王志強，王安斌，白 健，雷 濤

（1.中船重工第七二五研究所 洛陽雙瑞橡塑科技有限公司，河南省減振降噪材料工程技術(shù)研究中心,河南 洛陽 471003；2.成都地鐵運營有限公司，成都 610000）

地鐵是城市現(xiàn)代化的一種重要交通工具之一。由于具有不占用地面空間、運量大、速度快、準時、方便等優(yōu)點，已經(jīng)成為解決城市交通擁擠和減少噪聲大氣污染的一種有效手段。但與此同時，地鐵運營引起的振動和噪聲對環(huán)境的影響也越來越引起人們的重視。據(jù)有關(guān)國家統(tǒng)計，除工廠、企業(yè)和建筑工程外，交通系統(tǒng)引起的環(huán)境振動是公眾反映中最為強烈。

近年來，國內(nèi)外對城市鐵路和地鐵運行引起的振動和噪聲進行了廣泛的研究。Gladwell等[1]現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)，城市軌道交通引起的結(jié)構(gòu)及地面振動主要為低頻問題，主要頻率范圍為40～100 Hz，當(dāng)列車運行速度為50～80 km/h時，在列車經(jīng)過隧道內(nèi)對振動和噪聲進行測試，振動的峰值出現(xiàn)在40～80 Hz附近[2]。在軌道振動控制中，采用彈性扣件隔振是最簡單經(jīng)濟的方法，現(xiàn)有的彈性扣件有諧振式浮軌扣件、VANGUARD、GJ-III、克隆蛋等。其中GJ-III型減振扣件是中等減振類的彈性扣件，已在廣州地鐵，上海地鐵，杭州地鐵，成都地鐵等線路得到廣泛的應(yīng)用。同時GJ-III扣件也在廣州地鐵5號線直線電機軌道系統(tǒng)中使用并通過最終試驗測試，完全能夠滿足直線電機系統(tǒng)對軌道結(jié)構(gòu)及減振的要求[3]。

本文針對成都地鐵一號線三種不同扣件系統(tǒng)線路的軌道動態(tài)變形及振動做了現(xiàn)場的對比測試分析，三種線路測試位置分別為：GJ-III扣件系統(tǒng)在文殊院站至人民北路站上行線段K 6+350處的，曲線半徑為450 m；GJ-I扣件系統(tǒng)在錦江賓館站至華西壩站上行線K 10+130處的，曲線半徑為500 m；DTV I2扣件系統(tǒng)在高新站至火車南站上行線K 14+50處的，曲線半徑700 m。三種工況試驗比較均在記錄同等車（軸載）相近車速條件下的試驗結(jié)果。對比測試分析軌道變形、軌道振動、道床及隧道壁振動等[4]。

1 軌道扣件系統(tǒng)

DTVI2扣件為普通彈性分開式，扣件的設(shè)計名義節(jié)點垂直靜剛度為20～40 kN/mm。

GJ-I型軌道減振器為硫化型扣件，節(jié)點垂直靜剛度為11～14 kN/mm。

GJ-III型減振降噪扣件是基于底板型扣件系統(tǒng)設(shè)計，并通過雙層非線性彈性墊板系統(tǒng)以降低系統(tǒng)垂向剛度增加隔振效果和提高扣件扭轉(zhuǎn)剛度及結(jié)構(gòu)阻尼來控制二次噪聲與振動?？奂到y(tǒng)主要由軌下非線性彈性墊、上鐵墊板、中間非線性彈性墊、下鐵墊板和自鎖裝置等組成，如圖1所示?？奂?jié)點的垂直靜剛度為10～15 kN/mm。

圖1 GJ-III型雙層非線性減振扣件

GJ-III型扣件雙層彈性結(jié)構(gòu)采用了“非線性高扭抗減振墊板”設(shè)計，能在鋼軌變形安全條件下使垂向靜剛度降低，最低可達5 kN/mm；中間非線性彈性墊可從無預(yù)載狀態(tài)開始工作，不受錨固螺栓擰緊力的影響，充分利用了彈性墊的彈性，具有良好的減振降噪效果；扣件橫向、扭轉(zhuǎn)剛度高，具有良好的過載保護功能，安全性好。

軌下彈性墊板如圖2所示，下圖是由帶有釘柱的彈性凸體及連接板組成，上圖為彈性墊板剖面圖。圖3是典型的GJ-III型扣件載荷—變形曲線，可以看出隨著載荷的增大，變形遞增減小，剛度非線性急劇提高（剛度為載荷—變形曲線斜率），從而提供高扭轉(zhuǎn)剛度，控制鋼軌軌頭橫向變形。

圖2 GJ-III非線性彈性墊示意圖

圖3 GJ-III扣件非線性剛度曲線

2 軌道動態(tài)變形及振動測試

在線動態(tài)測試選取地鐵列車正常運營狀況下行車高峰時段，對運營高峰階段各測試線路的動態(tài)變形及振動記錄30輛列車。各種工況試驗比較應(yīng)盡可能選取相近線路、同等車型、相近車速條件下的試驗結(jié)果。

