佘才高 ，楊秀仁, ，張伯林 ，高 亮, , ，吳建忠, ，劉鵬輝，伍向陽，曲 村,

（1. 南京地鐵集團(tuán)有限公司，南京 210008；2. 城市軌道交通綠色與安全建造技術(shù)國家工程研究中心，北京 100037；3. 北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100037；4. 北京市軌道結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，北京 100037；5. 北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044；6. 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京 100081）

當(dāng)前我國多個(gè)城市的軌道交通已全面進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營階段[1-4]，與此同時(shí)人們的環(huán)保意識也在顯著提高。近年來城市軌道交通運(yùn)營線路的振動(dòng)噪聲投訴日益增多，尤其是地下線列車運(yùn)行引發(fā)的振動(dòng)及二次結(jié)構(gòu)噪聲擾民問題尤為突出，已成為城市軌道交通運(yùn)營線路亟待解決的焦點(diǎn)問題。

筆者結(jié)合南京地鐵的實(shí)際情況，針對城市軌道交通地下線的振動(dòng)噪聲整治問題進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并以南京地鐵某線周邊存在的一處振動(dòng)噪聲投訴敏感點(diǎn)為例，對該敏感點(diǎn)的振動(dòng)噪聲整治過程進(jìn)行了闡述。

1 技術(shù)路線的制定

由多家單位組成的產(chǎn)學(xué)研用相結(jié)合的技術(shù)團(tuán)隊(duì)開展系統(tǒng)性研究，具體技術(shù)路線為：對投訴敏感點(diǎn)對應(yīng)區(qū)段的軌行區(qū)狀態(tài)及住戶進(jìn)行調(diào)研，初步確定需進(jìn)行振動(dòng)噪聲整治的敏感點(diǎn)；對敏感點(diǎn)的振動(dòng)噪聲和相應(yīng)軌行區(qū)的振動(dòng)及鋼軌波磨等進(jìn)行測試分析；根據(jù)測試評估及前期調(diào)研情況初步制定針對性的整治措施；建立車輛—軌道—隧道—土體—建筑物的空間耦合理論仿真分析模型，對擬采用整治技術(shù)的效果進(jìn)行仿真分析；在測試及理論分析結(jié)果基礎(chǔ)上確定了需采取的整治方案后，開展系統(tǒng)性的整治工作；整治完成后依據(jù)軌行區(qū)振動(dòng)及波磨檢測、地面振動(dòng)、敏感點(diǎn)振動(dòng)噪聲、入戶調(diào)研等方面的結(jié)果，評估整治措施的實(shí)施效果。具體的技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線Figure 1 Technical route

2 現(xiàn)狀調(diào)研分析

現(xiàn)狀調(diào)研包括軌行區(qū)調(diào)研和入戶調(diào)研兩方面。其中，軌行區(qū)調(diào)研主要查看軌道狀態(tài)，入戶調(diào)研主要是為了感受列車運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲對住戶的影響。通過對振動(dòng)噪聲投訴地段的軌行區(qū)調(diào)研和入戶調(diào)研，可系統(tǒng)掌握敏感點(diǎn)振動(dòng)噪聲情況及相應(yīng)軌行區(qū)的軌道設(shè)計(jì)方案及軌道狀態(tài)，并為后續(xù)振動(dòng)噪聲整治方案制定、理論仿真分析、測試評估等工作的開展奠定基礎(chǔ)。

2.1 軌行區(qū)調(diào)研

調(diào)研里程范圍為K10+400～K10+600，敏感點(diǎn)位于右線正上方，距離左線最近7 m，軌頂面埋深21 m，線間距12 m，平面曲線半徑最小為400 m，處于7‰下坡和4‰上坡的變坡點(diǎn)處。

