80 km/h速度條件下地鐵隧道內(nèi)輪軌及車(chē)內(nèi)振動(dòng)噪聲關(guān)聯(lián)性研究

遲義浩,肖 宏,時(shí)光明,張智海

(1.北京交通大學(xué)土木工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,北京 100044; 2.北京交通大學(xué)軌道工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100044; 3.北京市地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司線路分公司,北京 100082)

引言

隨著現(xiàn)代城市規(guī)模的日益擴(kuò)大，由于城市軌道交通具有運(yùn)量大、速度快、安全、準(zhǔn)時(shí)等特點(diǎn)，逐漸成為人們出行的首選方式[1]。與此同時(shí)，列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲成為市民普遍關(guān)注的問(wèn)題之一[2]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)地鐵列車(chē)的振動(dòng)特性、車(chē)內(nèi)噪聲等進(jìn)行了大量研究工作。在試驗(yàn)研究方面，劉存真等[3]研究了列車(chē)不同運(yùn)行速度途徑、不同軌道結(jié)構(gòu)形式時(shí)，車(chē)廂內(nèi)不同位置的噪聲，為實(shí)現(xiàn)地鐵列車(chē)車(chē)內(nèi)噪聲測(cè)試的互通性，提出了規(guī)范軌道狀態(tài)、列車(chē)速度、測(cè)點(diǎn)位置等參數(shù)建議；陳俊豪[4]分別對(duì)地鐵列車(chē)靜止時(shí)的背景噪聲和3個(gè)不同運(yùn)行速度下的車(chē)內(nèi)噪聲進(jìn)行了測(cè)試，得到了轉(zhuǎn)向架和車(chē)體中部噪聲分布狀況；孫金棟等[5]通過(guò)對(duì)北京地鐵4號(hào)線、大興線地鐵列車(chē)車(chē)內(nèi)噪聲進(jìn)行全程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，明確了輪軌噪聲是地鐵列車(chē)車(chē)內(nèi)噪聲的主要影響因素；范思婷等[6]從時(shí)域、頻域、時(shí)-頻域及振級(jí)等4個(gè)角度，對(duì)隧道內(nèi)列車(chē)運(yùn)行引起的鋼軌、軌枕和隧道壁振動(dòng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析研究；LEE等[7]選擇了漢城內(nèi)部的9條地鐵線和首爾地區(qū)周?chē)?條線，通過(guò)在通勤高峰時(shí)間測(cè)量和分析地鐵列車(chē)車(chē)內(nèi)噪聲水平，獲得了通勤者每日噪聲暴露劑量等信息，為衡量地鐵列車(chē)車(chē)內(nèi)噪聲對(duì)乘客的影響提供數(shù)據(jù)支撐和參考；ZHAO等[8]通過(guò)對(duì)地鐵列車(chē)通過(guò)時(shí)的軌道振動(dòng)性能、車(chē)輛外部噪聲和內(nèi)部噪聲進(jìn)行實(shí)測(cè)分析，表明鋼軌打磨和鋼軌阻尼器兩種減振措施均具有良好的減振降噪效果。

在數(shù)值模擬方面，馮青松等[9]建立了隧道-車(chē)體有限元-邊界元聲學(xué)分析模型，分析了結(jié)構(gòu)聲和空氣聲對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲的影響規(guī)律，為改善車(chē)內(nèi)聲學(xué)環(huán)境提供了理論依據(jù)；柳明[10]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬，對(duì)隧道內(nèi)與明線兩種運(yùn)行環(huán)境下車(chē)內(nèi)噪聲特性、車(chē)內(nèi)聲源分布特性及區(qū)域貢獻(xiàn)率之間的差異進(jìn)行了分析；李博等[11]研究了在隧道內(nèi)運(yùn)行的列車(chē)車(chē)內(nèi)噪聲規(guī)律，根據(jù)分析結(jié)果得知列車(chē)在隧道內(nèi)以120 km/h速度運(yùn)行時(shí)車(chē)內(nèi)噪聲為85 dB左右，且客室車(chē)門(mén)結(jié)構(gòu)是影響列車(chē)車(chē)內(nèi)噪聲的主要結(jié)構(gòu)；DAI等[12]基于SVAEF理論，提出了統(tǒng)計(jì)振動(dòng)和聲能量流來(lái)直接預(yù)測(cè)車(chē)內(nèi)噪聲的新方法，并結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法是可靠的；HAN等[13]開(kāi)展了地鐵列車(chē)在隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí)鋼軌波磨對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲的影響研究，采用試驗(yàn)和仿真結(jié)合的方式，提出了基于車(chē)輛內(nèi)部噪聲限值的鋼軌打磨標(biāo)準(zhǔn)；郭建強(qiáng)等[14]通過(guò)試驗(yàn)和仿真相結(jié)合的方式，分析了波磨對(duì)司機(jī)室車(chē)內(nèi)噪聲的影響，建立了二者之間的定量關(guān)系；TALOTTE等[15]通過(guò)對(duì)鐵路噪聲源的識(shí)別和建模進(jìn)行了調(diào)查，并總結(jié)有關(guān)滾動(dòng)和空氣動(dòng)力源的相關(guān)知識(shí)以及降低噪聲的潛力，給出了未來(lái)的研究前景規(guī)劃；NAGY等[16]通過(guò)有限元方法，分析了地鐵運(yùn)行引發(fā)的結(jié)構(gòu)噪聲模態(tài)，對(duì)沿隧道壁包圍的空腔中聲場(chǎng)進(jìn)行了預(yù)測(cè)；LI等[17]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，評(píng)估了鋼軌扣件剛度對(duì)車(chē)內(nèi)振動(dòng)噪聲的影響，并與TWINS模型的仿真結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，剛度較大扣件的振動(dòng)一般在250 Hz以下，剛度較小扣件的振動(dòng)在315 Hz以上。