2.1 軌道變形測量

軌道變形測量選在鋪設(shè)扣件地段中部，測試位置如圖4所示的兩個扣件跨度的1/2處。鋼軌相對道床的變形通過變形測量傳感器進行測量。傳感器安裝在與道床相連的萬向節(jié)支架上，每個傳感器探頭都垂直于目標(biāo)板上的測量表面。

圖4 軌道振動變形位移計布置圖

使用6個記錄通道，其中4個用來測量鋼軌兩邊相對道床的垂直變形，2個用來測量鋼軌相對道床的橫向變形，具體位移傳感器分布如圖5所示。

圖5 跨度1/2處鋼軌相對道床傳感器布置

2.2 軌道振動測量

軌道的振動測量截面位置與鋼軌變形測試位置圖4相同，即在扣件跨度的1/2處同一截面處，測量傳感器位置如圖6所示。

主要測試點有：

（1）對左右鋼軌軌底座的垂直方向及軌腰的橫向振動；

城市軌道交通的車輛密度大，運輸量較高，在工程設(shè)計上，主要以行車間隔縮短為主。在該種方式的作用下，可以進一步提升服務(wù)質(zhì)量，降低旅客的候車時間以及工程總體投資數(shù)額。但在信號ATP系統(tǒng)的作用下，該項操作的實際效果并沒有很好的體現(xiàn)出來，如“車、地”通信速率、軌道區(qū)段長度等因素，在具體應(yīng)用過程中不能將行車距離無限縮短，而且最小行車間隔對整個系統(tǒng)方案設(shè)計影響較大。信號ATP系統(tǒng)的出現(xiàn)，主要是利用各種控制參數(shù)來確定行車間隔。站在實際工程角度來說，應(yīng)該以實際施工方案內(nèi)容內(nèi)容、線路、距離等綜合因素為主，建立起一個合理的投資計劃，最終滿足車輛信號系統(tǒng)的設(shè)計要求。

（2）對軌道道床中央的垂直方向和橫向振動。

圖6 跨度/2處鋼軌及道床上加速計位置

2.3 隧道壁振動測量

與軌道變形和振動測試一樣，在截面對應(yīng)的隧道壁垂直方向及橫向振動進行測量，主要利用固定在隧道壁上的固定塊來放置加速度計，加速度計位置如圖7所示。

圖7 隧道壁振動加速度放置位置

3 測試設(shè)備、儀器校準、數(shù)據(jù)記錄

測量變形和加速度的放大器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)安裝在專用的小型儀器箱內(nèi)并固定在指定位置，放大器安裝在測試點附近以避免使用較長的傳輸電纜而影響傳輸信號的質(zhì)量。每次車輛經(jīng)過時測量儀器由電腦控制記錄分析程序自動由位移或振動響應(yīng)信號激發(fā)并采集變形和加速度及噪聲數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)將自動保存在電腦并進行分析。

存放在電腦中的數(shù)據(jù)隨后將對變形進行準靜態(tài)統(tǒng)計分析和對軌道振動的頻譜分析。所有傳感器、放大器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及分析軟件預(yù)先經(jīng)過檢驗與校準。

4 試驗分析

4.1 變形測試分析

變形測量在線路的正常運行車輛下營運的車輛進行，每種工況分析比較的車輛不少于20輛。兩根鋼軌的變形分析分別針對每輛車的導(dǎo)向軸和從動軸進行。行車速度通過變形時間記錄信號及車輛幾何參數(shù)進行計算。為了穩(wěn)定每個測試點的測試結(jié)果及相對比較性，只對列車通過各測試點的速度在平均速度±10%之間的記錄進行平均。對相同的車軸（導(dǎo)向軸和從動軸）經(jīng)過時產(chǎn)生的變形量取平均值。

鋼軌中心的垂直變形由鋼軌兩邊測得的垂直變形量取平均值。鋼軌的扭轉(zhuǎn)變形定義為鋼軌在軌腳處外側(cè)的變形量減去內(nèi)側(cè)的變形量除以2，然后乘以幾何系數(shù)（軌腳寬度比軌腳的外側(cè)垂直變形傳感器到軌腳的內(nèi)側(cè)垂直變形傳感器之間的距離）。軌頭的水平變形量由鋼軌軌腳的橫向變形測量加上鋼軌因扭轉(zhuǎn)在軌頭處的橫向分量。左右兩鋼軌對不同軌道扣件系統(tǒng)的變形平均值如表1所示。

水平負值—相對軌道中心向外變形

扭轉(zhuǎn)負值—相對軌道中心向外轉(zhuǎn)動（軌距增加）

鋼軌相對道床垂直變形在DTVI2扣件為0.57 mm；GJ-I型軌道減振器為1.45 mm；GJ-III減振扣件為1.57 mm；DTVI2扣件、GJ-I型軌道減振器、GJ-III減振扣件的三種道床結(jié)構(gòu)最大動態(tài)軌距擴大量分別為0.22 mm、0.14 mm和0.22 mm，符合《中華人民共和國鐵道部鐵路線路維修規(guī)則》（1998年1月1日施行）對試驗車速v＜100 km/h軌道動態(tài)軌距I級保養(yǎng)標(biāo)準允許偏差管理值的規(guī)定（偏差-6～+12范圍內(nèi)）[5]。

