佘才高 ，張伯林 ，劉鐵旭 , ，陳 鵬 , ，霍海龍 ,

（1. 南京地鐵集團(tuán)有限公司，南京 210000；2. 北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100037； 3. 北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044；4. 城市軌道交通綠色與安全建造技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室， 北京 100037；5. 北京市軌道結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，北京 100037）

地鐵由于其運(yùn)量大、速度快、準(zhǔn)點(diǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為解決城市交通擁堵問題的一種有效措施[1]。近年來隨著城市軌道交通的快速發(fā)展和人們生活水平的提高，列車運(yùn)行引發(fā)的環(huán)境問題越發(fā)引起人們的關(guān)注，尤其是振動(dòng)和噪聲問題[2-3]。列車運(yùn)行引起的軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)通過周圍地層向外傳播，會(huì)誘發(fā)地面建筑物的二次振動(dòng)和噪聲輻射，對(duì)居民生活、工作造成一定影響[4]。

針對(duì)城市軌道交通振動(dòng)噪聲問題，多種減振措施已經(jīng)在實(shí)際運(yùn)營中得到應(yīng)用，并取得了較好的效果。高曉剛等[5]通過振動(dòng)及頻譜響應(yīng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，對(duì)比了雙層非線性減振扣件、III型軌道減振器扣件及DTVI2扣件的減振情況。馮光福等[6]通過靜、動(dòng)態(tài)試驗(yàn)分析了QY-2 型扣件的減振性能。吳建忠[7]通過落錘減振試驗(yàn)，對(duì)比分析了彈性整體道床和軌道減振器扣件的減振效果。涂勤明[8]通過環(huán)境振動(dòng)測(cè)試分析了鋼彈簧浮置板軌道的減振性能。郭強(qiáng)等[9]通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究了曲線段不同減振軌道的振動(dòng)情況。

現(xiàn)針對(duì)南京地鐵1號(hào)線地鐵列車運(yùn)行引起的珠江路站附近地鐵大廈振動(dòng)及二次結(jié)構(gòu)噪聲問題，在現(xiàn)狀調(diào)研基礎(chǔ)上，提出了振動(dòng)噪聲的整治方案，并開展了系統(tǒng)的測(cè)試研究，對(duì)整治方案實(shí)施前后的振動(dòng)及二次結(jié)構(gòu)噪聲進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 現(xiàn)狀調(diào)研及整治方案

南京地鐵1號(hào)線珠江路站內(nèi)軌道采用DTVI2型扣件，未采取任何減振降噪措施。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)鋼軌焊接接頭處存在低接頭問題。焊接低接頭是線路常見的病害，列車通過焊接低接頭時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊力[10-11]。在不影響既有線運(yùn)營的前提下，本著減振降噪且方便實(shí)施的原則，制定了將DTVI2型扣件替換為減振扣件，同時(shí)進(jìn)行鋼軌低接頭打磨的綜合整治措施。扣件更換措施如圖1所示，鋼軌低接頭的打磨如圖2所示。

圖1 扣件更換措施 Figure 1 Fastener replacement measures

圖2 鋼軌打磨措施 Figure 2 Rail grinding measures

目前，既有的中等減振扣件普遍存在螺栓長度比普通扣件長且無法通用的問題。而且，扣件組裝高度也高于普通扣件10 mm以上，采用此類扣件改造需要對(duì)改造段前后的鋼軌進(jìn)行順坡，會(huì)增大改造難度、壓縮限界凈空。分體嵌套式扣件與其他既有的中等減振扣件相比優(yōu)勢(shì)明顯，軌下墊板、彈條、軌距墊、道釘、套管等零部件可與普通扣件通用，尤其是組裝高度能做到和既有普通扣件一致，不改變軌面高程，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的“原位替換”，也實(shí)現(xiàn)了最大限度上的零部件通用。目前，分體嵌套式扣件已在北京、杭州等城市的既有線改造中采用，取得了很好的效果。此外，在合肥、重慶、西安等城市新建線中已開始逐步推廣應(yīng)用。

2 振動(dòng)噪聲測(cè)試方案

為評(píng)估振動(dòng)噪聲整治措施的效果，對(duì)措施實(shí)施前后的振動(dòng)噪聲水平進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容包括軌行區(qū)振動(dòng)測(cè)試、室內(nèi)振動(dòng)測(cè)試及室內(nèi)噪聲測(cè)試[12-14]。