綜上可知，國(guó)內(nèi)外已有研究均單獨(dú)針對(duì)線路上或車(chē)內(nèi)的振動(dòng)噪聲，涉及二者之間的相互關(guān)系研究較少。實(shí)際上，我國(guó)地鐵列車(chē)制式單一，主要為A型車(chē)或B型車(chē)；地下結(jié)構(gòu)一般采用盾構(gòu)技術(shù)。在這種外部條件基本一致的情況下，可以尋求獲得車(chē)輛內(nèi)和線路上的振動(dòng)噪聲關(guān)聯(lián)性，一旦明確了其內(nèi)在聯(lián)系后，就可以用某一方面的數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)價(jià)另一方面的振動(dòng)、噪聲效果，這不僅對(duì)減少線路振動(dòng)、噪聲測(cè)試工作量具有重要意義，而且還對(duì)運(yùn)營(yíng)舒適性、司機(jī)及乘客的健康評(píng)估等都有一定的參考價(jià)值。

1 測(cè)試方案

1.1 現(xiàn)場(chǎng)概況

試驗(yàn)測(cè)試選擇為一段地下線路，地鐵列車(chē)為6節(jié)編組B型車(chē)，尺寸為為19 m(長(zhǎng))×2.8 m(寬)×3.8 m(高)，采用第三軌供電。線路線形為直線，線路正線運(yùn)營(yíng)速度約80 km/h，最小發(fā)車(chē)間隔約2 min。軌道結(jié)構(gòu)為整體道床，采用DTVI2型扣件，如圖1所示。隧道采用盾構(gòu)技術(shù)修建，斷面形式為圓形，內(nèi)徑尺寸約5 400 mm，如圖2所示。

圖1 鋼軌狀態(tài)及扣件細(xì)部

圖2 隧道內(nèi)整體道床軌道

1.2 測(cè)點(diǎn)布置

依據(jù)DB 11/T 838—2019《地鐵噪聲與振動(dòng)控制規(guī)范》[18]、GB 14892—2006《城市軌道交通列車(chē)噪聲限值和測(cè)量方法》[19]等相關(guān)規(guī)范布置相應(yīng)測(cè)點(diǎn)，其中，鋼軌、道床、隧道壁振動(dòng)測(cè)量方向皆為鉛垂向，車(chē)內(nèi)振動(dòng)噪聲測(cè)點(diǎn)布置在車(chē)廂中部位置，噪聲測(cè)點(diǎn)聲壓傳感器距地面1.5 m，具體測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置(單位：mm)

1.3 測(cè)試方法

本次試驗(yàn)測(cè)試采用壓電式加速度計(jì)、聲壓傳感器、數(shù)據(jù)采集分析儀等進(jìn)行測(cè)試。其中，鋼軌位置加速度計(jì)型號(hào)為L(zhǎng)C0103，適用頻率范圍為0.35～10 000 Hz，量程為100g；道床位置加速度計(jì)型號(hào)為L(zhǎng)C0108，適用頻率范圍為0.35～5 000 Hz，量程為10g；隧道壁位置加速度計(jì)型號(hào)為L(zhǎng)C0130T，適用頻率范圍為0.5～1 000 Hz，量程為0.12g；車(chē)廂中部位置加速度計(jì)型號(hào)為L(zhǎng)C0108，適用頻率范圍為0.35～5 000 Hz，量程為10g；聲壓傳感器型號(hào)為INV9206，適用頻率范圍為20～20 000 Hz，動(dòng)態(tài)范圍為20～146 dB。測(cè)試數(shù)據(jù)采集過(guò)程如圖4所示。

