劉鵬輝， 楊宜謙， 尹 京

(中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

為緩解城市化建設步伐加快帶來的巨大交通壓力，軌道交通作為城市交通系統(tǒng)的發(fā)展重點近年來得到迅猛發(fā)展。而由列車運行產生的振動對環(huán)境影響亦引起高度重視[1-3]。我國曾對4城市的鐵路環(huán)境振動做過現(xiàn)場實測[4]，初步了解鐵路沿線居民區(qū)受列車運行引起的環(huán)境振動影響狀況，并制定了《城市區(qū)域環(huán)境振動標準》。

進入21世紀，我國城市軌道交通建設發(fā)展快速，對北京、上海、廣州、深圳等城市地鐵、輕軌引起的環(huán)境振動問題的研究已取得研究成果[5]。深圳地鐵一期工程道床減振降噪科研項目在國內首次從理論分析、仿真計算、足尺模型試驗、運營檢測等方面研究、設計適合地鐵的鋼彈簧浮置板、橡膠浮置板及彈性支承塊3種軌道結構[6]。為評價、防治軌道交通引起的振動可能對環(huán)境及周邊建筑物內居民生活、工作影響，北京市地鐵公司、北京市環(huán)境保護局、北京交通大學等對北京地鐵1、5號線許多區(qū)段進行現(xiàn)場測試，并獲得大量有價值的測試數(shù)據(jù)；通過理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場試驗，獲得有關列車作用的地面、隧道及高架橋梁振動及對周圍環(huán)境、建筑物影響的研究成果[7-10]。

通過對北京某號線地鐵隧道內普通整體道床、Ⅲ型軌道減振器、彈性短軌枕(彈性支承塊)、梯形軌枕、鋼彈簧浮置板道床的現(xiàn)場振動測試，對不同減振軌道結構的實際減振效果進行評價，為今后的軌道減振設計提供借鑒。

1 測試儀器及測點布置

所測5種軌道型式均鋪設于單洞單線的圓形隧道內，不同軌道結構測試地點所處曲線半徑、地質條件、隧道結構、行車速度及隧道軌面埋深等對比見表1。測點布置示意圖見圖1。測試內容包括鋼軌鉛垂向加速度，道床、梯形軌枕、短軌枕鉛垂向加速度，隧道壁鉛垂向、橫向加速度及列車通過速度。

表1 不同軌道類型簡況對比

測試采用16位精度的INV306智能信號采集處理分析儀，所用內裝IC壓電加速度傳感器具有低阻抗輸出、抗干擾、噪聲小等特點，主要技術指標見表2。自動觸發(fā)采樣，采樣頻率2 560 Hz，時間間隔0.39 ms。

圖1 測點布置示意圖

表2 加速度傳感器技術指標

測試列車為實際運營的B型4軸車空車，固定軸距2.3 m，車輛定距12.6 m，6輛編組。

2 評價標準及數(shù)據(jù)處理方法

分析軌道交通軌道減振措施減振效果時尚無對應的標準規(guī)范，評價城市區(qū)域環(huán)境振動(人體承受建筑物內振動)時，應據(jù)GB10071-1988與JGJ/T 170-2009進行測量、評價，采用1～80 Hz頻率范圍內的Z振級插入損失值作為減振措施的評價量。插入損失即為有無隔振裝置時的加速度級差。

插入損失定義為：

(1)

式中：a2R為無隔振裝置時響應；a2為有隔振裝置時響應。當L1≥0時，隔振系統(tǒng)起作用；當L1≤0時，隔振系統(tǒng)無衰減作用。

對式(1)進行變換，引入基準加速度a0=10-6m/s，得：

(2)

L1=VL2R-VL2

(3)

本文統(tǒng)一用振動加速度分別計算彈簧浮置板、梯形軌枕、軌道減振器、彈性短軌枕相對于普通整體道床的對比損失。加速度有效值計算時常為列車通過時段，Z振級采用時間計權常數(shù)為1 s。每個測點振動加速度以6～10次測量數(shù)據(jù)的算術平均值作為該點測量結果。

3 測試結果與分析

3.1 時域分析

表3 不同軌道結構振動加速度級(dB)

注意：加速度有效值的計算時常為列車通過時段8 s。

圖2 鋼軌振動加速度典型時域波形圖

圖3 隧道壁振動加速度典型時域波形圖

圖4 不同軌道結構隧道壁對比損失

圖2、圖3為不同軌道結構在列車通過時的鋼軌及隧道壁時域波形。由表3、圖2～圖4看出：

(1) 軌道減振器、梯形軌枕、彈性短軌枕及鋼彈簧浮置板可降低隧道壁VLZmax為4 dB，7.6 dB，7.8 dB，19.0 dB；VLZ10為3.7 dB，7.8 dB，6.4 dB，17.8 dB。

(2) 與普通整體道床隧道壁不計權振動加速度級相比，軌道減振器對應于1～80 Hz對比損失7.9 dB，1～200 Hz為8.9 dB，1～1 000 Hz為9.9 dB；梯形軌枕對應于1～80 Hz對比損失為9.3 dB，1～200 Hz為9.4 dB，1～1000 Hz為15.3 dB；彈性短軌枕對應于1～80 Hz對比損失為9.8 dB，1～200 Hz為10.2 dB，1～1 000 Hz為13.5 dB；鋼彈簧浮置板對應于1～80 Hz為22.9 dB，1～200 Hz為23.7 dB，1～1 000 Hz為28.0 dB。

(3) 無論何種軌道減振措施，均表現(xiàn)為高頻減振效果高于低頻減振效果。各種軌道減振措施對應于不同上限截止頻率，振動加速度級不同，對應減振效果亦不同。截止頻率越高，振動加速度級越高，減振效果亦越好。隧道壁處對應于1～1 000 Hz與1～80 Hz的振動加速度級相差10 dB，對比損失差別6～10 dB。

