戴春陽 王璞 趙磊 張艷軍

1.北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100082；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081

軌道交通是大中型城市主要公共交通形式。截至2021 年底，北京地鐵運(yùn)營里程已經(jīng)達(dá)到738 km。GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，線路長度大于20 km 時(shí)需設(shè)置一處車輛段和一處停車場，車輛段和停車場一般統(tǒng)稱為車輛基地。車輛基地平均占地面積約20 萬m2［1］。為集約和充分利用土地資源，有必要對(duì)其進(jìn)行一體化開發(fā)。車輛基地的聯(lián)合檢修庫和運(yùn)用庫上蓋區(qū)域是一體化開發(fā)的重點(diǎn)。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)地鐵列車運(yùn)行引起上蓋振動(dòng)問題進(jìn)行了相關(guān)研究。With等［2］對(duì)瑞典一建筑物在車輛作用下的實(shí)測和預(yù)測振動(dòng)進(jìn)行了對(duì)比，推導(dǎo)出傳遞函數(shù)和振動(dòng)衰減規(guī)律。鄭鳳霞［3］對(duì)香港地鐵車輛段一體化開發(fā)情況進(jìn)行了分析，總結(jié)了設(shè)置減振軌道以及建筑隔振的方案。馮青松、劉文武等［4-6］將實(shí)測數(shù)據(jù)輸入有限元模型中，模擬分析了車輛段上蓋建筑樓板的振動(dòng)響應(yīng)。李曉霖等［7］以北京四惠車輛段為對(duì)象建立有限元模型，分析了振動(dòng)在上蓋建筑中的傳播規(guī)律，發(fā)現(xiàn)建筑物中豎向振動(dòng)更顯著。鄔玉斌等［8］建立了三維精細(xì)化有限元模型，對(duì)地鐵車輛段庫上建筑振動(dòng)進(jìn)行仿真分析，提出樓板自振頻率應(yīng)盡量避開地鐵振動(dòng)主頻范圍。謝偉平等［9］對(duì)杭州某地鐵車輛段上蓋建筑進(jìn)行了測試，發(fā)現(xiàn)增大樓板的厚度及減小跨度會(huì)降低樓板的Z振級(jí)。何蕾等［10］對(duì)北京某地鐵車輛段上蓋開展測試研究，發(fā)現(xiàn)軌道結(jié)構(gòu)與咽喉區(qū)框架結(jié)構(gòu)柱間的距離及上部結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換方式對(duì)振動(dòng)衰減至關(guān)重要。曾澤民［11］選取廣州地鐵某車輛段進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測，結(jié)果顯示不可忽視水平振動(dòng)的影響。Zou 等［12-13］通過對(duì)廣州和深圳某車輛段的現(xiàn)場實(shí)測分析，研究了振動(dòng)沿地面及建筑物的傳遞規(guī)律。

通過對(duì)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的整理分析，發(fā)現(xiàn)庫內(nèi)減振軌道設(shè)計(jì)、現(xiàn)場測試中存在的主要問題為：①聯(lián)合檢修庫和運(yùn)用庫內(nèi)（以下簡稱庫內(nèi)）減振軌道測試還處于“一事一議”狀態(tài)，一條線路只能進(jìn)行一種測試，測試結(jié)果不具備普適性。②與正線振動(dòng)測試數(shù)據(jù)量相比，庫內(nèi)測試數(shù)據(jù)量明顯不足。③庫內(nèi)振動(dòng)源強(qiáng)的預(yù)測方法主要采用工程類比法和仿真分析法，各工程測試地點(diǎn)、試驗(yàn)車輛、軌道結(jié)構(gòu)、速度等存在差異，須要對(duì)測試結(jié)果進(jìn)行修正，而測試結(jié)果不能有效指導(dǎo)仿真分析。④正線采用的減振軌道方案直接在庫內(nèi)車輛段應(yīng)用，針對(duì)其適用性的測試研究相對(duì)較少。

鑒于此，本文通過裝配式軌道原位換鋪試驗(yàn)，在同一條車輛段庫內(nèi)線路上，只改變減振墊或扣件，保證其他測試條件相同，設(shè)置不同測試斷面，測試不同速度條件下庫內(nèi)振動(dòng)源強(qiáng)、軌道結(jié)構(gòu)減振能力、上蓋結(jié)構(gòu)振動(dòng)、減振軌道垂向自振頻率及阻尼比等內(nèi)容。

1 原位換鋪試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

北京地鐵北安河車輛段屬于第四代一體化開發(fā)車輛段，具備試驗(yàn)條件。選擇庫內(nèi)第20股道作為測試線路，該線路與入段線相連，線形為直線，測試速度可達(dá)到25 km/h。該線路不影響運(yùn)營，可高效率收發(fā)車。線路垂直上方為平臺(tái)結(jié)構(gòu)。

