多等級(jí)減振預(yù)制道床減振效果及振動(dòng)位移研究

尹學(xué)軍，蘭慧峰，李會(huì)超，劉永強(qiáng)，李國(guó)玉，秦明君，洪 彧

（1.青島科而泰環(huán)境控制技術(shù)有限公司，山東青島 266101；2.青島地鐵集團(tuán)有限公司，山東青島 266108；3.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 610031）

減振預(yù)制浮置道床在軌道交通減振領(lǐng)域已被廣泛應(yīng)用，許多專家學(xué)者對(duì)減振墊浮置板系統(tǒng)作了大量的研究[1-5]。研究表明，預(yù)制道床具有鋪設(shè)精度高、進(jìn)度及質(zhì)量易控制、勞動(dòng)強(qiáng)度小、后期維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，所以道床全面預(yù)制化已成為國(guó)內(nèi)軌道交通建設(shè)的發(fā)展趨勢(shì)，并在上海、深圳、蘇州等地廣泛應(yīng)用。通過(guò)大量工程經(jīng)驗(yàn)可知，預(yù)制道床中的鋼彈簧浮置板雖然減振效果較好，但是具有鋪設(shè)成本較高、位移較大以及失效后安全性較差[6-7]等缺點(diǎn)，而目前減振墊預(yù)制道床技術(shù)存在減振等級(jí)固定、失效后無(wú)法更換等缺點(diǎn)。

為解決現(xiàn)有減振墊道床減振效果差、減振等級(jí)單一固定，以及線路運(yùn)行后減振等級(jí)無(wú)法升級(jí)和再調(diào)平困難等問(wèn)題，本文提出了基于多孔自由式復(fù)合減振墊的多等級(jí)減振通用預(yù)制道床技術(shù)(見(jiàn)圖1)，并將該技術(shù)應(yīng)用于青島新建地鐵4 號(hào)線張彭區(qū)間地鐵項(xiàng)目。經(jīng)過(guò)相關(guān)測(cè)試，該多等級(jí)減振預(yù)制道床具有較好的減振效果，同時(shí)可根據(jù)項(xiàng)目具體情況需要對(duì)減振等級(jí)進(jìn)行調(diào)整，真正實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)調(diào)平、線路運(yùn)行前后的減振等級(jí)可調(diào)、減振墊更換方便以及鋪設(shè)成本降低。由于道床和基底板均為預(yù)制生產(chǎn)，這樣大大提高了現(xiàn)場(chǎng)的施工效率及施工質(zhì)量，縮短了工期，節(jié)省了大量人工成本。為使表述簡(jiǎn)潔，將“多等級(jí)減振通用預(yù)制道床的高等減振道床”簡(jiǎn)稱為“高等減振道床”；“多等級(jí)減振通用預(yù)制道床的中等減振道床”簡(jiǎn)稱為“中等減振道床”；“長(zhǎng)枕埋入式現(xiàn)澆混凝土普通整體道床”簡(jiǎn)稱為“普通道床”。各層級(jí)減振參數(shù)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 各層級(jí)減振參數(shù)設(shè)計(jì)Table 1 Design of vibration reduction parameters at each level

1 試驗(yàn)條件說(shuō)明

1.1 軌道

本次試驗(yàn)選取的地鐵線路區(qū)間隧道內(nèi)鋪設(shè)60 kg/m鋼軌，扣件為DTVI2型，測(cè)試區(qū)間左線高等減振道床鋪設(shè)長(zhǎng)度為153.6 m(曲線段)，中等減振道床鋪設(shè)長(zhǎng)度為148.8 m(直線段)。浮置板道床厚度均為260 mm，寬度均為2.3 m，標(biāo)準(zhǔn)板長(zhǎng)度為4.7 m，普通道床與浮置板道床在區(qū)間內(nèi)的分布情況如圖2 所示。

圖2 多等級(jí)減振預(yù)制道床與普通道床分布情況Figure 2 Distribution of prefabricated and ordinary multi-class vibration damping ballast beds

1.2 斷面及測(cè)點(diǎn)選擇

根據(jù)《浮置板軌道技術(shù)規(guī)范》(CJJ/T 191—2012)[8]要求，選取線路條件(包括地址條件、線路曲線半徑、鋼軌類型、軌道不平順、隧道壁斷面、隧道埋深、路基或橋梁結(jié)構(gòu)等)、鋼軌和扣件類型應(yīng)與浮置板軌道相同或相似的普通道床地段作為參考系，應(yīng)借助參考系相同測(cè)點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果，通過(guò)比較得出浮置板軌道的減振效果。綜合考慮以上因素及要求，為得到客觀性評(píng)價(jià)，最終決定選取8 組斷面進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試斷面情況見(jiàn)表2。

