng)度為2.95 m，共布置了3排測(cè)點(diǎn)，如圖8所示，每一排測(cè)點(diǎn)6個(gè)，每一測(cè)點(diǎn)安裝垂向加速度傳感器1個(gè)。采用剛性力錘作為激振設(shè)備，以測(cè)點(diǎn)3、測(cè)點(diǎn)4、測(cè)點(diǎn)15、測(cè)點(diǎn)16作為4個(gè)錘擊點(diǎn)。

圖7 浮置板道床自振特性現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

圖8 浮置板道床自振特性測(cè)試測(cè)點(diǎn)布置示意

采用隨機(jī)子空間法對(duì)浮置板道床的模態(tài)和模態(tài)參數(shù)進(jìn)行識(shí)別[9]，地鐵1號(hào)線浮置板道床1～7階模態(tài)對(duì)應(yīng)的自振頻率和阻尼測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2，1階固有頻率為33.9 Hz，對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)阻尼為6.866%。圖9所示為1～7階模態(tài)的振型相關(guān)矩陣，矩陣主對(duì)角元素均為1，其余元素的值都很小，表明經(jīng)識(shí)別得出的1～7階模態(tài)振型正交性好，識(shí)別結(jié)果具有較高的可信度。

圖9 振型相關(guān)矩陣

表2 浮置板道床1～7階固有頻率和阻尼

2.4 浮置板道床減振效果2.4.1 測(cè)試斷面及測(cè)點(diǎn)布置

結(jié)合線路、行車等資料，研究選取了2個(gè)斷面開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試(表3)。用以評(píng)價(jià)浮置板道床減振效果的加速度測(cè)點(diǎn)布置于隧道側(cè)壁距鋼軌頂面1.5 m處，現(xiàn)場(chǎng)安裝如圖10所示。所用加速度傳感器經(jīng)第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢定為合格品，量程為10 g，分辨率為0.000 4 m/s2。

表3 各測(cè)試斷面概況

圖10 隧道側(cè)壁垂向加速度傳感器現(xiàn)場(chǎng)安裝

2.4.2 測(cè)量量

對(duì)標(biāo)HJ453—2018《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 城市軌道交通》、GB10070—88《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》、GB10071—88《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)測(cè)量方法》，測(cè)量量采用列車通過(guò)過(guò)程中Z振級(jí)VLz的最大值[10-15]，即VLzmax，如圖11所示。

圖11 列車通過(guò)過(guò)程中Z振級(jí)VLz的典型時(shí)程曲線

分析頻率1～80 Hz，計(jì)權(quán)因子采用ISO2631/1—1985《人體全身振動(dòng)暴露的評(píng)價(jià)-第1部分：一般要求》規(guī)定的全身Z計(jì)權(quán)因子，見(jiàn)表4。

表4 ISO2631/1-1985規(guī)定的Z計(jì)權(quán)因子

針對(duì)一個(gè)過(guò)車事件的振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)，將其劃分為若干個(gè)1 s長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)段落(可考慮一定的重疊系數(shù))，計(jì)算每一段落數(shù)據(jù)Z振級(jí)VLz的方法詳述如下：對(duì)振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)時(shí)程數(shù)據(jù)做傅里葉變換，找出各中心頻率對(duì)應(yīng)頻帶內(nèi)的振動(dòng)分量，對(duì)找出的振動(dòng)分量做傅里葉逆變換，進(jìn)而可按式(1)求得各中心頻率對(duì)應(yīng)的加速度有效值aw。

(1)

式中，aw(t)為頻率位于某一中心頻率對(duì)應(yīng)頻帶內(nèi)的加速度數(shù)據(jù)，為時(shí)間函數(shù)；T為測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)度。

進(jìn)一步的Z振級(jí)VLz計(jì)算公式為

(2)

式中，Wj為第j個(gè)中心頻率對(duì)應(yīng)的計(jì)權(quán)因子；awj為第j個(gè)中心頻率對(duì)應(yīng)頻帶內(nèi)的加速度有效值；a0為基準(zhǔn)加速度，a0=10-6m/s2。

