張 曉，廖志軍，余海娜

（1. 紹興市軌道交通集團(tuán)有限公司，浙江紹興 312035；2. 杭州市地鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司，浙江杭州 310017）

目前國(guó)內(nèi)地鐵建設(shè)快速發(fā)展，而地鐵振動(dòng)對(duì)周邊環(huán)境的影響為人們所廣泛關(guān)注，不同行業(yè)振動(dòng)保護(hù)對(duì)象的振動(dòng)控制指標(biāo)不盡相同，包括速度響應(yīng)控制與加速度響應(yīng)控制。同時(shí)也有研究表明，振動(dòng)會(huì)危害人體健康。研究指出，人對(duì)不同頻率的振動(dòng)有不同的反應(yīng)，例如，手對(duì) 30～40 Hz 的振動(dòng)最為敏感，手部操作受影響最嚴(yán)重；眼睛對(duì) 18～50 Hz 的振動(dòng)最為敏感，視覺(jué)干擾最大；頭部對(duì) 2～30 Hz 和 500～1 000 Hz 的振動(dòng)最為敏感；神經(jīng)系統(tǒng)對(duì) 250 Hz 的振動(dòng)最為敏感；上下頜對(duì) 6～8 Hz 的振動(dòng)最為敏感，會(huì)出現(xiàn)語(yǔ)言障礙。另有研究表明，對(duì)于 20 Hz 以下的振動(dòng)，加速度振幅達(dá)到 0.01g時(shí)開(kāi)始引起人的注意；0.05g以上會(huì)使人感到舒適；超過(guò) 0.3g后，就會(huì)造成人體器官平衡失調(diào)，會(huì)引發(fā)頭暈、頭沉、貪睡、疲倦、注意力衰退等。振動(dòng)給人帶來(lái)的后果，嚴(yán)重的還會(huì)造成器官失調(diào)，神經(jīng)系統(tǒng)、心臟血管系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的障礙等。綜上，假設(shè)不對(duì)地鐵產(chǎn)生的振動(dòng)進(jìn)行減振處理，勢(shì)必對(duì)上述的敏感建構(gòu)筑物及人群產(chǎn)生影響，因此，軌道交通減振降噪勢(shì)在必行。

1 土體-隧道有限元建模

地鐵軌道結(jié)構(gòu)形式一般包括有砟軌道和無(wú)砟軌道 2種。目前，對(duì)減振降噪型軌道結(jié)構(gòu)的研究主要集中在彈性扣件、先鋒扣件、彈性支承塊、梯子型軌道、浮置板等無(wú)碴軌道上。本文將選擇彈性扣件、彈性支承塊、浮置板等 3 種典型的軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

首先基于 ANSYS 有限元仿真建立一個(gè)土體-隧道模型（圖 1），土體和隧道均采用上海地鐵工程地質(zhì)參數(shù)，然后通過(guò)輪軌耦合模擬地鐵振動(dòng)，分析其響應(yīng)。模型中設(shè)置 19 個(gè)計(jì)算點(diǎn)，分別位于離隧道中心 2. 27 m處隧道壁，地面距隧道中心水平距離 0 m、10 m、20 m、30 m、40 m、50 m、70 m、90 m、110 m、130 m、150 m、170 m 位置，如圖 2 所示。

2 軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)分析

通過(guò)有限元模擬分析，得出了彈性扣件、彈性支承塊、浮置板 3 種軌道類型工況之下的振動(dòng)傳播規(guī)律，主要包括速度響應(yīng)、加速度響應(yīng)與計(jì)算點(diǎn)距隧道中心距離之間的關(guān)系，以及不同計(jì)算點(diǎn)處 1/3 倍頻程加速度振級(jí)。