表2 測(cè)試斷面情況Table 2 Test section

隧道內(nèi)振動(dòng)及位移測(cè)試同時(shí)進(jìn)行，振動(dòng)加速度傳感器安裝高度在軌面1.25 m 處隧道壁位置及道床板中心邊側(cè)位置，位移傳感器安裝在板端部位置(見(jiàn)圖3)，位移測(cè)試斷面選取斷面2、斷面4 和斷面6 分別進(jìn)行測(cè)試。多等級(jí)減振通用預(yù)制道床振動(dòng)及位移測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)布置見(jiàn)圖4，普通道床測(cè)點(diǎn)布置與多等級(jí)減振通用預(yù)制道床一致。

圖3 浮置板道床過(guò)車振動(dòng)及位移響應(yīng)測(cè)點(diǎn)布置Figure 3 Schematic of measuring points for vibration and displacement response of floating plate ballast bed

圖4 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置Figure 4 Layout of measuring points at the test site

1.3 車輛

測(cè)試的運(yùn)營(yíng)車輛為B1 型電客車，6 節(jié)編組，4 動(dòng)2拖，總長(zhǎng)118 m，設(shè)計(jì)軸重14 t，車輛的長(zhǎng)、寬、高分別為19、2.8 和3.8 m，區(qū)間內(nèi)列車設(shè)計(jì)時(shí)速為80 km/h，實(shí)際測(cè)試時(shí)列車以70 km/h 左右速度通過(guò)所有測(cè)試斷面。

1.4 測(cè)試設(shè)備

本次試驗(yàn)主要采用北京某振動(dòng)與噪聲技術(shù)研究所研制的INV3062-C1(L)型信號(hào)采集處理分析系統(tǒng)。INV9828 型加速度傳感器，采樣頻率為1 280 Hz；DH920型電渦流位移傳感器，采樣頻率為25.6 Hz，所有檢測(cè)設(shè)備鑒定證書均在有效期內(nèi)。

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)及數(shù)據(jù)分析

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

根據(jù)《浮置板軌道技術(shù)要求》(CJJ/T 191—2012)要求，減振效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算的量應(yīng)為浮置板軌道與普通道床軌道比較分頻振級(jí)均方根的差值ΔLa，頻率考慮范圍為4～200 Hz，計(jì)算公式如式(1)所示：

式中，VLq(i)是選擇沒(méi)采取浮置板的地段為參考系，其軌旁測(cè)點(diǎn)垂向振動(dòng)加速度在1/3 倍頻程第i個(gè)中心頻率的分頻振級(jí)，dB；VLh(i)是選擇采取浮置板的地段為參考系，其軌旁測(cè)點(diǎn)垂向振動(dòng)加速度在1/3 倍頻程第i個(gè)中心頻率的分頻振級(jí)(dB)。

Z 計(jì)權(quán)傳遞損失計(jì)算采用了先計(jì)權(quán)后求差的環(huán)評(píng)計(jì)算評(píng)價(jià)方法[9]。首先分別計(jì)算道床和隧道壁的垂向振動(dòng)Z振級(jí)，然后再對(duì)兩者做差求得計(jì)權(quán)后的傳遞損失，見(jiàn)式(2)，Z 振級(jí)計(jì)權(quán)因子參考標(biāo)準(zhǔn)(ISO 2631—1：1997)[10]。

式中，VLt-w為同一斷面道床與隧道壁之間Z 計(jì)權(quán)傳遞損失值(dB)；VLt為道床垂向Z 振級(jí)(dB)；VLw為隧道壁垂向Z 振級(jí)(dB)。位移測(cè)試結(jié)果的評(píng)價(jià)指標(biāo)是過(guò)車時(shí)域數(shù)據(jù)的最大值。

位移測(cè)試數(shù)據(jù)分析時(shí)域數(shù)據(jù)峰值大小作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。為消除隨機(jī)干擾，以下分析結(jié)果均按照每個(gè)測(cè)點(diǎn)選取20 組數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值進(jìn)行。

2.2 時(shí)域分析

列車經(jīng)過(guò)各測(cè)試斷面時(shí)，道床和隧道壁測(cè)點(diǎn)的典型加速度時(shí)程如圖5～6 所示，由圖中可以明顯看出，高等、中等減振道床振動(dòng)加速度的最大值是普通道床的19 倍，而相對(duì)應(yīng)的隧道壁垂向振動(dòng)加速度的最大值是普通道床的1/6。這是由于復(fù)合減振墊剛度較小導(dǎo)致多等級(jí)減振浮置板道床振動(dòng)較為劇烈，同時(shí)其對(duì)過(guò)車振動(dòng)又有較好的衰減作用。

圖6 隧道壁垂向振動(dòng)加速度典型時(shí)程曲線Figure 6 Typical time history curve of vertical vibration acceleration of tunnel wall