圖4 儀器配置流程

2 測(cè)試結(jié)果與分析

2.1 鋼軌波磨測(cè)試結(jié)果

為評(píng)估線路質(zhì)量狀態(tài)，對(duì)鋼軌波磨進(jìn)行了測(cè)試分析，繪制左右鋼軌表面粗糙度級(jí)曲線，如圖5所示。

圖5 鋼軌表面粗糙度級(jí)曲線

由圖5可知，該區(qū)間內(nèi)，左右軌無(wú)明顯特征波長(zhǎng)波磨，但在所有范圍的波長(zhǎng)段鋼軌表面粗糙度均超過(guò)了歐洲標(biāo)準(zhǔn)ISO 3095[20]規(guī)定值，可見(jiàn)測(cè)試的區(qū)間線路鋼軌表面較粗糙。

2.2 時(shí)域和頻域分析

為保證測(cè)試數(shù)據(jù)的全面性及正確性，選取了一天中的高峰時(shí)間段和非高峰時(shí)間段對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2.2.1 時(shí)域分析

本節(jié)截取列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)典型的振動(dòng)曲線進(jìn)行對(duì)比，從時(shí)域角度對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。列車(chē)經(jīng)過(guò)測(cè)試斷面時(shí)運(yùn)行速度約為80 km/h，各測(cè)點(diǎn)的加速度時(shí)域圖如圖6所示。

圖6 鉛垂向加速度時(shí)域

根據(jù)圖6(a)～圖6(c)可知，列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)，時(shí)域圖曲線呈現(xiàn)出一定的周期性，列車(chē)從遠(yuǎn)處靠近測(cè)試斷面到遠(yuǎn)離測(cè)試斷面，振動(dòng)響應(yīng)由小變大再變小，與列車(chē)產(chǎn)生的軌道振動(dòng)客觀規(guī)律一致。從測(cè)試數(shù)值來(lái)看，鋼軌的振動(dòng)加速度最大值約為78g，道床約為6.5g，隧道壁約為0.12g，車(chē)內(nèi)約為1.3g，對(duì)比測(cè)試數(shù)值可知，車(chē)內(nèi)振動(dòng)加速度約為道床的1/5。

2.2.2 頻域分析

從頻域角度對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，繪制各測(cè)點(diǎn)鉛垂向頻域圖和1/3倍頻程如圖7、圖8所示。

圖7 鉛垂向加速度頻譜

圖8 鉛垂向1/3倍頻程振動(dòng)加速度級(jí)

由圖7可知，鋼軌振動(dòng)主要以高頻振動(dòng)為主，鋼軌振動(dòng)加速度卓越頻率主要集中在450～550 Hz、1 000～1 200 Hz、1 500～1 700 Hz之間；道床振動(dòng)主要以中高頻振動(dòng)為主，卓越頻率主要集中在300～350 Hz、500～700 Hz之間，卓越頻率有所降低，但振動(dòng)能量已有大幅度衰減，最大幅值降低約90%；隧道壁振動(dòng)加速度卓越頻率主要集中在250～300 Hz、500～550 Hz之間，隧道壁振動(dòng)比道床稍低，也以中高頻為主，且振動(dòng)能量進(jìn)一步衰減；車(chē)內(nèi)振動(dòng)加速度卓越頻率主要集中在300～350 Hz、500～700 Hz之間。對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)可知，車(chē)內(nèi)振動(dòng)響應(yīng)與道床響應(yīng)頻率基本一致。

由圖8可知，雖然各測(cè)點(diǎn)1/3倍頻程圖中幅值各有高低、曲線形式也存在差異，但其中心頻率均集中在512 Hz附近。

2.3 振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)

2.3.1 振動(dòng)加速度級(jí)

根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 2631/1—1997[21]和國(guó)標(biāo)GB 10070—1988《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》[22]中規(guī)定，振動(dòng)加速度級(jí)VAL計(jì)算公式為：加速度與基準(zhǔn)加速度之比以10為底的對(duì)數(shù)乘以20，單位為分貝(dB)。

(1)

式中，a為振動(dòng)加速度有效值，m/s2；a0為基準(zhǔn)加速度，根據(jù)GB 50894—2013《機(jī)械工業(yè)環(huán)境保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范》[23]規(guī)定，取1×10-6m/s2。