圖 1 土體-隧道模型

圖 2 計(jì)算點(diǎn)布置（單位：m）

圖 3 3 種軌道結(jié)構(gòu)速度峰值

圖 4 3 種軌道結(jié)構(gòu)加速度峰值

2.1 速度響應(yīng)分析

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，60～170 m 速度響應(yīng)峰值已相對(duì)較小，與 0～50 m 計(jì)算點(diǎn)速度響應(yīng)峰值相差甚遠(yuǎn)，若放于一圖內(nèi)橫向比較，將無(wú)法辨識(shí) 60～170 m 計(jì)算點(diǎn)速度響應(yīng)峰值變化情況。因此，按不同數(shù)量級(jí)與不同距離，將速度響應(yīng)峰值情況分 3 個(gè)圖展示，以便觀察規(guī)律，見(jiàn)圖 3。

由圖3可知，計(jì)算點(diǎn)距隧道中心水平方向 0～20 m 范圍內(nèi)，浮置板減振效果優(yōu)于彈性支承塊，彈性支承塊減振效果優(yōu)于彈性扣件；計(jì)算點(diǎn)距隧道中心水平方向 20～80 m 范圍內(nèi)，彈性支承塊減振效果優(yōu)于浮置板和彈性扣件，彈性扣件減振效果優(yōu)于浮置板；計(jì)算點(diǎn)距隧道中心水平方向 80～170 m 范圍內(nèi)，彈性支承塊和彈性扣件減振性能相似，都優(yōu)于浮置板。

2.2 加速度響應(yīng)分析

（1）按不同數(shù)量級(jí)與不同距離，將加速度響應(yīng)峰值情況分 3 個(gè)圖展示，見(jiàn)圖 4。由圖 4 可知，計(jì)算點(diǎn)距隧道中心水平方向 0～100 m 范圍內(nèi)，浮置板減振效果優(yōu)于彈性支承塊，彈性支承塊減振效果優(yōu)于彈性扣件；計(jì)算點(diǎn)距隧道中心水平方向100～170 m 范圍內(nèi)，彈性支承塊和彈性扣件減振效果相似，都優(yōu)于浮置板。

（2）圖 5 給出了 3 種軌道結(jié)構(gòu)工況下隧道壁計(jì)算點(diǎn)加速度響應(yīng)對(duì)比圖。由圖 5 可知，隧道壁處，彈性扣件軌道與彈性支承塊軌道工況下，0～10 Hz 范圍振級(jí)從約105 dB 開(kāi)始，隨著頻率增大總體呈遞減趨勢(shì)，減至約 75 dB；10～40 Hz 范圍振級(jí)從約 75 dB 開(kāi)始，隨著頻率增大總體呈遞增趨勢(shì)，增至約 95 dB；40～500 Hz 振級(jí)維持在 100 dB 附近。浮置板軌道工況下，0～10 Hz 范圍振級(jí)從約 105 dB 開(kāi)始，隨著頻率增大總體呈遞減趨勢(shì)，減至約 60 dB；10～40 Hz 范圍振級(jí)從約 60 dB 開(kāi)始，隨著頻率增大總體呈遞增趨勢(shì)，增至約 85 dB；40～150 Hz 范圍振級(jí)從約 85 dB 開(kāi)始，隨著頻率增大總體呈遞減趨勢(shì)，減至約 65 dB；150 Hz 以上振級(jí)維持在 65 dB 附近?？傮w而言，隧道壁處，0～40 Hz 3 種軌道結(jié)構(gòu)的減振效果接近，浮置板對(duì) 40～500 Hz 振動(dòng)減振效果相對(duì)較優(yōu)。