各測(cè)試斷面測(cè)點(diǎn)的典型位移時(shí)程如圖7～8 所示，20 組數(shù)據(jù)最大值平均值統(tǒng)計(jì)如表3 所示?？梢缘玫剑叩?、中等減振道床地段軌道板垂向及橫向位移均比普通道床大，且均不大于2 mm，滿足《浮置板軌道技術(shù)規(guī)范》(CJJ/T 191—2012)中不大于3 mm 的要求。

表3 道床位移統(tǒng)計(jì)Table 3 Displacement statistics table of the ballast bed mm

圖8 道床橫向位移典型時(shí)程曲線Figure 8 Typical time history curve of the transverse displacement of the ballast bed

2.3 隧道壁分頻振級(jí)差值分析

表4 和圖9 分別為Z 計(jì)權(quán)后高等、中等減振道床和普通道床各斷面隧道壁的垂向振級(jí)實(shí)測(cè)結(jié)果平均值統(tǒng)計(jì)表和1/3 倍頻程振級(jí)頻譜圖。

表4 隧道壁垂向Z 振級(jí)統(tǒng)計(jì)Table 4 Statistics of vertical Z vibration levels of tunnel wall dB

圖9 減振道床與普通道床隧道壁分頻振級(jí)對(duì)比Figure 9 Comparison of frequency divided vibration levels for tunnel walls of damping track bed and ordinary track bed

由表4 和圖9 可以得到，高等減振道床與普通道床相比，減振效果為13.9 dB，其中在20～200 Hz 頻帶范圍內(nèi)減振效果明顯，分頻振級(jí)最大值為49.9 dB(斷面3)，位于80 Hz 中心頻率處；中等減振道床與普通道床相比，減振效果為8.5 dB，其中在50～200 Hz頻帶范圍內(nèi)減振效果明顯，分頻振級(jí)最大值為54.4 dB(斷面6)，位于63 Hz 中心頻帶處；同時(shí)由圖9 可以得出，所有的普通道床斷面隧道壁的分頻振級(jí)最大值均位于63 Hz 中心頻率處，最大值為64.8 dB(斷面7)。

2.4 道床與隧道壁傳遞損失分析

經(jīng)過(guò)分析得到，普通道床的4 個(gè)斷面的傳遞損失基本一致，在此只選取普通道床斷面2 進(jìn)行分析，其他斷面不再贅述。同樣，高等、中等減振道床各選取斷面4 和斷面6 進(jìn)行分析，另一斷面不再贅述。表5給出了普通道床、高等減振道床、中等減振道床與對(duì)應(yīng)隧道壁的垂向加速度分頻振級(jí)傳遞損失比較結(jié)果。

表5 道床與隧道壁之間的傳遞損失值Table 5 Transfer loss values between track bed and tunnel wall dB

由表4、圖10～11 可以得到，高等、中等減振道床的各分頻振級(jí)傳遞損失效果分別是普通道床的3.6 倍和2.8 倍，可見(jiàn)該復(fù)合型減振墊具有較好的減振效果。

圖10 同一斷面道床與隧道壁Z 振級(jí)曲線Figure 10 Z-vibration level curve of track bed and tunnel wall at the same section

圖11 多等級(jí)減振道床與普通道床插入損失曲線Figure 11 Insertion loss curve of multilayer damping track bed and ordinary track bed

實(shí)際工程中，可根據(jù)地鐵線路過(guò)車振動(dòng)大小及地鐵線路與擬建建筑距離等影響因素，選擇高等、中等減振預(yù)制道床進(jìn)行設(shè)計(jì)安裝。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)青島地鐵4 號(hào)線張彭區(qū)間多等級(jí)減振預(yù)制道床與普通道床過(guò)車振動(dòng)及位移測(cè)試分析，可以得到以下主要結(jié)論：

1) 在地鐵車輛實(shí)際載客運(yùn)行及速度70 km/h 左右時(shí)，高等、中等減振道床較普通道床減振效果(分頻振級(jí)均方根差值平均值)分別為13.9 和8.5 dB；高等、中等減振道床斷面道床與隧道壁之間的Z 振級(jí)傳遞損失值分別為45.8 和35.1 dB。

2) 多等級(jí)減振通用預(yù)制道床的高等減振道床、中等減振道床以及普通道床，過(guò)車時(shí)，垂向位移分別為2.298、0.265 和0.058 mm；橫向位移分別為0.046、0.025 和0.019 mm，均滿足《浮置板軌道技術(shù)規(guī)范》(CJJ/T 191—2012)中的要求。

3) 多等級(jí)減振通用預(yù)制道床減振效果明顯，可根據(jù)不同需求自由選擇減振等級(jí)，研究結(jié)果對(duì)減振通用預(yù)制道床的發(fā)展具有一定的指導(dǎo)意義。