左線(下行)線路里程K10+310～K10+410范圍鋪設(shè)科隆蛋扣件、K10+410～K10+540范圍鋪設(shè)DTⅥ2型扣件、K10+540～K10+585范圍鋪設(shè)先鋒扣件；右線(上行)線路里程K10+310～K10+575范圍鋪設(shè)DTⅥ2型扣件、K10+575～K10+793范圍鋪設(shè)先鋒扣件。區(qū)間為長枕式雙側(cè)水溝整體道床，聯(lián)絡(luò)通道處(左線K10+517、右線K10+526)為短枕式雙側(cè)水溝整體道床。

經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，區(qū)間內(nèi)部分地段扣件存在彈條斷裂和臟污等問題(見圖2)，運(yùn)營部門已進(jìn)行了及時(shí)更換和清潔，并對軌道幾何形位進(jìn)行了檢查和調(diào)整，但以上問題對于振動(dòng)噪聲的影響相對較小。此外，右線部分地段還存在鋼軌波磨(見圖3)，里程為K10+380～K10+544(上股)和K10+310～K10+575(下股)，與敏感點(diǎn)里程相重合，經(jīng)判斷此類問題是造成地下線振動(dòng)噪聲的主要原因[5-6]，必須予以及時(shí)整治。

圖2 扣件臟污Figure 2 Fastener dirty

圖3 鋼軌波磨Figure 3 Rail corrugation

2.2 入戶調(diào)研

敏感點(diǎn)對應(yīng)的線路里程約為K10+500。入戶調(diào)研的總體情況為：本線剛開通時(shí)，列車通過此區(qū)段能感到有些振動(dòng)，但不明顯，物業(yè)也未收到住戶投訴；但近兩年該小區(qū)1號樓能感到較為明顯的振動(dòng)，小區(qū)物業(yè)也陸續(xù)接到了來自該樓居民的投訴。

經(jīng)初步分析可知，鋼軌波磨的產(chǎn)生時(shí)間與住戶感受到振動(dòng)的時(shí)間較為契合，扣件的減振性能不足可能也是誘因之一。

3 綜合測試分析

3.1 軌行區(qū)振動(dòng)測試

對該敏感點(diǎn)對應(yīng)線路里程K10+527處鋼軌、道床板、隧道壁的振動(dòng)進(jìn)行了測試，測點(diǎn)分布如圖4所示。

圖4 測點(diǎn)示意Figure 4 Schematic of measured locations

測試得到鋼軌豎向振動(dòng)時(shí)域圖、頻域圖和分頻振級如圖5所示。整體道床和隧道壁的測試結(jié)果圖不再贅述。

圖5 鋼軌豎向振動(dòng)測試結(jié)果Figure 5 Test results of vertical rail vibration

時(shí)域分析可知：鋼軌、道床、隧道壁的振動(dòng)加速度最大值依次為160.6 m/s2、2.4 m/s2和0.9 m/s2，振動(dòng)幅值沿著鋼軌、道床至隧道壁衰減明顯。

頻域分析可知：鋼軌、道床、隧道壁的振動(dòng)加速度在360 Hz、360 Hz和70 Hz達(dá)到峰值。

Z振級分析可知：鋼軌、道床、隧道壁的最大Z振級(VLZ,max)依次為101.31 dB、79.51 dB和75.12 dB。

3.2 鋼軌波磨測試

采用波磨采集儀對右線線路里程K10+400～K10+600范圍內(nèi)的鋼軌波磨進(jìn)行了測量。

綜合測試結(jié)果表明鋼軌存在50 mm左右的敏感波長，也即鋼軌波磨的波長。

3.3 地面振動(dòng)測試

地面上布置了6個(gè)測點(diǎn)，如圖6所示。其中，測點(diǎn)1在線路正上方，測點(diǎn)2～5逐漸遠(yuǎn)離線路，并靠近敏感點(diǎn)；測點(diǎn)6和測點(diǎn)5與線路之間的距離一致，均為13.4 m，但遠(yuǎn)離敏感點(diǎn)。

圖6 地面測點(diǎn)位置示意Figure 6 Schematic of ground-measuring positions

經(jīng)Z振級分析可知：地面測點(diǎn)1～6的最大Z振級(VLZmax)分別為77.5 dB、74.8 dB、74.4 dB、66.9 dB、70.3 dB和55.4 dB。

