無錫地鐵整體硫化壓縮型減振扣件段環(huán)境振動特性研究

蘇 劼，馬龍祥，汪 樂，李弘毅

(1.無錫地鐵集團有限公司，江蘇無錫 214100； 2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 610031； 3.中設(shè)設(shè)計集團股份有限公司，南京 210014)

引言

隨著我國軌道交通的快速發(fā)展，全國各地地鐵里程迅速增長。地鐵在為城市居民帶來諸多便利的同時，其列車運行產(chǎn)生的振動對周邊環(huán)境也產(chǎn)生了一定的負(fù)面影響[1-3]。因此，如何減少地鐵列車引起的環(huán)境振動已成為地鐵設(shè)計中備受重視的環(huán)節(jié)[4-5]。

近年來，國內(nèi)眾多學(xué)者對不同軌道配置條件下的地鐵振動特性進(jìn)行了研究。王志強等[6]針對GJ-Ⅲ型扣件地鐵區(qū)段開展了現(xiàn)場測試，分析采用不同減振措施后地鐵的振動特性及相應(yīng)減振措施的減振效果，發(fā)現(xiàn)GJ-Ⅲ型扣件相對于DTVI2型扣件具有顯著減振效果；馮青松等[7]對普通扣件和減振扣件下列車運行引發(fā)的地表振動進(jìn)行現(xiàn)場實測與數(shù)值模擬分析，研究減振扣件的減振效果發(fā)現(xiàn)，采用減振扣件后，道床振動峰值降低且低頻頻段偏移，隧道壁上減振扣件在卓越頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)振動放大現(xiàn)象；李克飛等[8]對鋼彈簧浮置板軌道進(jìn)行現(xiàn)場測試，得出鋼彈簧浮置板軌道對低頻段振動衰減較高頻段更差的結(jié)論；劉維寧等[9]對Ⅲ型與Ⅳ型軌道減振器扣件軌道的振動加速度進(jìn)行了現(xiàn)場測試，發(fā)現(xiàn)他們的響應(yīng)在300 Hz附近有明顯放大現(xiàn)象，且車軌共振明顯；翟輝等[10]通過有限元模擬研究了地鐵鋼彈簧浮置板段列車運行產(chǎn)生的地表低頻響應(yīng)，得出了地表低頻豎向振動隨距離增加衰減，且在軌道結(jié)構(gòu)自然頻率處取得最大值的結(jié)論。

國內(nèi)外學(xué)者及相關(guān)工程人員對城市軌道交通中普遍使用的各種減振軌道的減振性能均開展了相關(guān)研究，卓有成效，為相關(guān)減振軌道的應(yīng)用積累了大量經(jīng)驗。無錫地鐵在現(xiàn)今普遍使用的壓縮型扣件基礎(chǔ)上，較為廣泛地采用了一種我國自主研發(fā)的整體硫化壓縮型減振扣件[11]作為環(huán)境振動敏感區(qū)段的地鐵減振措施。雖然目前已有大量關(guān)于普通壓縮型減振扣件地鐵區(qū)段環(huán)境振動的研究，且對其減振性能已有較為深入的認(rèn)識，但仍然缺乏針對無錫地鐵新型整體硫化壓縮型減振扣件應(yīng)用情況下地鐵區(qū)段環(huán)境振動特性的定量研究。在此背景下，針對無錫地鐵整體硫化壓縮型減振扣件軌道段，應(yīng)用基于周期-無限結(jié)構(gòu)理論的車軌動力耦合模型[12]及軌道-隧道-地層耦合系統(tǒng)的2.5維數(shù)值模型，系統(tǒng)分析了地鐵列車在其上運行時誘發(fā)軌道、隧道及大地的振動響應(yīng)規(guī)律，進(jìn)而明確了整體硫化壓縮型減振扣件地鐵段的列車振動傳播特性。研究成果可為新型整體硫化壓縮型減振扣件在地鐵減振中的應(yīng)用提供一定參考。

