大斷面盾構(gòu)隧道內(nèi)鐵路振動特性試驗研究

譚 輝，劉 方，岳 嶺，劉蘭華

（1. 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081；2. 中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司 城市軌道交通研究院，北京 100055）

0 引言

目前我國已建成了全球最大的高速鐵路網(wǎng)，成為世界上高速鐵路發(fā)展速度最快、運營里程最長、在建規(guī)模最大、運營速度最高的國家，截至2020年底，我國高速鐵路運營里程達(dá)3.79 萬公里[1]，超過全球高速鐵路總運營里程的三分之二。

早期的高速鐵路車站多設(shè)在城市中心城區(qū)外圍，隨著城市規(guī)模的擴(kuò)展、高速鐵路線網(wǎng)加密及百姓出行需求的增加，將高速鐵路車站設(shè)置在中心城區(qū)的情形不斷增多。采用高架、路基等地面線的方式敷設(shè)穿越城區(qū)鐵路，除占地面積、拆遷難度和成本等影響因素外，鐵路沿線的噪聲問題也會備受關(guān)注[2]。因此，近年來規(guī)劃建設(shè)的穿越城區(qū)的高速鐵路趨于選擇地下線的方式，如已建成的廣深港高速鐵路福田段，莞惠城際、佛肇城際及京張高速鐵路。與地面線相比，地下段的環(huán)境問題主要是列車通過引起的環(huán)境振動。相關(guān)文獻(xiàn)表明，振動污染已被列為環(huán)境七大公害之一，嚴(yán)重時會影響人的正常生活[3]。鐵路振動隨機(jī)性高，動力學(xué)機(jī)理復(fù)雜，現(xiàn)場試驗是獲得數(shù)據(jù)的必要手段，對高速鐵路地下段的振動特性進(jìn)行研究，也能為選線和治理提供數(shù)據(jù)支撐。已有研究人員對莞惠城際鐵路、佛肇城際鐵路、廣深港高速鐵路等多個單洞單線隧道進(jìn)行過現(xiàn)場實測[4]，獲取了普通隧道振動特性數(shù)據(jù)，但由于我國目前開通運營的高速鐵路地下段較少，測試數(shù)據(jù)量總體相對較少。某高速鐵路隧道是目前該地區(qū)直徑最大的盾構(gòu)隧道，開挖直徑12.64 m[5]，首次使用全預(yù)制拼裝技術(shù)及全新的施工工藝[6]，振動特性異于普通隧道。為了研究大斷面盾構(gòu)隧道內(nèi)的鐵路振動特性，本文選取該隧道典型斷面，對不同車型列車通過引起的隧道振動進(jìn)行現(xiàn)場測試及分析工作，以期為高速鐵路地下段環(huán)境振動研究提供數(shù)據(jù)支撐。

該隧道是全線的控制性工程之一[7]，隧道全長6 020 m，內(nèi)徑11.1 m，管片厚度0.55 m，正線線間距4.0 m，于2017年11月6日動工興建，2018年11月20日隧道全線貫通[8]。

1 現(xiàn)場試驗方案

1.1 測點布設(shè)

為獲得列車通過引起的振動源強(qiáng)以研究隧道內(nèi)振動的傳播規(guī)律，在所選隧道斷面內(nèi)進(jìn)行振動測試試驗。測點布置參考《機(jī)械振動列車通過時引起鐵路隧道內(nèi)部振動的測量》(GB/T 19846—2005)[9]，在鋼軌、軌道板和隧道壁位置處分別布設(shè)振動加速度傳感器，其布設(shè)位置示意如圖1 所示。其中，鋼軌振動傳感器布置在垂直于軌面的鋼軌底部，軌道板振動傳感器布置在靠近軌枕處的軌道板表面，隧道壁振動傳感器布置在距軌面高1.2 m 的隧道壁處，現(xiàn)場布點如圖2所示。

圖1 傳感器布設(shè)位置示意

圖2 傳感器現(xiàn)場布點

1.2 數(shù)據(jù)采集

本次測試采用自動觸發(fā)與離線采集相結(jié)合的模式，首先利用第一個天窗點上線布設(shè)傳感器和采集設(shè)備，將設(shè)備放置于隧道內(nèi)安全通道下方線纜廊道內(nèi)，如圖3 所示。列車通過時會自動觸發(fā)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集、存儲列車通過信號；然后利用第二個天窗點上線拆除試驗設(shè)備，實現(xiàn)對隧道內(nèi)一側(cè)線路的24 h連續(xù)監(jiān)測。鋼軌、軌道板數(shù)據(jù)采樣頻率為5 000 Hz，隧道壁為1 250 Hz，采集量均為鉛垂向振動加速度。

圖3 采集設(shè)備現(xiàn)場布設(shè)位置

1.3 試驗工況

離線采集結(jié)果表明，24 h內(nèi)測試斷面單側(cè)軌道共有34 列車通過，其中9 列為4 編組A 型市郊列車，25列為8編組B型動車組列車。大部分列車車速介于75~80 km/h之間，個別在50 km/h左右。