由上述測試結(jié)果可知，地面豎向振動(dòng)的最大Z振級(VLZmax)隨著測點(diǎn)與線路之間距離的增大基本呈現(xiàn)逐漸衰減的規(guī)律。

3.4 敏感點(diǎn)振動(dòng)噪聲測試

針對該投訴敏感點(diǎn)的環(huán)境振動(dòng)、室內(nèi)振動(dòng)和二次結(jié)構(gòu)噪聲進(jìn)行了測試，主要測試結(jié)論為：

1) 該敏感點(diǎn)所在建筑物某戶門廳外環(huán)境振動(dòng)VLZmax為69.7 dB，超過限值2.7 dB。

2) 某活動(dòng)室的室內(nèi)二次結(jié)構(gòu)噪聲最大值為39.4 dB，超過限值4.4 dB。

3) 室內(nèi)分頻最大振級約58 dB，未超標(biāo)。

3.5 整治方案的制定

由上述測試結(jié)果分析可知，敏感點(diǎn)與線路距離過近、鋼軌波磨存在及減振措施不足是引發(fā)敏感點(diǎn)振動(dòng)噪聲的主要原因。故擬采取如下整治措施：

1) 鋼軌打磨，消除鋼軌波磨[7-8]。

2) 將左線(下行)里程K10+410～K10+540范圍、右線(上行)里程K10+360～K10+575范圍之間的DTⅥ2扣件更換為嵌套式減振扣件[9-10]。

3) 為減緩曲線地段的鋼軌波磨，曲線范圍內(nèi)增設(shè)了軌頂涂覆裝置及TMD[11-13]。

4 理論仿真分析

為初步驗(yàn)證措施的實(shí)施效果，建立了該區(qū)段的車輛—軌道—隧道—土體—建筑物的空間耦合理論仿真分析模型[14-15]，對振動(dòng)噪聲整治措施的效果仿真分析研究。

4.1 仿真分析的主要前提條件

敏感點(diǎn)所在建筑物為11層鋼混結(jié)構(gòu)，立面和平面圖如圖7所示。

圖7 敏感點(diǎn)建筑物Figure 7 Building map of a sensitive location

敏感點(diǎn)所在區(qū)間為盾構(gòu)隧道，軌頂埋深21 m，盾構(gòu)管片內(nèi)徑5 500 mm，外徑6 200 mm。區(qū)間軌道類型為長枕式雙側(cè)水溝整體道床?？奂愋蜑镈TⅥ2型扣件，扣件組裝靜剛度取值為30 kN/mm，動(dòng)靜剛度比按不大于1.4考慮，扣件間距為600 mm。

采用寬體A型地鐵列車，每一列車采用4動(dòng)2拖方式編組，列車以57 km/h通過敏感點(diǎn)所在區(qū)段。

4.2 仿真分析模型的建立及可靠性驗(yàn)證

4.2.1 仿真分析模型的建立

根據(jù)以上工程資料，建立該敏感點(diǎn)處的理論仿真分析模型，如圖8所示。

圖8 敏感點(diǎn)仿真分析模型Figure 8 Simulation analysis model of a sensitive location

利用上述模型，對列車通過敏感點(diǎn)所在地鐵區(qū)間所引發(fā)的環(huán)境振動(dòng)進(jìn)行仿真計(jì)算，并與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證。

4.2.2 時(shí)域的驗(yàn)證

在時(shí)域內(nèi)將仿真計(jì)算結(jié)果和測試結(jié)果進(jìn)行了對比，以隧道壁處垂向振動(dòng)加速度的時(shí)域結(jié)果對比為例給出，如圖9所示，各位置處的結(jié)果對比見表1。

圖9 隧道壁垂向振動(dòng)加速度時(shí)域結(jié)果對比Figure 9 Comparison of time-domain results of vertical vibration acceleration of tunnel wall