1 無錫地鐵整體硫化壓縮型減振扣件

減振軌道在我國已有二十余年的應(yīng)用經(jīng)驗，目前，為滿足高等和特殊減振需求采用道床減振，而對于中等減振則采用扣件減振[13]。我國常用的地鐵減振扣件分為剪切型扣件與壓縮型扣件。剪切型扣件利用橡膠的剪切變形為扣件系統(tǒng)提供彈性，具有良好的減振效果，但容易導(dǎo)致鋼軌發(fā)生不同程度的異常波磨，進(jìn)而引起輪軌系統(tǒng)強烈振動及車輛與軌道零部件的疲勞破壞[14-16]。與剪切型扣件相對應(yīng)，壓縮型扣件利用橡膠的壓縮變形為扣件系統(tǒng)提供彈性，已取得一定的減振效果，能較好地避免地鐵運營中鋼軌異常波磨的產(chǎn)生[16]。我國DT系列與GJ-Ⅲ型等未經(jīng)整體硫化的普通壓縮型減振扣件[17-18]以及LORD扣件等整體硫化的壓縮型減振扣件[18]均得到了較多應(yīng)用。相較于普通壓縮型減振扣件，整體硫化壓縮型減振扣件采用整體硫化彈性鐵墊板結(jié)構(gòu)，將彈性鐵墊板中大部分橡膠與空氣隔離，不僅具有彈性均勻、軌道平順性好、使用壽命長等優(yōu)點，還能為扣件系統(tǒng)提供更好的彈性，從而更為有效及穩(wěn)定地降低列車運營產(chǎn)生的振動與噪聲[19]。因此，整體硫化壓縮型減振扣件在我國地鐵線路中具有良好的應(yīng)用前景。

目前，我國地鐵中應(yīng)用的整體硫化壓縮型減振扣件仍以美國LORD扣件為主，而無錫地鐵在滿足與部分軌道部件互換通用的前提下，為緩解鋼軌磨損并提高軌道平順性，較為廣泛地使用了一種我國自主研發(fā)的新型整體硫化壓縮型減振扣件。該新型整體硫化壓縮型減振扣件豎向剛度12 kN/mm，阻尼系數(shù)3×104N·s/m，其現(xiàn)場應(yīng)用情況如圖1[11]所示。關(guān)于該新型整體硫化壓縮型減振扣件應(yīng)用效果的定量研究還十分缺乏，因此，有必要對其應(yīng)用的地鐵環(huán)境振動特性進(jìn)行專門研究。

圖1 無錫地鐵研發(fā)的整體硫化壓縮型減振扣件[11]

2 依托工程概況及動力計算模型

以無錫地鐵某區(qū)段為依托工程，研究地鐵整體硫化壓縮型減振扣件段的環(huán)境振動特性。該區(qū)段隧道埋深20 m，管片內(nèi)徑2.7 m，外徑3.1 m，左右線中心距離17 m，地層自上到下依次為①1雜填土、③1黏土、③2粉質(zhì)黏土夾砂質(zhì)粉土、⑤1粉質(zhì)黏土、⑥1黏土、⑥2黏土和⑦1粉質(zhì)黏土。隧道埋置于⑥1黏土層中，地層及隧道結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)見表1。區(qū)段運行列車為6節(jié)編組B型車，運行速度為60 km/h。

為實現(xiàn)研究目的，同時兼顧計算效率，按以下兩步驟分析地鐵整體硫化壓縮型減振扣件段的環(huán)境振動特性。首先，建立地鐵車輛與整體硫化壓縮型扣件軌道的垂向動力耦合模型，并輸入軌道不平順，以解算出地鐵車輛在軌道上運行時產(chǎn)生的輪軌力；然后，建立研究區(qū)段軌道-隧道-地層耦合系統(tǒng)的2.5維數(shù)值模型，并輸入第一步求得的輪軌力，將其施加于軌道上，以求解軌道-隧道-地層耦合系統(tǒng)的振動響應(yīng)，從而獲得運行列車引發(fā)環(huán)境振動的量值及傳播規(guī)律。

地鐵車輛在減振軌道上運行時產(chǎn)生的輪軌力采用基于周期-無限結(jié)構(gòu)理論的車軌動力耦合模型來計算，軌道不平順采用美國5級譜進(jìn)行模擬。具體地，由于整體硫化壓縮型減振扣件軌道為整體道床軌道，采用以扣件間距L為周期的單層離散支撐軌道模型來模擬，其中，鋼軌被模擬為無限長Euler梁，整體硫化壓縮型減振扣件被模擬為彈簧-阻尼元件。地鐵列車的每節(jié)車輛采用由車體、2個轉(zhuǎn)向架、4個輪對及連接它們的彈簧阻尼元件組成多剛體模型來模擬，共具有10個自由度。據(jù)此所建立的車軌動力耦合模型如圖2所示。