（3）圖 6 給出了 3 種軌道結(jié)構(gòu)工況下地面 0 m 計(jì)算點(diǎn)加速度響應(yīng)對(duì)比圖。由圖 6 可知，地面 0 m 計(jì)算點(diǎn)處，彈性扣件軌道與彈性支承塊軌道工況下，0～10 Hz 范圍振級(jí)從約 105 dB 開(kāi)始，隨著頻率增大總體呈遞減趨勢(shì)，減至約 70 dB；10～40 Hz 范圍振級(jí)從約70 dB 開(kāi)始，隨著頻率增大總體呈遞增趨勢(shì)，增至約90 dB；40～500 Hz 振級(jí)從約 90 dB 開(kāi)始，隨著頻率增大總體呈遞減趨勢(shì)，減至約 40 dB。浮置板軌道工況下，0～10 Hz 范圍振級(jí)從約 105 dB 開(kāi)始，隨著頻率增大總體呈遞減趨勢(shì)，減至約 60 dB；10～40 Hz 范圍振級(jí)從約 60 dB 開(kāi)始，隨著頻率增大總體呈遞增趨勢(shì)，增至約 80 dB；40～500 Hz 范圍振級(jí)從約 80 dB 開(kāi)始，隨著頻率增大總體呈遞減趨勢(shì)，減至約 0 dB?？傮w而言，地面 0 m 計(jì)算點(diǎn)處，0～40 Hz 3 種軌道結(jié)構(gòu)的減振效果接近，40～500 Hz 頻域內(nèi)浮置板減振較優(yōu)。

（4）圖 7 給出了 3 種軌道結(jié)構(gòu)工況下地面 10 m 計(jì)算點(diǎn)加速度響應(yīng)對(duì)比圖。由圖 7 可知，地面10 m計(jì)算點(diǎn)處，彈性扣件軌道與彈性支承塊軌道工況下，0～10 Hz 范圍振級(jí)從約 105 dB 開(kāi)始，隨著頻率增大總體呈遞減趨勢(shì)，減至約 65 dB；10～40 Hz 范圍振級(jí)從約 65 dB 開(kāi)始，隨著頻率增大總體呈遞增趨勢(shì)，增至約 80 dB；40～500 Hz 振級(jí)從約 80 dB 開(kāi)始，隨著頻率增大總體呈遞減趨勢(shì)，減至約 20 dB。浮置板軌道工況下，0～10 Hz 范圍振級(jí)從約 105 dB 開(kāi)始，隨著頻率增大總體呈遞減趨勢(shì)，減至約 55 dB；10～40 Hz 范圍振級(jí)從約 55 dB 開(kāi)始，隨著頻率增大總體呈遞增趨勢(shì)，增至約 75 dB；40～500 Hz 范圍振級(jí)從約 75 dB 開(kāi)始，隨著頻率增大總體呈遞減趨勢(shì)，減至 0 dB?？傮w而言，地面 10 m 計(jì)算點(diǎn)處，0～40 Hz 3 種軌道結(jié)構(gòu)的減振效果接近，40～500 Hz 范圍浮置板軌道減振效果較優(yōu)。

圖 5 3 種軌道結(jié)構(gòu)隧道壁計(jì)算點(diǎn)加速度振級(jí)

圖 6 3 種軌道結(jié)構(gòu)地面 0 m 計(jì)算點(diǎn)加速度振級(jí)

圖 7 3 種軌道結(jié)構(gòu)地面 10 m 計(jì)算點(diǎn)加速度振級(jí)

（5）圖 8 給出了 3 種軌道結(jié)構(gòu)工況下地面 20 m 計(jì)算點(diǎn)加速度響應(yīng)對(duì)比圖。與圖 7 相比，圖 8 加速度振級(jí)普遍明顯降低，且 40 Hz 以上振動(dòng)繼續(xù)加速衰減。彈性扣件軌道與彈性支承塊軌道工況下，0～10 Hz 范圍振級(jí)從約 100 dB 開(kāi)始，隨著頻率增大總體呈遞減趨勢(shì)，減至約 50 dB；10～40 Hz 范圍振級(jí)從約 50 dB 開(kāi)始，隨著頻率增大總體呈遞增趨勢(shì)，增至約 60 dB；40～500 Hz 振級(jí)從約 60 dB 開(kāi)始，隨著頻率增大總體呈遞減趨勢(shì)，減至 0 dB。浮置板軌道工況下，0～10 Hz 范圍振級(jí)從約 100 dB 開(kāi)始，隨著頻率增大總體呈遞減趨勢(shì)，減至約 40 dB；10～40 Hz 范圍振級(jí)從約 40 dB 開(kāi)始，隨著頻率增大總體呈遞增趨勢(shì)，增至約 55 dB；40～500 Hz 范圍振級(jí)從約 55 dB 開(kāi)始，隨著頻率增大總體呈遞減趨勢(shì)，減至 0 dB?？傮w而言，地面 20 m 計(jì)算點(diǎn)處，0～40 Hz 3 種軌道結(jié)構(gòu)的減振效果接近，40～500 Hz 范圍浮置板軌道減振效果較優(yōu)。