2 測試結(jié)果及分析

2.1 測試結(jié)果

圖4為A型和B 型列車以80 km/h的速度通過測試斷面時，鋼軌、軌道板和隧道壁的鉛垂向振動加速度實測時程曲線圖。2種車型由于編組不同，列車通過引起的振動持時差異明顯，但振動時域信號都呈現(xiàn)典型的梭形高頻振動，且相同位置處的振動加速度峰值接近：鋼軌峰值加速度接近200 m/s2，軌道板峰值加速度接近1.5 m/s2，隧道壁峰值加速度接近0.1 m/s2。

圖4 不同測點振動加速度時程

對實測數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域分析，得到2種車型在鋼軌、軌道板和隧道壁的1/3倍頻程分布，分別取1組典型頻譜進(jìn)行分析，其振動加速度頻域?qū)Ρ热鐖D5所示。

圖5 振動加速度的頻譜分布

從頻譜分析可以看到，鋼軌的振動加速度頻譜中高頻能量占絕對優(yōu)勢，峰值頻率在500 Hz以上；軌道板的振動頻譜呈現(xiàn)“凹”字形特征，10 Hz 以下和100 Hz 以上振動能量都較大，10~100 Hz 之間振動頻譜較小；隧道壁的振動頻譜峰值在160~250 Hz 附近，但在31.5~50 Hz之間能量也較大，該頻段在環(huán)境振動評價中需要關(guān)注。此外，本線路中2 種車型引起的振動頻域特性很接近，鋼軌到軌道板的振動衰減主要集中在中高頻段，分頻最大衰減量超過40 dB，軌道板到隧道壁的衰減主要集中在31.5 Hz 以下和200 Hz 以上，分頻最大衰減量可達(dá)60 dB左右。

我國目前執(zhí)行的《城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)》(GB 10070—1988)(采用1~80 Hz的振動加速度Z計權(quán)最大值[10]，為了結(jié)合環(huán)境振動評價，分別求得本次測試中鋼軌、軌道板和隧道壁的Z振級最大值，取相對值匯總分布如圖6所示(由于2種車型差異不明顯，此處不再區(qū)分車型)。

從圖6的相對Z振級分布看，1~80 Hz的Z振級最大值分布規(guī)律比較穩(wěn)定，鋼軌到軌道板平均衰減8 dB左右，軌道板到隧道壁平均衰減超過40 dB。

圖6 最大Z振級分布

2.2 對比分析

將本試驗結(jié)果與文獻(xiàn)[4]莞惠城際鐵路測試結(jié)果進(jìn)行對比(見表1)。在同樣采用盾構(gòu)施工的情況下，鋼軌、軌道板和隧道壁振動衰減量的測試結(jié)果表明：2種情況下，鋼軌到隧道壁的總衰減量相差不大，但本試驗中鋼軌至軌道板的振動衰減量較小，而軌道板至隧道壁的衰減量偏大。原因可能為：本試驗的高速鐵路軌下結(jié)構(gòu)采用的預(yù)制空腔結(jié)構(gòu)導(dǎo)致參振質(zhì)量較小，列車通過引起的軌道板振動較大。因此，鋼軌到軌道板的衰減較??；隧道采用的大斷面盾構(gòu)型式使隧道整體結(jié)構(gòu)質(zhì)量大，軌下結(jié)構(gòu)的振動更難激勵起隧道壁的振動，從而導(dǎo)致軌道板到隧道壁的振動衰減量變大。

表1 測試結(jié)果與文獻(xiàn)[4]結(jié)果對比

3 結(jié)論

本文對某高速鐵路隧道內(nèi)的列車振動進(jìn)行了現(xiàn)場試驗，通過對鋼軌、軌道板和隧道壁處的測試結(jié)果進(jìn)行分析，形成結(jié)論如下。

（1）動車組以80 km/h 速度運行通過隧道時，鋼軌的鉛垂向振動加速度峰值接近200 m/s2，軌道板的鉛垂向振動加速度峰值接近1.5 m/s2，隧道壁的鉛垂向振動加速度峰值接近0.1 m/s2。

（2）鋼軌的振動以500 Hz以上的高頻為主，軌道板振動中低頻和高頻都比較明顯，而隧道壁振動能量主要集中在31.5~250 Hz，鋼軌到軌道板的分頻振級最大衰減量超過40 dB，軌道板到隧道壁的分頻振級最大衰減量可達(dá)60 dB左右。

（3）大斷面盾構(gòu)、全預(yù)制軌下結(jié)構(gòu)情形下，隧道內(nèi)的振動衰減規(guī)律與以往數(shù)據(jù)不同，其鋼軌至軌道板的Z振級最大值平均衰減8 dB左右，軌道板至隧道壁的Z振級最大值平均衰減超過40 dB。