馮杜煬 郭 驍 吳思行 宋天昊

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

1 概述

1.1 研究意義

城際鐵路系指僅運(yùn)行動(dòng)車組列車的標(biāo)準(zhǔn)軌距客運(yùn)專線線路，設(shè)計(jì)速度分為200，160，120 km/h三級(jí)[1]。隨著我國城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，城際鐵路沿線規(guī)劃或建設(shè)大量振動(dòng)敏感型建筑，軌道交通地下線輪軌作用產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)沿線居民工作與生活產(chǎn)生較大的影響。因此，需結(jié)合振動(dòng)源強(qiáng)數(shù)值、敏感建筑振動(dòng)控制目標(biāo)值進(jìn)行軌道結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)，以滿足環(huán)保驗(yàn)收及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。因此，準(zhǔn)確選取合適的源強(qiáng)數(shù)值，對(duì)城際鐵路軌道減振設(shè)計(jì)具有重要意義[2]。

城際鐵路振動(dòng)與噪聲源強(qiáng)主要參考原鐵道部頒布的鐵計(jì)[2010]44號(hào)《鐵路建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)噪聲振動(dòng)源強(qiáng)取值和治理原則指導(dǎo)意見(2010年修訂稿)》[3]，但該文件主要針對(duì)露天段振動(dòng)與噪聲源強(qiáng)，對(duì)地下線振動(dòng)源強(qiáng)則未提出測(cè)點(diǎn)要求及取值建議。目前，城際鐵路地下線振動(dòng)源強(qiáng)取值主要參考生態(tài)環(huán)境部頒布的HJ 453—2018《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 城市軌道交通》[4](以下簡稱“環(huán)評(píng)導(dǎo)則”)，采用半經(jīng)驗(yàn)公式法進(jìn)行振動(dòng)預(yù)測(cè)[5]，即現(xiàn)場實(shí)測(cè)類似線路振動(dòng)源強(qiáng)，采用經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)沿線建筑物實(shí)際振動(dòng)情況。

既有地下線振動(dòng)源強(qiáng)研究主要針對(duì)地鐵線路，圣小珍等通過分析實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，初步提出軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)的頻率范圍和振幅范圍[6]；李憲同等通過對(duì)運(yùn)營線路的現(xiàn)場實(shí)測(cè)，給出地鐵地下線源強(qiáng)的選取建議及取值方法[7]。城際鐵路方面，陳俊豪等通過對(duì)某時(shí)速200 km的城際鐵路進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測(cè)，對(duì)城際鐵路振動(dòng)在鋼軌、道床、隧道壁傳遞衰減進(jìn)行研究[8]；田苗對(duì)成灌線開通后的振動(dòng)環(huán)境影響進(jìn)行分析，并對(duì)路基及橋梁地段仿真模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證[9]。

綜上，既有研究主要集中在地鐵線路源強(qiáng)取值及城際鐵路振動(dòng)的傳遞特性研究，缺少針對(duì)典型工況城際鐵路地下線源強(qiáng)具體取值研究。提出不同速度、典型隧道結(jié)構(gòu)工況下的地下線振動(dòng)源強(qiáng)值，有助于環(huán)評(píng)咨詢單位或軌道減振設(shè)計(jì)人員對(duì)沿線建筑物振動(dòng)超標(biāo)情況進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)[10]。以下基于珠三角地區(qū)時(shí)速160 km城際鐵路矩形隧道，采用有限元仿真分析，建模計(jì)算軌道動(dòng)力學(xué)及隧道壁振級(jí)等關(guān)鍵指標(biāo)；并采用現(xiàn)場實(shí)測(cè)的方式，通過軌道動(dòng)力學(xué)指標(biāo)及隧道壁振級(jí)，對(duì)模型準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。最后采用有限元仿真分析方法，建立盾構(gòu)或暗挖隧道、不同車速條件下的仿真模型，提出各類典型工況下的地下線源強(qiáng)建議值[11]。

1.2 既有線源強(qiáng)取值

根據(jù)環(huán)評(píng)導(dǎo)則，為確保地下線振動(dòng)源強(qiáng)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，振動(dòng)源強(qiáng)測(cè)試應(yīng)符合以下規(guī)定。

(1)振動(dòng)源強(qiáng)測(cè)試時(shí)列車參考速度應(yīng)在預(yù)測(cè)斷面設(shè)計(jì)速度的75%～125%范圍內(nèi)。

(2)類比測(cè)量時(shí)，選擇的線路應(yīng)滿足同一類型道床(有砟或無砟)、直線段普通扣件。鋼軌類型、列車類型及線下基礎(chǔ)類型應(yīng)與研究線路相同或類似。