圖2 普通整體道床單層軌道對應(yīng)的車軌動力耦合模型

另一方面，軌道-隧道-地層系統(tǒng)則被視作沿線路縱向不變的一致性系統(tǒng)，采用2.5維數(shù)值方法進(jìn)行模擬。其中，鋼軌被視作Euler梁，采用2.5維解析法進(jìn)行模擬，道床-隧道-地層系統(tǒng)被視作黏彈性空間體，采用2.5維有限元法進(jìn)行模擬，動力計算邊界采用2.5維人工黏彈性邊界，鋼軌與道床-隧道-地層系統(tǒng)通過扣件的力學(xué)平衡及位移協(xié)調(diào)條件進(jìn)行耦合。與車軌動力耦合模型中采用離散支撐的彈簧阻尼單元模擬扣件不同，在2.5維模型中，扣件被模擬為連續(xù)支撐的彈簧阻尼單元，其相應(yīng)參數(shù)可由單個扣件參數(shù)除以扣件間距得到。限于篇幅，此處不再對2.5維數(shù)值方法進(jìn)行贅述，其相關(guān)計算原理可參考文獻(xiàn)[20-21]。

針對研究區(qū)段所建立的2.5維軌道-隧道-地層耦合模型如圖3所示。該模型在寬度上取120 m，深度方向上取80 m，列車荷載在右側(cè)隧道進(jìn)行加載。此外，在研究地鐵誘發(fā)振動在大地中的傳播時，著重研究右側(cè)隧道(列車荷載加載側(cè)隧道)右側(cè)大地范圍內(nèi)的傳播規(guī)律，因此，模型在右隧道右側(cè)的區(qū)域更為寬闊。右隧道中線距模型左右邊界的距離分別為48.5 m和71.5 m。

圖3 軌道-隧道-地層耦合模型(單位：m)

3 振動響應(yīng)分析

為研究地鐵列車運行引發(fā)的振動傳播規(guī)律，對線路同一橫斷面上鋼軌、道床、隧道壁及地表不同位置處的豎向振動加速度響應(yīng)進(jìn)行研究。其中，鋼軌響應(yīng)以右隧道(加載隧道)右軌為例進(jìn)行分析，道床拾振點選取在道床頂面的中心位置處，隧道壁拾振點選取在隧道壁右側(cè)距道床1.5 m高的位置，而地表拾振點則在右隧道正上方地表位置向右50 m范圍內(nèi)每隔5 m選取1個。各拾振點的位置示意如圖4所示。

圖4 拾振點示意(單位：m)

圖5給出了鋼軌、道床及隧道壁拾振點的1/3倍頻程譜及不同點間的振動傳遞損失，包括道床相對于鋼軌以及隧道壁相對于道床的分頻振級傳遞損失。

圖5 隧道內(nèi)拾振點1/3倍頻程譜及分頻振級傳遞損失

由圖5可以發(fā)現(xiàn)，運行列車產(chǎn)生的1～100 Hz頻段內(nèi)的振動，從鋼軌到道床，再到隧道壁呈逐漸衰減趨勢，其中，鋼軌拾振點的振動加速度級量值在74.6～114.3 dB內(nèi)，而道床及隧道壁的振動加速度級量值分別在37.3～80.7 dB及24.8～72.7 dB內(nèi)。振動在從鋼軌至道床的傳遞過程中，分頻振級傳遞損失在中心頻率5 Hz達(dá)到最大值54.6 dB，且各頻段的傳遞損失都在30 dB以上；而振動在從道床傳遞至隧道壁過程中發(fā)生的分頻振級傳遞損失在中心頻率100 Hz達(dá)到最值20.3 dB，且1～2 Hz與63～100 Hz頻段的傳遞損失也都在10 dB以上。

表2給出了鋼軌、道床及隧道壁拾振點的最大Z振級VLzmax及道床與隧道壁拾振點相對于鋼軌的最大Z振級傳遞損失ΔVLzmax。從表2也可以看出，經(jīng)過整體硫化壓縮型減振扣件對振動的衰減后，道床及隧道壁的振動響應(yīng)相較于鋼軌都會有大幅衰減，他們相對于鋼軌的最大Z振級傳遞損失分別達(dá)34.4 dB及42.9 dB。

表2 不同拾振點最大Z振級及相對鋼軌的傳遞損失

圖6給出了運行列車引起的地表典型位置拾振點的加速度響應(yīng)時程及頻譜。從圖6可以看出：運行列車誘發(fā)的地表加速度響應(yīng)時程圖像呈梭形，即隨著列車駛近、到達(dá)及駛離拾振點的過程，地表加速度響應(yīng)總體呈先增大后減小的趨勢；在地表0，25，50 m處加速度響應(yīng)時程的峰值分別為0.015 3，0.014 8，0.006 1 m/s2，表現(xiàn)出較為明顯的隨距離衰減的趨勢；地表加速度響應(yīng)主要集中在20～80 Hz頻段，且由輪軌共振頻率決定的響應(yīng)頻譜峰值均出現(xiàn)在30～50 Hz頻段內(nèi)。