選取高峰時(shí)間段(17:00—19:00)和非高峰時(shí)間段(20:00—23:00)各20組列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，所得平均值如表1所示。

表1 各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度級(jí) dB

由表1對(duì)比分析可知，振動(dòng)是由車(chē)輪與鋼軌相互作用而產(chǎn)生的，因而，鋼軌處振動(dòng)加速度級(jí)最大，由鋼軌傳遞到道床，振動(dòng)加速度級(jí)衰減了約20 dB，衰減幅度約12.5%；由道床傳遞到隧道壁，振動(dòng)加速度級(jí)衰減了約30 dB，衰減幅度約20%；對(duì)比線路上鋼軌與車(chē)內(nèi)的振動(dòng)加速度級(jí)數(shù)值可知，通過(guò)車(chē)體底部結(jié)構(gòu)的作用，使得車(chē)內(nèi)振動(dòng)加速度級(jí)衰減了約30 dB，衰減幅度約25%。高峰時(shí)段相較于非高峰時(shí)段，各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度級(jí)相差-1～2 dB，表明車(chē)內(nèi)客流量對(duì)振動(dòng)的影響較小。

2.3.2 鉛垂向Z振級(jí)

鉛垂向Z振級(jí)為按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 2631/1—1997[21]規(guī)定的全身振動(dòng)Z計(jì)權(quán)因子修正后得到的鉛垂向振動(dòng)加速度級(jí)，記為VLZ，單位為分貝(dB)，頻率計(jì)權(quán)范圍為0.1～400 Hz，計(jì)算所得結(jié)果如表2所示。

表2 各測(cè)點(diǎn)鉛垂向Z振級(jí) dB

由表2對(duì)比分析可知，由鋼軌傳遞到道床，鉛垂向Z振級(jí)衰減了約20 dB，衰減幅度約16.7%；由道床傳遞到隧道壁，鉛垂向Z振級(jí)衰減了約20 dB，衰減幅度約20%；對(duì)比線路上鋼軌與車(chē)內(nèi)的鉛垂向Z振級(jí)數(shù)值可知，通過(guò)車(chē)體底部結(jié)構(gòu)的作用，使得鉛垂向Z振級(jí)衰減了約20 dB，衰減幅度約16.7%。此外，車(chē)內(nèi)數(shù)據(jù)與道床數(shù)據(jù)較近似，非高峰時(shí)段與高峰時(shí)段基本相同。

2.3.3 累計(jì)百分之十Z振級(jí)

在規(guī)定的測(cè)量時(shí)間內(nèi)，有10%時(shí)間的Z振級(jí)超過(guò)某一VLZ10值，這個(gè)VLZ10值叫作累計(jì)百分之十Z振級(jí)，單位為分貝(dB)，計(jì)算所得結(jié)果如表3所示。

表3 各測(cè)點(diǎn)累計(jì)百分之十Z振級(jí) dB

由表3對(duì)比分析可知，由鋼軌傳遞到道床，累計(jì)百分之十Z振級(jí)衰減了約30 dB，衰減幅度約23.1%；由道床傳遞到隧道壁，累計(jì)百分之十Z振級(jí)衰減了約20 dB，衰減幅度約20%；對(duì)比線路上鋼軌與車(chē)內(nèi)的累計(jì)百分之十Z振級(jí)數(shù)值可知，通過(guò)車(chē)體底部結(jié)構(gòu)的作用，使得累計(jì)百分之十Z振級(jí)衰減了約25 dB，衰減幅度約20%；車(chē)內(nèi)數(shù)據(jù)與道床數(shù)據(jù)較近似，非高峰時(shí)段與高峰時(shí)段基本相同。

2.3.4 最大Z振級(jí)

在規(guī)定的測(cè)量時(shí)間T內(nèi)或?qū)δ骋华?dú)立振動(dòng)事件，測(cè)得的Z振級(jí)最大值，記為VLZmax，單位為分貝(dB)。根據(jù)GB10071—1988《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)測(cè)量方法》[24]，進(jìn)行城市軌道交通及鐵路交通振動(dòng)測(cè)試時(shí)，讀取每次列車(chē)通過(guò)時(shí)的最大示數(shù)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)連續(xù)測(cè)量20次列車(chē)，以20次VLZmax的算數(shù)平均值為評(píng)價(jià)量，所得結(jié)果如表4所示。