2.1 測(cè)試設(shè)備

1)采集儀及分析平臺(tái)。隧道振動(dòng)及室內(nèi)振動(dòng)噪聲測(cè)試采用INV3062V網(wǎng)絡(luò)分布式采集儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采用動(dòng)態(tài)測(cè)試分析平臺(tái)軟件DASP進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2)傳感器。軌行區(qū)振動(dòng)測(cè)試隧道壁采用LC0161BG壓電加速度傳感器，其頻率響應(yīng)范圍在0.1～1000 Hz，量程為5 g，測(cè)試精度為0.00002 g。室內(nèi)二次結(jié)構(gòu)噪聲測(cè)試采用丹麥B&K4189-1/2英寸自由場(chǎng)傳聲器，其頻率范圍為6.3～20 kHz，量程為14.5～146 dB；室內(nèi)振動(dòng)測(cè)試采用B&K振動(dòng)加速度計(jì)，測(cè)量信號(hào)頻率分析范圍為4～200 Hz，量程為0.5 g，橫向靈敏度小于1%。

2.2 測(cè)點(diǎn)選擇

南京地鐵1號(hào)線珠江路站附近地鐵線路與地形、建筑物的平面位置關(guān)系如圖3所示，地鐵大廈1樓會(huì)議室中心至左右線線路中心距離分別為20 m和35 m。隧道軌面到地面15 m，DTVI2扣件更換為嵌套式減振扣件的里程范圍(青色線)為上行K9+273～K9+458、下行K9+275～K9+640，隧道內(nèi)的測(cè)點(diǎn)位于站臺(tái)范圍內(nèi)上行K9+375。隧道測(cè)試截面的線路特征見表1。地面建筑物內(nèi)振動(dòng)及二次結(jié)構(gòu)噪聲測(cè)點(diǎn)，位于地鐵大廈室內(nèi)1層會(huì)議室。

圖3 測(cè)試位置平面圖 Figure 3 Test location plan

表1 隧道測(cè)試截面線路特征Table 1 Line characteristics of the test section of a tunnel

2.3 測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)點(diǎn)布置情況如圖4所示。隧道截面測(cè)點(diǎn)布置在遠(yuǎn)離站臺(tái)一側(cè)，包括鋼軌、道床、隧道壁測(cè)點(diǎn)。建筑物內(nèi)振動(dòng)和二次噪聲測(cè)試在地鐵大廈會(huì)議室內(nèi)，房間內(nèi)布置1個(gè)噪聲測(cè)點(diǎn)，距地面高度為1.2 m，朝向房屋中間，如圖4(b)中測(cè)點(diǎn)1；室內(nèi)振動(dòng)布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖4(b)中測(cè)點(diǎn)2～4，測(cè)量室內(nèi)垂向加速度。測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)布置如圖5所示。

圖4 測(cè)點(diǎn)布置示意圖 Figure 4 Schematic diagram of measuring point layout

圖5 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)布置圖 Figure 5 Test site layout

3 測(cè)試結(jié)果分析

3.1 軌行區(qū)振動(dòng)測(cè)試

對(duì)整治措施實(shí)施前后鋼軌、道床和隧道壁垂向振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)點(diǎn)在1～200 Hz頻率段范圍內(nèi)Z計(jì)權(quán)的1/3倍頻程圖如圖6所示，1～80 Hz范圍內(nèi)最大Z振級(jí)見表2。

表2 Z振級(jí)Table 2 Z weighted vibration acceleration levels dB

圖6 Z計(jì)權(quán)1/3倍頻程圖 Figure 6 Z weighted 1/3 octave chart

1)整治措施實(shí)施后道床、隧道壁測(cè)點(diǎn)在全頻帶內(nèi)的振動(dòng)加速度級(jí)均有所降低，其中在1～8 Hz和40～200 Hz內(nèi)振動(dòng)加速度級(jí)的降低尤為明顯；鋼軌測(cè)點(diǎn)除了在12.5～50 Hz頻帶內(nèi)的振動(dòng)加速度級(jí)略有增加外，在其他頻段內(nèi)均有所降低。

2)整治措施實(shí)施前，鋼軌、道床、隧道壁垂向振動(dòng)加速度級(jí)均在63 Hz附近出現(xiàn)較為明顯的峰值。該頻率與DTVI2扣件固有頻率相關(guān)，在更換扣件后頻率變低，三者的垂向振動(dòng)加速度級(jí)峰值頻率均變?yōu)?0～50 Hz頻段。

3)整治措施實(shí)施后鋼軌、道床、隧道壁最大Z振級(jí)比整治措施實(shí)施前分別降低了4.23 dB、15.54 dB和12.73 dB。

通過鋼軌低接頭打磨，提高了平整度，從源頭上降低了振動(dòng)。采用嵌套型減振扣件后改變了扣件自振頻率，從傳播途徑減小了振動(dòng)。從圖7可以看出，兩種措施的采用在中低頻范圍內(nèi)起到了良好的減振降噪作用。