表1 不同位置處垂向振動(dòng)加速度有效值對比Table 1 Comparison of effective values of vertical vibration acceleration at different locations m/s2

由上述圖表對比可知，隧道壁、地面及室內(nèi)樓板垂向振動(dòng)加速度的仿真計(jì)算結(jié)果在時(shí)域范圍內(nèi)與實(shí)測結(jié)果幅值相差不大，有效值的最大誤差均在10%以內(nèi)，因此采用本模型進(jìn)行振動(dòng)分析是可行的。

4.2.3 頻域的驗(yàn)證

在頻域內(nèi)將仿真計(jì)算結(jié)果和測試結(jié)果進(jìn)行對比，頻域圖對比如圖10所示。數(shù)值對比見表2，其中隧道壁和地面振動(dòng)指標(biāo)為最大Z振級(VLZmax)、室內(nèi)樓板振動(dòng)指標(biāo)為分頻最大振級(VLmax)。

圖10 隧道壁垂向振動(dòng)加速度分頻振級結(jié)果對比Figure 10 Comparison of frequency division vibration level results of vertical vibration acceleration of tunnel wall

表2 不同位置處環(huán)境振動(dòng)評價(jià)指標(biāo)對比Table 2 Comparison of evaluation index of environmental vibration at different locations dB

由上述圖表對比可知，隧道壁的實(shí)測結(jié)果及理論分析結(jié)果的頻域曲線線型基本一致，尤其是峰值區(qū)域。隧道壁、室外地面以及室內(nèi)樓板振動(dòng)評價(jià)指標(biāo)最大誤差均不超過10%，因此采用本模型進(jìn)行振動(dòng)分析是可行的。

4.3 整治措施效果的仿真分析

根據(jù)前述測試分析得到的整治方案建議，針對鋼軌打磨和更換嵌套式減振扣件兩種工況，采用所建立的數(shù)值仿真分析模型，對整治措施的效果進(jìn)行仿真分析。

4.3.1 鋼軌打磨的可行性分析

對鋼軌波磨程度分別打磨至80%、50%和30%的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行仿真分析，并與鋼軌打磨前的結(jié)果進(jìn)行對比分析。

選取隧道壁、隧道正上方地面、臨近建筑物地面和室內(nèi)樓板的垂向振動(dòng)加速度作為分析對象，分別從時(shí)域和頻域方面分析鋼軌打磨的整治效果，結(jié)果見表3和表4所示。隧道壁和地面振動(dòng)指標(biāo)為最大Z振級(VLZmax)、室內(nèi)樓板振動(dòng)指標(biāo)為分頻最大振級(VLmax)。

表3 不同鋼軌波磨打磨程度條件下不同位置處振動(dòng)響應(yīng)有效值時(shí)域結(jié)果對比Table 3 Comparison of time-domain results of effective values of vibration response at different degrees of rail wave grinding at different locations m/s2

表4 不同鋼軌波磨打磨程度條件下不同位置處垂向振動(dòng)頻域結(jié)果對比Table 4 Comparison of frequency-domain results of vertical vibration at different degrees of rail wave grinding at different locations dB

由時(shí)域和頻域結(jié)果比較可知，鋼軌波磨程度的降低能夠有效降低源強(qiáng)振動(dòng)以及地面和室內(nèi)振動(dòng)。說明對于有波磨地段采用鋼軌打磨措施可有效改善敏感點(diǎn)的振動(dòng)水平。

4.3.2 更換減振扣件的可行性分析

利用前述所建立的理論仿真分析模型，在鋼軌打磨后，即鋼軌波磨打磨至初始值的50%的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析鋼軌扣件剛度對環(huán)境振動(dòng)的影響規(guī)律，扣件靜剛度分別選擇為40、20、15 kN/mm進(jìn)行對比分析。

選取隧道壁、隧道正上方地面、臨近建筑物地面和室內(nèi)樓板的垂向振動(dòng)加速度作為分析對象，分別從時(shí)域和頻域方面分析更換減振扣件的整治效果，結(jié)果見表5和表6。