(4) 人體全身垂向振動感覺敏感的振動頻率為1～80 Hz，其中4～10 Hz最敏感。由于梯形軌枕、軌道減振器、彈性短軌枕對40 Hz頻率范圍內的降振效果不明顯，VLZmax，VLz10減振效果均明顯小于不計權振動加速度級的減振效果。

(5) 不同減振軌道在減小隧道壁與地面振動的同時，放大了軌道結構部件振動。如軌道減振器增大鋼軌振動加速度5.2 dB；鋼彈簧浮置板道床增大道床振動加速度級10.4 dB。減振性軌道放大了部分軌道結構部件的振動加速度，影響軌道結構的穩(wěn)定性，亦會增加軌道養(yǎng)護維修成本。

(6) 軌道減振效果與諸多因素有關，各廠家或測量單位給出的各種減振措施減振效果應注明測量方法、評價量、頻率范圍、計權網絡、測點位置等與減振效果直接相關的邊界條件及報告減振型軌道的自振特性。

3.2 頻域分析

城市軌道交通地下線振動頻率因受不同軌道結構形式、不同列車類型、運行速度、隧道結構、地質條件等諸多因素影響，有不同的振動頻率特性。彈簧浮置板、梯形軌枕、軌道減振器、彈性短軌枕軌道及普通整體道床鋼軌、道床、隧道壁振動加速度1/3倍頻程頻譜圖見圖5。未計權與4～200 Hz計權的隨道壁振動加速度1/3倍頻程頻譜見圖6。

表4 各種減振措施隧道壁處不同頻段減振效果

表5 各種減振措施隧道壁處分頻振級(4～200 Hz)

由表4、表5、圖5～圖7看出：

(1) 地鐵振動源頻譜特性呈寬頻帶特性，以f= 80～ 1 000 Hz 頻率為主；不同軌道結構、隧道結構及地質條件，其振動加速度不同；各種軌道結構鋼軌振動加速度頻譜均以630～1 000 Hz為主，道床、隧道壁在31.5～60 Hz處峰值明顯，主要由輪軌相互耦合作用所致。

圖5 軌道結構振動加速度1/3倍頻程頻譜圖

圖6 隧道壁振動加速度1/3倍頻程頻譜圖

(2) 軌道結構系統(tǒng)自振特性不同，鋼軌、道床、隧道壁等振動加速度在不同頻率處峰值明顯。如鋼彈簧浮置板自振頻率7.5～8 Hz，其鋼軌、道床、隧道壁的振動加速度在中心頻率8 Hz處峰值明顯；梯形軌枕自振頻率25～35 Hz，鋼軌、梯形軌枕、道床、隧道壁在25～40 Hz處峰值明顯。

(3) 據(jù)JGJ/T 170-2009規(guī)定，隧道壁4～200 Hz頻率范圍垂向振動加速度級按ISO2631/1-1997規(guī)定的Z計權因子修正后所得各中心頻率振動加速度級見圖6(b)，分頻最大振級見表5。普通整體道床VLmax為66.6 dB；鋼彈簧浮置板VLmax為47.3 dB；梯形軌枕VLmax為62.5 dB；軌道減振器VLmax為65.4 dB；彈性短軌枕VLmax為58.3 dB。

(4) 與普通整體道床相比，梯形軌枕、彈性短軌枕、軌道減振器高于40 Hz時減振效果明顯；浮置板高于12.5 Hz時減振效果明顯，對控制列車運行產生的二次輻射噪聲影響更有效。

(5) 為獲得較好減振效果，軌道結構固有頻率須設計較低，但難保證列車運行安全性及旅客乘坐舒適性，一般認為軌道隔振無法解決10～15 Hz以下振動，減小低于10～15 Hz振動只能通過改善車輛轉向架性能(低剛度懸掛系統(tǒng)、彈性車輪)解決。

圖8 普通整體道床Z振級典型時域波形

3.3 振動源強

HJ453-2008中針對列車運行振動對環(huán)境保護目標影響進行預測。環(huán)境預測時，振動源強確定與預測參數(shù)選取極為重要。據(jù)該規(guī)定定義的振動源強，將測試中速度約60 km/h的VLzmax，VLz10算術平均。普通整體道床Z振級典型波形見圖8。獲得B型車空車時北京地鐵振動源強VLzmax，VLz10分別為82.5 dB，79.3 dB。

4 結 論

(1) 目前地鐵采用的軌道減振措施對隧道壁振動減振效果為：梯形軌枕、彈性短軌枕、鋼彈簧浮置板各自降低隧道壁VLZmax分別為4 dB，7.6 dB，7.8 dB，19.0 dB。

(2) 軌道減振措施表明，減振效果高頻高于低頻；VLZmax，VLz10減振效果小于不計權的振動加速度級。

(3) 受不同軌道結構形式、不同列車類型、運行速度、隧道結構、地質條件等諸多因素影響，振動頻率特性亦不同。地鐵振動源頻譜特性呈寬頻帶特性，鋼軌振動加速度頻譜以630～1 000 Hz為主，道床、隧道壁在31.5～60 Hz范圍內的峰值均由輪軌相互耦合作用產生。

(4) 北京地鐵空車時振動源強VLzmax，VLz10分別為82.5 dB，79.3 dB。

(5) 減振軌道在減小隧道壁與地面振動的同時，會放大部分軌道結構部件振動，應予以重視、研究；用新型減振型軌道或軌道設計參數(shù)有重大變化時，應對列車行車安全指標(脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力)進行檢測試驗。

致謝：感謝北京城建設計研究總院、北京京港地鐵有限公司的協(xié)助！

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