圖7 鋼軌至軌道板插入損失 Figure 7 Insertion loss between rail and track slab

3.2 室內(nèi)振動(dòng)測(cè)試

對(duì)整治措施實(shí)施前后列車經(jīng)過時(shí)室內(nèi)測(cè)點(diǎn)的垂向振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試，在4～200 Hz頻段范圍內(nèi)的Z計(jì)權(quán)的1/3倍頻程中心頻率如圖8所示。

圖8 Z計(jì)權(quán)1/3倍頻程圖 Figure 8 Z weighted 1/3 octave chart

可以看出，整治措施實(shí)施前，各測(cè)點(diǎn)的垂向振動(dòng)加速度級(jí)均在63 Hz附近出現(xiàn)較為明顯的峰值。整治措施實(shí)施后，63 Hz附近峰值已不存在，而是往低頻方向移動(dòng)，幅值比整治措施實(shí)施前有明顯降低。在25～200 Hz頻段內(nèi)，各測(cè)點(diǎn)的垂向振動(dòng)有明顯降低。

列車高峰時(shí)段經(jīng)過測(cè)點(diǎn)時(shí)，對(duì)室內(nèi)各振動(dòng)測(cè)點(diǎn)的加速度信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，得到各測(cè)點(diǎn)加速度分頻最大振級(jí)VLmax，見表3。室內(nèi)振動(dòng)評(píng)估的限值采用晝間65 dB、夜間62 dB。由表3可知，整治措施實(shí)施前，各振動(dòng)測(cè)點(diǎn)分頻最大振級(jí)雖滿足規(guī)范要求，但總體振動(dòng)水平偏大，平均值為52.21 dB；整治措施實(shí)施后，各測(cè)點(diǎn)分頻最大振級(jí)平均為39.91 dB，降低了12.29 dB。測(cè)點(diǎn)2分頻最大振級(jí)降低最明顯，降低了18.20 dB。

表3 分頻最大振級(jí)VLmaxTable 3 Maximum vibration level of frequency division dB

3.3 室內(nèi)二次結(jié)構(gòu)噪聲測(cè)試

圖9為整治措施實(shí)施前后列車經(jīng)過時(shí)噪聲測(cè)點(diǎn)1的A計(jì)權(quán)的倍頻程圖。由圖可見，整治措施實(shí)施后峰值對(duì)應(yīng)的頻率往低頻方向移動(dòng)，且聲壓級(jí)明顯降低。聲壓級(jí)峰值頻率由措施實(shí)施前的63 Hz變?yōu)?0 Hz，峰值處聲壓級(jí)降低了約3 dB(A)。

圖9 A聲級(jí)1/3倍頻程圖 Figure 9 A sound level 1/3 octave chart

對(duì)列車高峰時(shí)段經(jīng)過測(cè)試斷面時(shí)采集到的噪聲信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，得到噪聲測(cè)點(diǎn)1的等效A聲壓級(jí)LAeq，見表4。從表4可以看出，整治措施實(shí)施前，噪聲測(cè)點(diǎn)雖滿足晝間規(guī)范要求，但等效A聲壓級(jí)均在35 dB(A)附近。整治措施實(shí)施后，噪聲水平明顯降低，在30 dB(A)以下，約下降了5 dB(A)。

表4 等效A聲壓級(jí)LAeqTable 4 Equivalent A sound pressure level LAeq

4 結(jié)論

針對(duì)南京地鐵1號(hào)線珠江路站地面建筑振動(dòng)和噪聲問題，開展了隧道振動(dòng)、地面建筑物的振動(dòng)和噪聲的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析，主要有以下結(jié)論。

1)振動(dòng)噪聲整治措施實(shí)施后，軌行區(qū)鋼軌、道床、隧道壁垂向振動(dòng)測(cè)點(diǎn)最大Z振級(jí)比實(shí)施前分別降低了4.23、15.54和12.73 dB。鋼軌、道床、隧道壁垂向振動(dòng)加速度級(jí)峰值對(duì)應(yīng)頻率均從高頻往低頻方向移動(dòng)，且頻率對(duì)應(yīng)的峰值有所減小。

2)振動(dòng)噪聲整治措施實(shí)施后，室內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的垂向振動(dòng)明顯降低減小，各測(cè)點(diǎn)分頻最大振級(jí)的平均值約為40 dB，約降低了12 dB；室內(nèi)等效A聲壓級(jí)小于30 dB(A)，約下降了5 dB(A)。

綜上，鋼軌低接頭增大了輪軌沖擊力，打磨從源頭上減小了振動(dòng)。采用嵌套型減振扣件降低中低頻振動(dòng)，從傳播途徑減小了振動(dòng)。因此，兩種措施的采用起到了減振降噪的作用。整治措施實(shí)施后，軌行區(qū)振動(dòng)、室內(nèi)振動(dòng)及二次結(jié)構(gòu)噪聲均大幅降低，整治效果顯著。