結(jié)合部分已建成時(shí)速160 km的城際鐵路項(xiàng)目(或以地鐵模式建設(shè)的高速度線路)地下線振動(dòng)源強(qiáng)取值情況(見表1)及環(huán)評(píng)導(dǎo)則，部分線路的源強(qiáng)選取存在測(cè)試列車速度較斷面設(shè)計(jì)速度偏差較大、測(cè)試斷面為減振軌道、測(cè)試車輛與研究線路差異較大等問題。這些問題易造成源強(qiáng)取值與實(shí)際線路偏差較大，振動(dòng)超標(biāo)預(yù)測(cè)不準(zhǔn)確等弊端。

表1 部分城際鐵路地下線振動(dòng)源強(qiáng)情況

2 仿真模型建立

2.1 模型建立

采用有限元仿真分析軟件，對(duì)珠三角地區(qū)某時(shí)速160 km的城際鐵路矩形隧道地段建立車輛-軌道-隧道-土體動(dòng)力學(xué)耦合模型(見圖1)，軌道主要參數(shù)見表2[16]。

圖1 明挖矩形隧道仿真分析模型

表2 軌道模型建立相關(guān)參數(shù)

該城際鐵路為明挖隧道，線間距為6.9 m，平面線形為直線，采用單洞雙線形式，兩線間設(shè)中隔墻，隧道主體結(jié)構(gòu)采用C50混凝土。線路埋深為15.25 m，采用雙塊式無砟軌道，鋪設(shè)60 kg/m鋼軌及WJ-8B型扣件。結(jié)合沿線勘察情況，隧道主要穿越粉質(zhì)黏土層。

車輛采用CRH6型動(dòng)車組，建模參數(shù)見表3。模型中車輛速度與后續(xù)實(shí)測(cè)時(shí)平均通過速度一致，為137 km/h。軌道不平順選取德國低干擾譜[17]。

表3 CRH6型動(dòng)車組車輛建模參數(shù)[18]

續(xù)表3

2.2 關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算

提取模型中部兩扣件間中心位置的鋼軌垂向加速度、鋼軌垂向位移、鋼軌橫向位移、道床垂向加速度及對(duì)應(yīng)隧道壁位置垂向加速度數(shù)據(jù)。

3 振動(dòng)實(shí)測(cè)與模型驗(yàn)證

3.1 測(cè)試方案

選取計(jì)算分析的城際鐵路斷面A進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)。其中，鋼軌加速度測(cè)點(diǎn)位于軌底，鋼軌位移測(cè)點(diǎn)位于軌腰，道床加速度測(cè)點(diǎn)布置于道床邊緣與扣件之間[19]。根據(jù)環(huán)評(píng)導(dǎo)則要求，地下線振動(dòng)源強(qiáng)測(cè)點(diǎn)傳感器置于隧道壁(遠(yuǎn)離另一線軌道一側(cè))，高于軌頂面1.25 m±0.25 m的位置。測(cè)點(diǎn)布置見圖2。

圖2 現(xiàn)場實(shí)測(cè)傳感器布置

測(cè)試采用的主要儀器名稱、型號(hào)及說明見表4。

表4 測(cè)試儀器名稱、型號(hào)及說明

3.2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比

取速度介于130～140 km/h、且測(cè)試時(shí)間位于高峰期段的10組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，10組數(shù)據(jù)車速平均值為137 km/h。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比見表5[20]。

表5 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比

由表5可知，利用車輛-軌道-基礎(chǔ)耦合模型計(jì)算得出的4項(xiàng)主要軌道動(dòng)力學(xué)結(jié)果均在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)范圍內(nèi)，而隧道壁Vlzmax計(jì)算值略大于實(shí)測(cè)值?？紤]到隧道壁振級(jí)直接受軌道幾何狀態(tài)影響，而現(xiàn)場實(shí)測(cè)時(shí)，僅低密度運(yùn)營3個(gè)月，軌道幾何狀態(tài)相對(duì)較優(yōu)，模型計(jì)算值略大于實(shí)測(cè)值，體現(xiàn)了軌道幾何狀態(tài)劣化后效果，且源強(qiáng)的保守取值有利于振動(dòng)控制。因此，可采用該模型進(jìn)行源強(qiáng)預(yù)測(cè)。

4 不同速度級(jí)源強(qiáng)預(yù)測(cè)

城際鐵路設(shè)計(jì)速度為120～200 km/h，由于不同速度工況下列車類型及相應(yīng)常用隧道類型均有差異，建議結(jié)合實(shí)際工程中城際鐵路典型設(shè)計(jì)方案，分2種工況對(duì)地下線源強(qiáng)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