1.2 測試對(duì)象

選取2種橡膠減振墊（滿鋪和條鋪）、1種聚氨酯減振墊（滿鋪和條鋪）、2 種減振扣件、1 種非減振扣件進(jìn)行測試。其主要參數(shù)分別見表1、表2。

表1 減振墊主要參數(shù)

表2 扣件主要參數(shù)

1.3 試驗(yàn)方案

1.3.1 試驗(yàn)車輛

采用同一輛8 節(jié)地鐵A 型車作為試驗(yàn)用車，編組為Tc+Mp+2M+Mp+M+Mp+Tc。其中：Tc 為帶有司機(jī)室的拖車，Mp 為帶有受電弓的動(dòng)車，M 為無受電弓動(dòng)車。Tc、Mp、M 的質(zhì)量分別為37.94、39.60 和38.70 t。

1.3.2 測試斷面

測試斷面布置見圖1。斷面1位于庫中部，車輛通過速度為0～15 km/h；斷面2 位于斷面1 左側(cè)50 m，車輛通過速度為15 km/h 和15～25 km/h；斷面3 位于斷面1 左側(cè)100 m，車輛通過速度為15、25 km/h；斷面4位于斷面1左側(cè)150 m，車輛通過速度為15、25 km/h。

圖1 測試斷面布置示意（單位：m）

1.3.3 測點(diǎn)布置

傳感器布置在第20股道的軌道結(jié)構(gòu)、庫內(nèi)地面及對(duì)應(yīng)的上蓋結(jié)構(gòu)上，見圖2、圖3。

圖2 軌道結(jié)構(gòu)及庫內(nèi)地面?zhèn)鞲衅鞑贾?/p>

圖3 上蓋結(jié)構(gòu)傳感器布置（單位：m）

1.3.4 測試周期

出庫運(yùn)行：試驗(yàn)車輛加速至15 km/h 并保持勻速或加速至25 km/h 并保持勻速，車頭駛出庫門后勻速運(yùn)行180 m，然后減速停車，至此完成1次出庫運(yùn)行。

入庫運(yùn)行：試驗(yàn)車輛由庫外以5 km/h 速度返回庫內(nèi)起點(diǎn)，至此完成1次入庫運(yùn)行。

1次出庫運(yùn)行+1次入庫運(yùn)行組成1個(gè)測試周期。

1.3.5 測試流程

通過裝配式軌道分別實(shí)現(xiàn)6 種減振墊和3 種扣件的安裝、拆卸并開展相關(guān)測試。以鋪設(shè)橡膠減振墊A（滿鋪）軌道為例，原位換鋪測試流程見圖4。

圖4 測試流程

2 裝配式軌道設(shè)計(jì)

裝配式軌道包括預(yù)制軌道板、限位裝置、剪力鉸、檢查井等部分，見圖5。

圖5 裝配式軌道平面布置（單位：cm）

裝配式軌道可兼容不同厚度、不同鋪設(shè)形式的減振墊和不同高度的扣件，已獲得技術(shù)專利［14］。裝配式軌道結(jié)構(gòu)中取消了填充層部分，節(jié)省了填充層施工時(shí)間，同時(shí)具備限位功能，可實(shí)現(xiàn)快速拆卸和安裝。綜合施工速度達(dá)到150 m/d。

2.1 預(yù)制軌道板

預(yù)制軌道板為非預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，尺寸為4.70 m（長）×2.32 m（寬）× 0.27 m（厚）。預(yù)制軌道板采用C60混凝土，設(shè)置上下兩層鋼筋。每塊預(yù)制軌道板包含8 對(duì)承軌臺(tái)，表面設(shè)置1∶40軌底坡。

2.2 限位裝置

由在軌道基底上設(shè)置的限位凸臺(tái)和安裝在限位凸臺(tái)上的縱向限位裝置實(shí)現(xiàn)縱向限位功能；由安裝在預(yù)制軌道板側(cè)面的橫向限位裝置實(shí)現(xiàn)橫向限位功能。限位裝置由緩沖橡膠、固定墊片、調(diào)整墊片和固定螺栓組成，見圖6。

圖6 限位裝置

2.3 剪力鉸及檢查井

兩塊預(yù)制板端部設(shè)置六邊形空間作為檢查井，用于裝配式軌道檢查和維修。檢查井上加裝蓋板，為人員在軌道表面行走提供條件。在檢查井內(nèi)部兩側(cè)安裝剪力鉸，用以控制列車荷載作用下兩塊預(yù)制軌道板端部相對(duì)垂向變形差，見圖7。

圖7 剪力鉸與檢查井布置

3 測試結(jié)果與分析

本次試驗(yàn)共得到6 萬條有效數(shù)據(jù)。根據(jù)CJJ/ T 191—2012《浮置板軌道技術(shù)規(guī)范》采用振動(dòng)插入損失評(píng)價(jià)減振軌道的減振效果。不同測試速度下庫內(nèi)地面振動(dòng)插入損失見圖8。