4.2 隧道振動測試Z振級分析

道床和隧道壁的垂向Z振級直接影響隧道上方地面及建筑物的振動環(huán)境水平。對道床和隧道壁Z振級的測量和分析主要感興趣的主要頻率范圍大約從1 Hz到80 Hz，其振動用Z加權(quán)的加速度級dBz表示。由于隧道橫向振動分量的傳播同樣會影響隧道上方地面或建筑物的垂向Z振動特別是隧道兩測的振動，所以對道床和隧道墻壁的橫向振動也采用Z振級給出供振動水平評估參考。圖8是三種扣件系統(tǒng)道床Z振級1/3倍頻程譜。圖9是三種扣件系統(tǒng)隧道墻壁z振級1/3倍頻程譜。

三種扣件道床及隧道墻壁實測的總Z振級如圖10所示。

GJ-III減振扣件、GJ-I型軌道減振器、DTVI2扣件道床及隧道壁加速度振動Z振級VLz統(tǒng)計情況見表2。

圖9 三種扣件隧道壁Z振級1/3倍頻譜

為了比較不同扣件的減振效果，對比條件需相似，由于三種扣件的線路測試位置的列車運行速度不同，需要對速度進行等效，根據(jù)FTA[6]的研究，列車運行速度對地面?zhèn)鬟f的振動與噪聲的影響可由下列公式等效計算其修正值。對于GJ-I扣件及GJ-III扣件等效列車速度為62 km/h的Z振級如表3所示。

在等效的條件下，道床在GJ-III減振扣件道床的垂向Z振級比DTV I2扣件普通道床降低了10.1 dB(z)，橫向Z振級降低7.8 dB(z)。隧道墻壁垂向的Z振級GJ-III減振扣件比DTV I2扣件普通道床降低8.6 dB(z)，橫向降低9.3 dB(z)。

表1 成都地鐵一號線平均軌道變形(mm)

表2 三種扣件道床及隧道Z振級（dB(z)）

表3 等效振動級數(shù)下振動比較（dB(z)）

道床在GJ-I型減振扣件道床的垂向Z振級比DTV I2扣件道床降低10.0 dB(z)，橫向Z振級低7.0 dB(z)。隧道墻壁垂向的Z振級在GJ-I型減振扣件道床與DTV I2扣件普通道床相比低7.2 dB(z)，隧道墻壁橫向的Z振級比DTV I2扣件普通道床低7.5 dB(z)。

5 結(jié)語

（1）安全性：成都地鐵一號線路上使用的三種扣件系統(tǒng)，鋼軌相對道床垂直變形在DTV I2扣件為0.57 mm；GJ-I型軌道減振器為1.45 mm；GJ-III減振扣件為1.57 mm；DTV I2扣件、GJ-I型軌道減振器、GJ-III減振扣件的三種道床結(jié)構(gòu)最大動態(tài)軌距擴大量分別為0.22 mm、0.14 mm和0.22 mm，均符合車輛運行安全要求。

（2）GJ-III減振扣件與DTV I2扣件道床、隧道Z振級比較：GJ-III減振扣件道床的垂向Z振級比DTV I2扣件普通道床降低了10.1 dB(z)，橫向Z振級降低7.8 dB(z)。隧道墻壁垂向的Z振級GJ-III減振扣件比DTVI2扣件普通道床降低8.6 dB(z)，橫向降低9.3 dB(z)。

（3）GJ-I型軌道減振器與DTV I2扣件道床、隧道Z振級比較：GJ-I型軌道減振器道床的垂向Z振級比DTV I2扣件道床降低10.0 dB(z)，橫向Z振級低7.0 dB(z)。隧道墻壁垂向的Z振級在GJ-I型減振扣件道床與DTV I2扣件普通道床相比低7.2 dB(z)，隧道墻壁橫向的Z振級比DTV I2扣件普通道床低7.5 dB(z)。

[1]G.M.L.Gladwell,G.Zimmermann.On energy and complementary energy formulations of acoustic and structural vibration problem[J].Journal of Sound and Vibration,1966,22(3):233-241.

[2]王安斌，劉浪靜，黃紅東，等.潘得路先鋒減振扣件系統(tǒng)及在廣州地鐵上的應(yīng)用[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2006，2：24-27.

[3]張 濤，張 波，齊 春，左書藝.直線電機軌道工程GJ-III型減振降噪扣件的應(yīng)用[M].鐵路標(biāo)準設(shè)計，2009，8：10-13.

[4]洛陽雙瑞橡塑科技有限公司.《成都軌道交通一號線軌道動態(tài)變形及振動測試分析報告》[R].2012，9.

[5]中華人民共和國鐵道部鐵路線路維修規(guī)則[S]（.1998年1月1日施行）.

[6]Carl E H,David A T,Lance D M.Federal Transit Administration:Transit noise and vibration impact assessment,office of planning and environment federal transit administration[R].May,2006.