4.1 時(shí)速120～160 km盾構(gòu)隧道工況

設(shè)計(jì)速度為120(含)～160 km/h(含)時(shí)，該速度范圍典型工況為市域D型車[21]，采用圓形盾構(gòu)隧道。盾構(gòu)內(nèi)徑為7.9 m，管片厚0.45 m，軌道采用一般整體道床，扣件采用普通彈性扣件。該工況地下線振動(dòng)源強(qiáng)預(yù)測(cè)值見表6。

表6 工況一振動(dòng)源強(qiáng)預(yù)測(cè)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，當(dāng)設(shè)計(jì)速度為120 km/h時(shí)，盾構(gòu)隧道壁振動(dòng)源強(qiáng)為72.96 dB；當(dāng)速度為160 km/h時(shí)，其隧道壁振動(dòng)源強(qiáng)為77.42 dB。對(duì)于120～160 km/h速度級(jí)盾構(gòu)隧道，設(shè)計(jì)速度每增加10 km/h，源強(qiáng)大小平均增加1.115 dB，設(shè)計(jì)速度增加值與對(duì)應(yīng)源強(qiáng)增加值非簡單線性關(guān)系，但呈明顯正比關(guān)系。

4.2 時(shí)速160～200 km暗挖隧道工況

設(shè)計(jì)速度為160(含)～200 km/h(含)時(shí)，該速度范圍典型工況為CRH6型車，采用暗挖馬蹄形隧道。隧道一般為單洞雙線，線間距為4.2 m，軌道采用一般整體道床，扣件采用普通彈性扣件。地下線振動(dòng)源強(qiáng)預(yù)測(cè)值見表7。

表7 工況二振動(dòng)源強(qiáng)預(yù)測(cè)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，當(dāng)設(shè)計(jì)速度為160 km/h時(shí)，暗挖隧道壁振動(dòng)源強(qiáng)為73.93 dB，明顯小于速度160 km/h盾構(gòu)隧道77.42 dB，主要原因在于，暗挖隧道一般為單洞雙線結(jié)構(gòu)，隧道參振質(zhì)量較大。對(duì)于120～160 km/h速度級(jí)暗挖隧道，設(shè)計(jì)速度與振源大小也呈正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)速度超過180 km/h時(shí)，振源大小變化幅度顯著降低，可能由于小于該速度時(shí)，車體部分部件共振頻率與軌道不平順產(chǎn)生的輪軌激勵(lì)頻率部分重合所導(dǎo)致。

5 結(jié)論

梳理已建成城際鐵路地下線源強(qiáng)取值情況，建立某城際鐵路有限元分析模型，并在該城際鐵路現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)測(cè)，采用軌道動(dòng)力學(xué)及隧道壁振級(jí)等指標(biāo)對(duì)模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。采用驗(yàn)證后的有限元模型，提出城際鐵路不同隧道結(jié)構(gòu)、不同時(shí)速下各類典型工況地下線振動(dòng)源強(qiáng)值，主要結(jié)論如下。

(1)新建城際鐵路地下線源強(qiáng)采用半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜁r(shí)，應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行環(huán)評(píng)導(dǎo)則對(duì)類比線路進(jìn)行振動(dòng)實(shí)測(cè)，研究對(duì)象應(yīng)與擬建工程在車輛類型、隧道類型、軌道結(jié)構(gòu)等方面類似。

(2)仿真數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比表明，車輛-軌道-隧道-土體有限元仿真模型計(jì)算數(shù)據(jù)與現(xiàn)場實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合，可用于地下線振動(dòng)預(yù)測(cè)。

(3)軌道不平順對(duì)振動(dòng)源強(qiáng)有一定影響。振動(dòng)模擬應(yīng)選取合適的不平順譜，城際鐵路不平順譜還有待進(jìn)一步加強(qiáng)研究。

(4)基于有限元模型，對(duì)速度120～160 km/h盾構(gòu)隧道、速度160～200 km/h暗挖隧道典型工況的振動(dòng)源強(qiáng)值進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明，隧道振動(dòng)源強(qiáng)的大小與速度呈非線性正相關(guān)關(guān)系。

(5)通過實(shí)測(cè)及仿真對(duì)比驗(yàn)證等方法，提出不同速度、不同隧道結(jié)構(gòu)等典型城際鐵路工況地下線振動(dòng)源強(qiáng)值，可作為后續(xù)環(huán)境評(píng)價(jià)及軌道減振設(shè)計(jì)依據(jù)。