（6）圖 9 給出了 3 種軌道結(jié)構(gòu)工況下地面30 m 計(jì)算點(diǎn)加速度響應(yīng)對(duì)比圖。與圖 8 相比，圖 9 加速度振級(jí)普遍進(jìn)一步降低，400 Hz 以上已衰減近 0，其中浮置板軌道已將 200 Hz 以上振動(dòng)減弱近 0。彈性扣件軌道與彈性支承塊軌道工況下，0～10 Hz 范圍振級(jí)從約 95 dB 開(kāi)始，隨著頻率增大總體呈遞減趨勢(shì)，減至約 40 dB；10～40 Hz 范圍振級(jí)從約 40 dB 開(kāi)始，隨著頻率增大總體呈遞增趨勢(shì)，增至約 50 dB；40～500 Hz 振級(jí)從約 50 dB 開(kāi)始，隨著頻率增大總體呈遞減趨勢(shì)，減至 0 dB。浮置板軌道工況下，0～10 Hz 范圍振級(jí)從約 95 dB 開(kāi)始，隨著頻率增大總體呈遞減趨勢(shì)，減至約 30 dB；10～40 Hz 范圍振級(jí)從約 30 dB 開(kāi)始，隨著頻率增大總體呈遞增趨勢(shì)，增至約 45 dB；40～500 Hz 范圍振級(jí)從約 45 dB 開(kāi)始，隨著頻率增大總體呈遞減趨勢(shì)，減至 0 dB?？傮w而言，地面 30 m 計(jì)算點(diǎn)處，0～40 Hz 3 種軌道結(jié)構(gòu)的減振效果接近，40～500 Hz 范圍浮置板軌道減振效果較優(yōu)。

圖 8 3 種軌道結(jié)構(gòu)地面 20 m 計(jì)算點(diǎn)加速度振級(jí)

圖 9 3 種軌道結(jié)構(gòu)地面 30 m 計(jì)算點(diǎn)加速度振級(jí)

圖 10 3 種軌道結(jié)構(gòu)地面 50 m 計(jì)算點(diǎn)加速度振級(jí)

（7）圖 10 給出了 3 種軌道結(jié)構(gòu)工況下地面 50 m 計(jì)算點(diǎn)加速度響應(yīng)對(duì)比圖。由圖 10 可知，地面 50 m 計(jì)算點(diǎn)處，200 Hz 以上振動(dòng)已衰減近 0，其中浮置板軌道已將 120 Hz 以上振動(dòng)減弱為 0。彈性扣件軌道與彈性支承塊軌道工況下，0～10 Hz 范圍振級(jí)從約 80 dB開(kāi)始，隨著頻率增大總體呈遞減趨勢(shì)，減至約 30 dB；10～40 Hz 范圍振級(jí)從約 30 dB 開(kāi)始，隨著頻率增大總體呈遞增趨勢(shì)，增至約 37 dB；40～500 Hz 振級(jí)從約 37 dB 開(kāi)始，隨著頻率增大總體呈遞減趨勢(shì)，減至 0 dB。浮置板軌道工況下，0～10 Hz 范圍振級(jí)從約 80 dB 開(kāi)始，隨著頻率增大總體呈遞減趨勢(shì)，減至約 20 dB；10～40 Hz 范圍振級(jí)從約 20 dB 開(kāi)始，隨著頻率增大總體呈遞增趨勢(shì)，增至約 35 dB；40～500 Hz 范圍振級(jí)從約 35 dB 開(kāi)始，隨著頻率增大總體呈遞減趨勢(shì)，減至 0 dB?？傮w而言，地面 50 m 計(jì)算點(diǎn)處，0～40 Hz 3 種軌道結(jié)構(gòu)的減振效果接近，40～500 Hz 范圍浮置板軌道減振效果較優(yōu)。