圖6 地表典型位置處加速度時程及頻譜

圖7給出了地表不同位置拾振點的1/3倍頻程譜。從圖7可以看出：地鐵列車在整體硫化壓縮型扣件軌道上運行誘發(fā)的地表加速度響應(yīng)主要集中在20～80 Hz頻段，且地表各拾振點加速度響應(yīng)1/3倍頻程譜的峰值在中心頻率40 Hz左右取得最大值，這也與上述地表響應(yīng)頻譜圖表現(xiàn)出的規(guī)律相吻合；在1～1.6 Hz頻段，由于這部分頻率成分的地表振動主要源于列車準(zhǔn)靜態(tài)荷載的作用，因此，他們隨著距離的增大有明顯衰減，振動加速度級衰減可達(dá)24.6 dB；在1.6～6.3 Hz頻段，地表振動響應(yīng)隨距離增大的變化并不明顯，振動幾乎無衰減；而在16～25 Hz頻段及79～100 Hz頻段，地表振動響應(yīng)隨距離增加呈現(xiàn)出先增大后衰減的規(guī)律，且相應(yīng)加速度級分別在地表30 m及40 m處達(dá)到最大值；在其他頻段，地表振動響應(yīng)隨距離增加在總體上呈現(xiàn)出振蕩型式的衰減。此外，從圖7中還可以發(fā)現(xiàn)，在40～100 Hz頻段，地表振動響應(yīng)在距隧道中線40 m范圍內(nèi)衰減較為緩慢，振動衰減量值極為有限，但從距隧道中線40 m地表到距隧道中線50 m地表，振動卻有較大衰減，振動加速度級衰減量值最大可達(dá)12.3 dB。

圖7 地表不同拾振點1/3倍頻譜

圖8給出了采用整體硫化壓縮型減振扣件時，地表最大Z振級隨距離的變化情況。

圖8 地表各拾振點最大Z振級

從圖8可以看出：在研究工況下，運行地鐵列車誘發(fā)距加載隧道中線50 m范圍內(nèi)地表的最大Z振級量值在55.5～61.3 dB內(nèi)；隨著距離增加，地表最大Z振級總體呈衰減趨勢，但在距加載隧道中線40 m范圍內(nèi)表現(xiàn)得不明顯，在距加載隧道中線10 ～35 m內(nèi)存在較為顯著的放大區(qū)，地表最大Z振級在35 m處最大，量值達(dá)61.3 dB；使用整體硫化壓縮型減振扣件后，在距離加載隧道中線大于40 m的地表范圍，地表最大Z振級隨著距加載隧道距離的增大有較為顯著的衰減。需說明的是，對比GB 10070—1988《城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)》，對城市不同區(qū)域最大Z振級限值的要求可知，使用整體硫化壓縮型減振扣件能滿足一般地鐵區(qū)段的減振需求。

4 結(jié)論

針對我國自主研發(fā)的新型整體硫化壓縮型減振扣件在無錫地鐵中的應(yīng)用效果問題，通過建立車軌動力耦合模型及軌道-隧道-地層耦合系統(tǒng)的2.5維數(shù)值模型，對其應(yīng)用情況下列車運行引發(fā)的軌道、隧道及大地振動響應(yīng)進(jìn)行了研究，揭示了該種新型扣件的減振性能，明確了其應(yīng)用時地鐵環(huán)境振動的量值特征及傳播特性。通過研究，得到以下結(jié)論。

(1)使用新型整體硫化壓縮型減振扣件后，地鐵列車運行引起的地表垂向加速度響應(yīng)頻譜峰值出現(xiàn)在30～50 Hz頻段內(nèi)。

(2)在采用新型整體硫化壓縮型減振扣件的情況下，運行列車誘發(fā)的振動在從鋼軌至道床傳遞過程中，各頻段分頻振級傳遞損失均在30 dB以上，且分頻振級傳遞損失最大值可達(dá)54.6 dB，而最大Z振級的傳遞損失也可達(dá)34.4 dB。

(3)在地鐵隧道埋深20 m且采用新型整體硫化壓縮型減振扣件的情況下，運行地鐵列車誘發(fā)距隧道中線50 m范圍內(nèi)地表的振動響應(yīng)在總體上隨距離增加而衰減，雖然衰減量值較為有限，但在該內(nèi)，地表最大Z振級量值在55.5～61.3 dB內(nèi)，均處于較小的量值水平。

(4)新型整體硫化壓縮型減振扣件具有良好的減振性能，能滿足一般地鐵區(qū)段的減振需求，在地鐵線路中具有良好的應(yīng)用前景。