浮置板道床減振效果Δ計(jì)算公式如下

Δ=VLzmax1-VLzmax2

(3)

式中，VLzmax1為普通軌道地段列車通過(guò)過(guò)程中Z振級(jí)VLz的最大值；VLzmax2為浮置板道床地段列車通過(guò)過(guò)程中Z振級(jí)VLz的最大值。

2.4.3 測(cè)試結(jié)果[16-20]

列車經(jīng)過(guò)時(shí)刻，斷面1與斷面2隧道側(cè)壁垂向加速度級(jí)頻域分布對(duì)比如圖12所示，相較普通軌道，浮置板道床顯著降低了隧道側(cè)壁垂向加速度級(jí)，35 Hz以上為浮置板道床的有效減振頻段，35～80 Hz內(nèi)隧道側(cè)壁分頻振級(jí)較普通軌道最大減小16 dB，對(duì)應(yīng)頻率63 Hz。

圖12 不同斷面隧道側(cè)壁垂向加速度級(jí)頻域分布曲線

斷面1、斷面2隧道側(cè)壁VLzmax計(jì)算值見(jiàn)表5，浮置板道床減振效果測(cè)試結(jié)果為12.9 dB。

表5 斷面1、斷面2隧道側(cè)壁VLzmax計(jì)算值

2.5 浮置板道床動(dòng)態(tài)位移

在斷面2所在位置選取浮置板道床開(kāi)展動(dòng)態(tài)位移測(cè)試，測(cè)點(diǎn)布置如圖13所示，其中，鋼軌位移為鋼軌與道床的相對(duì)位移，道床位移為道床與隧道回填層的相對(duì)位移。所用位移傳感器經(jīng)第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢定為合格品，量程為±10 mm，精度可達(dá)0.01 mm。列車通過(guò)時(shí)刻浮置板道床動(dòng)態(tài)位移典型時(shí)程曲線如圖14所示，動(dòng)態(tài)位移曲線多處峰值反映了車輪經(jīng)過(guò)測(cè)試斷面時(shí)的沖擊作用。鋼軌、道床動(dòng)態(tài)位移幅值統(tǒng)計(jì)值見(jiàn)表6，浮置板垂向動(dòng)態(tài)位移幅值均值，板端為1.32 mm，板中為1.21 mm，小于CJJ/T 191—2012《浮置板道床技術(shù)規(guī)范》中限值3 mm。鋼軌垂向動(dòng)態(tài)位移幅值均值，板端為3.5 mm，板中為2.5 mm，小于《浮置板道床技術(shù)規(guī)范》中限值4 mm。

圖13 浮置板道床動(dòng)態(tài)位移測(cè)點(diǎn)平面布置

圖14 浮置板道床動(dòng)態(tài)位移典型時(shí)程曲線(道床垂向)

表6 鋼軌、道床動(dòng)態(tài)位移幅值統(tǒng)計(jì) mm

3 結(jié)論

結(jié)合實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)廣州地鐵1號(hào)線浮置板道床相關(guān)性能現(xiàn)狀進(jìn)行了系統(tǒng)研究，得出以下主要結(jié)論。

(1)浮置板道床橡膠支座除少部分表層龜裂、脫皮外，外觀狀態(tài)總體保持良好。

(2)除邵氏硬度、拉斷伸長(zhǎng)率測(cè)試結(jié)果反映出存在一定程度的硬化外，浮置板道床橡膠支座的其余力學(xué)性能指標(biāo)仍滿足設(shè)計(jì)要求。

(3)浮置板道床1階固有頻率測(cè)試結(jié)果為33.9 Hz，減振效果保持良好(可減振12.9 dB)，浮置板道床的有效減振頻段位于35 Hz以上。

(4)列車通過(guò)時(shí)刻，浮置板道床地段鋼軌、道床垂向位移幅值低于《浮置板道床技術(shù)規(guī)范》所給相關(guān)限值。

(5)綜合各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果表明，在服役時(shí)長(zhǎng)達(dá)20年后，浮置板道床的狀態(tài)總體保持良好，具備維持正常服役的條件。