（8）圖 11 給出了 3 種軌道結(jié)構(gòu)工況下地面 70 m 計(jì)算點(diǎn)加速度響應(yīng)對(duì)比圖。由圖 11 可知，地面 70 m 計(jì)算點(diǎn)處，100 Hz 以上振動(dòng)已衰減近 0，其中浮置板軌道已將 60 Hz 以上振動(dòng)減弱為 0。彈性扣件軌道與彈性支承塊軌道工況下，0～10 Hz 范圍振級(jí)從約 75 dB開(kāi)始，隨著頻率增大總體呈遞減趨勢(shì)，減至約 10 dB；10～40 Hz 范圍振級(jí)從約 10 dB 開(kāi)始，隨著頻率增大總體呈遞增趨勢(shì)，增至約 17 dB；40～500 Hz 振級(jí)從約 17 dB 開(kāi)始，隨著頻率增大總體呈遞減趨勢(shì)，減至 0 dB。浮置板軌道工況下，0～10 Hz 范圍振級(jí)從約 75 dB 開(kāi)始，隨著頻率增大總體呈遞減趨勢(shì)，減至約 7 dB；10～40 Hz 范圍振級(jí)從約 7 dB 開(kāi)始，隨著頻率增大總體呈遞增趨勢(shì)，增至約 15 dB；40～500 Hz 范圍振級(jí)從約 15 dB 開(kāi)始，隨著頻率增大總體呈遞減趨勢(shì)，減至 0 dB。總體而言，地面 70 m計(jì)算點(diǎn)處，0～40 Hz 3 種軌道結(jié)構(gòu)的減振效果接近，40～500 Hz 范圍浮置板軌道減振效果較優(yōu)。

圖 11 3 種軌道結(jié)構(gòu)地面 70 m 計(jì)算點(diǎn)加速度振級(jí)

圖 12 3 種軌道結(jié)構(gòu)地面 90 m 計(jì)算點(diǎn)加速度振級(jí)

圖 13 3 種軌道結(jié)構(gòu)地面 110～170 m 計(jì)算點(diǎn)加速度振級(jí)

（9）圖 12 給出了 3 種軌道結(jié)構(gòu)工況下地面 90 m計(jì)算點(diǎn)加速度響應(yīng)對(duì)比圖。由圖 12 可知，地面 90 m 計(jì)算點(diǎn)處，50 Hz 以上振動(dòng)已衰減近 0。彈性扣件軌道與彈性支承塊軌道工況下，0～10 Hz 范圍振級(jí)從約 72 dB 開(kāi)始，隨著頻率增大總體呈遞減趨勢(shì)，減至約 5 dB；10～40 Hz 范圍振級(jí)維持在 0～5 dB 范圍；40～500 Hz 振級(jí)從約 5 dB 開(kāi)始，隨著頻率增大總體呈遞減趨勢(shì)，減至約 0 dB。浮置板軌道工況下，0～10 Hz 范圍振級(jí)從約 72 dB 開(kāi)始，隨著頻率增大總體呈遞減趨勢(shì)，減至約 2 dB；10～25 Hz 范圍振級(jí)從約 2 dB 開(kāi)始，隨著頻率增大總體呈遞增趨勢(shì)，增至約 5 dB；25～500 Hz 范圍振級(jí)從約 5 dB 開(kāi)始，隨著頻率增大總體呈遞減趨勢(shì)，減至0 dB。總體而言，地面 90 m 計(jì)算點(diǎn)處，各頻域內(nèi) 3 種軌道減振效果相近。

（10）圖 13 給出了 3 種軌道結(jié)構(gòu)工況下地面 110～170 m 計(jì)算點(diǎn)加速度響應(yīng)對(duì)比圖。由圖 13 可知，110～170 m 計(jì)算點(diǎn)內(nèi)振動(dòng)以 10 Hz 以內(nèi)振動(dòng)為主，從 110 m 計(jì)算點(diǎn)開(kāi)始， 10 Hz 以上振動(dòng)衰減為 0。