表4 各測(cè)點(diǎn)最大Z振級(jí) dB

由表4對(duì)比分析可知，由鋼軌傳遞到道床，最大Z振級(jí)衰減了約30 dB，衰減幅度約22.2%；由道床傳遞到隧道壁，最大Z振級(jí)衰減約25 dB，衰減幅度約23.8%；對(duì)比線路上鋼軌與車(chē)內(nèi)的最大Z振級(jí)數(shù)值可知，通過(guò)車(chē)體底部結(jié)構(gòu)的作用，使得最大Z振級(jí)衰減了約20 dB，衰減幅度約14.8%，非高峰時(shí)段與高峰時(shí)段基本相同。

2.4 噪聲測(cè)試數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)

根據(jù)GB 14227—2006《城市軌道交通車(chē)站站臺(tái)聲學(xué)要求和測(cè)量方法》[25]可知，等效連續(xù)A聲級(jí)的定義為在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，某一連續(xù)穩(wěn)態(tài)聲的A計(jì)權(quán)聲壓，具有與時(shí)變的噪聲相同的均方A計(jì)權(quán)聲壓，則這一連續(xù)穩(wěn)態(tài)聲的聲級(jí)就是此時(shí)變?cè)肼暤刃暭?jí)，記作LAeq，T，單位為分貝(dB)，計(jì)算公式為

(2)

式中，pA(t)為噪聲瞬時(shí)A計(jì)權(quán)聲壓，Pa；p0為基準(zhǔn)聲壓，取20 μPa。

繪制列車(chē)通過(guò)時(shí)，軌旁噪聲和車(chē)內(nèi)噪聲頻譜如圖9所示，計(jì)算所得結(jié)果見(jiàn)表5所示。

圖9 噪聲頻譜特性曲線

表5 各測(cè)點(diǎn)等效連續(xù)A聲級(jí) dB

由表5對(duì)比分析可知，由于軌旁處接近噪聲聲源，故軌旁噪聲較大，地鐵列車(chē)車(chē)門(mén)和底板發(fā)揮著隔音的作用，使得車(chē)內(nèi)噪聲比軌旁噪聲低28～30 dB。根據(jù)規(guī)范GB 14892—2006《城市軌道交通列車(chē)噪聲限值和測(cè)量方法》[19]要求，城市軌道交通系統(tǒng)中地鐵列車(chē)司機(jī)室內(nèi)噪聲，等效連續(xù)A聲級(jí)的最大容許限值為80 dB，客室內(nèi)為83 dB。由此可知，高峰時(shí)間段車(chē)內(nèi)噪聲超出限值5.04 dB，非高峰時(shí)間段車(chē)內(nèi)噪聲超出限值4.21 dB。據(jù)此可推測(cè)，當(dāng)軌旁噪聲超過(guò)108 dB時(shí)，司機(jī)室內(nèi)噪聲超限；軌旁噪聲超過(guò)111 dB時(shí)，客室內(nèi)噪聲超限。

3 結(jié)論

選取北京某盾構(gòu)地下線路系統(tǒng)地進(jìn)行了線路上、車(chē)內(nèi)的振動(dòng)和噪聲測(cè)試，從時(shí)域、頻域、振級(jí)等角度建立了輪軌及車(chē)內(nèi)振動(dòng)噪聲之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，主要結(jié)論如下。

(1)時(shí)域方面，列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)引起的鋼軌振動(dòng)傳遞到道床，振動(dòng)加速度最大值出現(xiàn)大幅度衰減，衰減速率約90%；從道床到隧道壁，衰減速率約98%。車(chē)內(nèi)振動(dòng)與道床振動(dòng)處于同一數(shù)量級(jí)，但數(shù)值上車(chē)內(nèi)振動(dòng)加速度最大值約為道床的1/5。

(2)頻域方面，道床與車(chē)內(nèi)的振動(dòng)響應(yīng)大致相同，卓越頻率均主要集中在300～350 Hz、500～700 Hz之間，1/3倍頻程中心頻率均集中在512 Hz附近。

(3)振動(dòng)噪聲評(píng)價(jià)方面，道床的鉛垂向Z振級(jí)與車(chē)內(nèi)的振動(dòng)大小基本相同；與鋼軌相比，車(chē)內(nèi)振動(dòng)減少約20 dB；此外，軌旁噪聲比車(chē)內(nèi)噪聲高28～30 dB，從健康角度考慮，建議設(shè)計(jì)時(shí)軌旁噪聲不超過(guò)108 dB。

(4)對(duì)比高峰時(shí)段與非高峰時(shí)段各測(cè)點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)，相差-1～2 dB，可見(jiàn)車(chē)內(nèi)客流量多少對(duì)振動(dòng)噪聲影響很小。