表5 不同扣件剛度條件下不同位置處振動(dòng)響應(yīng)有效值時(shí)域結(jié)果對比Table 5 Comparison of time-domain results of effective values of vibration responses at different fastener stiffness values at different locations m/s2

表6 不同扣件剛度條件下不同位置處垂向振動(dòng)頻域結(jié)果對比Table 6 Comparison of frequency-domain results of vertical vibration at different fastener stiffness values at different locations dB

由時(shí)域和頻域結(jié)果比較可知，鋼軌扣件剛度的降低能夠顯著改善隧道壁和地面的垂向振動(dòng)，且基本隨著扣件剛度的降低而降低，說明更換減振扣件可有效改善敏感點(diǎn)的振動(dòng)水平。

4.3.3 整治措施的可行性分析小結(jié)

在3.5節(jié)提到的整治方案中：第3項(xiàng)措施主要目的是減緩曲線地段的鋼軌波磨，屬于輔助性措施；主要起到減振降噪作用的是第1項(xiàng)和第2項(xiàng)，因此，本節(jié)主要對第1項(xiàng)和第2項(xiàng)措施分別進(jìn)行了理論仿真研究。

以往國內(nèi)均認(rèn)為鋼軌的高頻振動(dòng)對于上部建筑影響不大，但是越來越多的工程實(shí)踐表明鋼軌波磨等造成的高頻振動(dòng)會(huì)傳到上部建筑，對住戶產(chǎn)生振動(dòng)和二次結(jié)構(gòu)噪聲等不利影響。根據(jù)仿真結(jié)果對比可知，第1項(xiàng)鋼軌打磨的措施對各項(xiàng)振動(dòng)和噪聲的控制均能起到明顯的作用。

第2項(xiàng)更換扣件措施的實(shí)施雖然對上部建筑物振動(dòng)噪聲的控制不如第1項(xiàng)措施明顯，但是也能顯著改善隧道壁和地面的垂向振動(dòng)，對于振動(dòng)噪聲的整治也是不可或缺的?？傮w上來說，采用鋼軌打磨和更換扣件的雙重整治措施能有效改善敏感點(diǎn)的環(huán)境振動(dòng)水平，兩者缺一不可。

5 整治措施的實(shí)施及效果檢測評估

5.1 整治措施的實(shí)施

根據(jù)現(xiàn)狀調(diào)研、綜合測試和理論仿真分析，得到了針對該處敏感點(diǎn)的整治建議，具體整治措施如下：

1) 鋼軌打磨。

2) 將左線(下行)里程K10+410～K10+540范圍、右線(上行)里程K10+360～K10+575范圍之間的DTⅥ2型扣件更換為嵌套式減振扣件，結(jié)合理論仿真分析結(jié)果，扣件靜剛度按11～15 kN/mm控制。

3) 雙線里程K10+372.5～K10+647.5范圍內(nèi)增設(shè)TMD，減緩曲線上鋼軌波磨的發(fā)生。

5.2 整治措施的效果檢測評估

5.2.1 軌行區(qū)波磨及振動(dòng)檢測評估

整治前(2019年3月)和整治后(2021年5月)的鋼軌波磨檢測結(jié)果對比如圖11所示。由圖11對比可知：波長50 mm以下鋼軌波磨的打磨效果較好。

圖11 整治前后的鋼軌波磨檢測結(jié)果對比Figure 11 Comparison of test results of rail corrugation before and after treatment

整治前和整治后軌行區(qū)的軌道結(jié)構(gòu)及隧道壁的振動(dòng)檢測對比如圖12所示。

圖12 整治前后的軌行區(qū)振動(dòng)檢測結(jié)果對比Figure 12 Comparison of test results of rail zone vibration before and after treatment