圖8 不同測試速度下庫內(nèi)地面振動(dòng)插入損失

由圖8 可知：①三種測試速度下振動(dòng)插入損失由大到小排序基本相同，即聚氨酯減振墊（條鋪）、橡膠減振墊A（滿鋪）、橡膠減振墊A（條鋪）、橡膠減振墊B（條鋪）、橡膠減振墊B（滿鋪）、聚氨酯減振墊（滿鋪）、減振扣件B、減振扣件A。②除測試速度15 km/h 時(shí)聚氨酯減振墊（滿鋪）振動(dòng)插入損失小于減振扣件B 外，其余速度條件下減振墊振動(dòng)插入損失均大于減振扣件。③三種測試速度下6 種減振墊和2 種扣件5 km/h振動(dòng)插入損失最大，15 km/h振動(dòng)插入損失最小。

6 種減振墊軌道的垂向自振頻率（平均值）及阻尼比見表3。可知：①6種減振墊軌道垂向自振頻率由小到大依次為聚氨酯減振墊（條鋪）、橡膠減振墊A（滿鋪）、橡膠減振墊A（條鋪）、橡膠減振墊B（條鋪）、橡膠減振墊B（滿鋪）、聚氨酯減振墊（滿鋪），與庫內(nèi)地面振動(dòng)插入損失排序一致。②聚氨酯減振墊和橡膠減振墊B 條鋪時(shí)阻尼比均大于滿鋪時(shí)，橡膠減振墊A 滿鋪時(shí)阻尼比大于條鋪時(shí)。

表3 減振墊軌道垂向自振頻率及阻尼比

庫內(nèi)地面振動(dòng)加速度級(jí)1/3 倍頻程曲線見圖9。可知：在中心頻率50～63 Hz 處振動(dòng)加速度級(jí)出現(xiàn)峰值。根據(jù)GB 10071—1988《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)測量方法》及GB/ T 13441.1—2007《機(jī)械振動(dòng)與沖擊 人體暴露于全身振動(dòng)的評(píng)價(jià) 第1 部分：一般要求》中的振動(dòng)測量及計(jì)權(quán)方法，計(jì)算得到以5、15、25 km/h 速度運(yùn)行時(shí)庫內(nèi)地面振動(dòng)源強(qiáng)分別為78.1、83.8、86.7 dB，說明庫內(nèi)地面振動(dòng)源強(qiáng)隨測試速度提高而增大。

圖9 庫內(nèi)地面振動(dòng)加速度級(jí)1/3倍頻程曲線

GB 10070 —1988《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定：居民文教區(qū)白天環(huán)境振動(dòng)不超過70 dB，夜間環(huán)境振動(dòng)不超過67 dB。上蓋結(jié)構(gòu)振動(dòng)測試結(jié)果見表4。可知：①測試速度為5 km/h 時(shí)無論是采用減振墊還是采用扣件，上蓋結(jié)構(gòu)振動(dòng)均滿足要求；②測試速度為15 km/h時(shí)，采用減振墊或扣件時(shí)上蓋結(jié)構(gòu)振動(dòng)均滿足白天要求；采用聚氨酯減振墊（滿鋪）、減振扣件A、B和非減振扣件時(shí)，上蓋結(jié)構(gòu)振動(dòng)不滿足夜間要求；③測試速度為25 km/h 時(shí)，采用聚氨酯減振墊（滿鋪）、減振扣件A、B 和非減振扣件時(shí)，上蓋結(jié)構(gòu)振動(dòng)不滿足白天和夜間要求。可見，同時(shí)滿足所有速度條件下上蓋結(jié)構(gòu)振動(dòng)白天和夜間要求的減振軌道結(jié)構(gòu)有橡膠減振墊A、聚氨酯減振墊（條鋪）、橡膠減振墊B。

表4 上蓋結(jié)構(gòu)振動(dòng)測試結(jié)果

4 結(jié)論

1）依托北安河車輛段工程，采用原位換鋪技術(shù)利用庫內(nèi)同一條線路對(duì)9種軌道結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了較理想的單一變量測試，獲得了6萬條有效數(shù)據(jù)。

2）研發(fā)的裝配式軌道結(jié)構(gòu)可快速、無損安裝和拆卸，綜合施工速度達(dá)到150 m/d。

3）除測試速度為15 km/h 時(shí)聚氨酯減振墊（滿鋪）振動(dòng)插入損失小于減振扣件B 外，其余速度條件下減振墊振動(dòng)插入損失均大于減振扣件。

4）庫內(nèi)地面振動(dòng)源強(qiáng)隨測試速度提高而增大。8節(jié)A 型車編組車輛以5、15、25 km/h 速度行駛時(shí)庫內(nèi)地面振動(dòng)源強(qiáng)分別為78.1、83.8、86.7 dB，在中心頻率50～63 Hz處出現(xiàn)峰值。

5）同時(shí)滿足三種速度條件下上蓋結(jié)構(gòu)白天和夜間振動(dòng)要求的減振軌道結(jié)構(gòu)有橡膠減振墊A、聚氨酯減振墊（條鋪）、橡膠減振墊B。