通過(guò)圖 5～圖13 中的數(shù)據(jù)對(duì)比可見(jiàn)，0～1 Hz 以內(nèi)的振級(jí)，浮置板軌道工況要大于彈性支承塊和彈性扣件軌道工況，1 Hz 附近的振級(jí)最大；20～40 Hz 內(nèi)的振級(jí)，浮置板軌道工況略大于彈性扣件軌道工況，彈性扣件軌道工況略大于彈性支承塊軌道工況；1～20 Hz 和 40～500 Hz 頻段，浮置板軌道工況減振效果優(yōu)于彈性支承塊軌道工況，彈性支承塊軌道工況減振效果優(yōu)于彈性扣件軌道工況。

3 結(jié)論

本文通過(guò) ANSYS 有限元仿真模型以及輪軌耦合模擬地鐵振動(dòng)，分析了彈性扣件、彈性支承塊、浮置板 3種典型軌道下的加速度響應(yīng)、速度響應(yīng)、計(jì)算點(diǎn)距隧道中心水平方向距離、振動(dòng)頻率之間的關(guān)系，得出結(jié)論如下。

（1）速度響應(yīng)方面。計(jì)算點(diǎn)距隧道中心水平方向 0～20 m 范圍內(nèi)，浮置板軌道減振效果優(yōu)于彈性支承塊，彈性支承塊軌道減振效果優(yōu)于彈性扣件軌道；地面計(jì)算點(diǎn)距隧道中心水平方向 20～80 m 范圍內(nèi)，彈性支承塊軌道減振效果優(yōu)于浮置板和彈性扣件軌道，彈性扣件軌道減振效果優(yōu)于浮置板軌道；地面計(jì)算點(diǎn)距隧道中心水平方向 80～170 m 范圍內(nèi)，彈性支承塊和彈性扣件軌道減振效果相似，都優(yōu)于浮置板軌道。

（2）加速度響應(yīng)方面。計(jì)算點(diǎn)距隧道中心水平方向 0～100 m 范圍內(nèi)，浮置板軌道減振效果優(yōu)于彈性支承塊軌道，彈性支承塊軌道減振效果優(yōu)于彈性扣件軌道；計(jì)算點(diǎn)距隧道中心水平方向 100～170 m 范圍內(nèi)，彈性支承塊和彈性扣件軌道減振效果相似，都優(yōu)于浮置板軌道。

（3）振動(dòng)頻率方面。0～1 Hz 以內(nèi)浮置板軌道的振動(dòng)響應(yīng)略大于彈性支承塊和彈性扣件軌道。20～40 Hz，浮置板軌道振動(dòng)響應(yīng)略大于彈性扣件軌道和彈性支承塊軌道；彈性支承塊和彈性扣件軌道減振效果相似，都優(yōu)于浮置板軌道，優(yōu)先選擇彈性支承塊軌道。1～20 Hz 和40～500 Hz，浮置板軌道減振效果優(yōu)于彈性支承塊軌道，彈性支承塊軌道減振效果優(yōu)于彈性扣件軌道。

[1]耿傳智，廖志軍. 地鐵振動(dòng)衰減特性研究[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，37（3）.

[2]王帥坤. 地鐵振動(dòng)與建筑使用舒適度的研究與評(píng)價(jià)[D]. 黑龍江哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.

[3]劉加華，李志生. 城市軌道交通有碴軌道結(jié)構(gòu)合理道床厚度的探討[J]. 城市軌道交通研究，2001，4（1）.

[4]焦金紅，陳漪漣，嚴(yán)俊，等. 香港西部鐵路無(wú)碴軌道結(jié)構(gòu)及減振降噪措施[J]. 地鐵與輕軌，2003（4）.

[5]高云鋒，岳渠德，岳帥慶. 青島巖層地鐵減振軌道結(jié)構(gòu)選型研究[J]. 青島理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，32（3）.