對于振動(dòng)傳遞而言，振動(dòng)沿鋼軌—道床—隧道壁依次減小。由上圖對比可知：整治前鋼軌至道床振動(dòng)衰減21.9 dB，道床至隧道壁振動(dòng)衰減7.5 dB；整治后鋼軌至道床振動(dòng)衰減39.6 dB，道床至隧道壁振動(dòng)衰減4.8 dB。

從整治前后的振動(dòng)差異對比來看，相較于整治前，整治后道床Z振級減小12.6 dB，隧道壁Z振級減小9.9 dB。

綜合以上檢測評估結(jié)果可知，整治效果較為顯著。

5.2.2 地面振動(dòng)檢測評估

整治措施實(shí)施之后，對敏感點(diǎn)處地面上6個(gè)測點(diǎn)(見圖6)的豎向振動(dòng)進(jìn)行了整治效果的檢測評估，和整治前的測試結(jié)果進(jìn)行了對比分析。

整治前后各測點(diǎn)的最大Z振級(VLZmax)對比如圖13所示。地面測點(diǎn)1～6的最大Z振級(VLZmax)分別為66.1、65.1、65.9、61.8、59.6和52.4 dB。

圖13 整治前后地面最大Z振級(VLZ max)對比Figure 13 Comparison of VLZ max on the ground before and after treatment

從圖13中可以看出，整治前后各測點(diǎn)隨著與線路距離的增大，Z振級總體上呈現(xiàn)減小的趨勢。從各個(gè)測點(diǎn)Z振級變化量來看，整治后與整治前相比，所有測點(diǎn)的Z振級均有不同程度的減小，整治措施實(shí)施后Z振級平均降低約8 dB，地面測點(diǎn)1位于線路右線正上方，其振動(dòng)變化量最大，為11.4 dB，整治效果顯著。

5.2.3 敏感點(diǎn)振動(dòng)噪聲檢測評估

整治措施實(shí)施后，對該投訴敏感點(diǎn)室內(nèi)外的振動(dòng)和二次結(jié)構(gòu)噪聲進(jìn)行了測試，其中：該敏感點(diǎn)所在建筑物某戶門廳室外振動(dòng)(VLZmax)最大值為66.3 dB，下降了3.4 dB，滿足限值要求；室內(nèi)振動(dòng)(VLmax)為52.6 dB，下降了5.7 dB，滿足限值要求；室內(nèi)二次結(jié)構(gòu)噪聲最大值為26.2 dB，下降了11.4 dB，滿足限值要求。檢測結(jié)果對比如圖14所示。

圖14 整治前后的敏感點(diǎn)振動(dòng)及二次噪聲對比Figure 14 Comparison of sensitive point vibration and secondary noise before and after treatment

5.2.4 整治措施的效果檢測評估小結(jié)

技術(shù)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行的檢測評估工作證實(shí)3.5節(jié)提到的整治方案可以有效控制各項(xiàng)振動(dòng)和噪聲。除本文展示的敏感點(diǎn)外，還對其他幾個(gè)敏感點(diǎn)也實(shí)施了上述整治措施，不同的環(huán)境條件下產(chǎn)生的效果雖有所不同，但總體是有效的，由此可知，理論分析和檢測評估結(jié)果不是偶然的。

5.3 整治效果的入戶回訪

整治措施實(shí)施后，對該處敏感點(diǎn)的住戶進(jìn)行了入戶回訪，向居民了解整治前后的主觀感受情況，并請住戶填寫了調(diào)研表，住戶給出了“振動(dòng)明顯降低，對生活影響不大”的評價(jià)。

6 結(jié)語

針對振動(dòng)噪聲的整治問題制定了詳盡的技術(shù)路線：對投訴敏感點(diǎn)對應(yīng)區(qū)段的軌行區(qū)狀態(tài)及住戶進(jìn)行調(diào)研，初步確定需進(jìn)行振動(dòng)噪聲整治的敏感點(diǎn)；對敏感點(diǎn)的振動(dòng)噪聲和相應(yīng)軌行區(qū)的振動(dòng)及鋼軌波磨等進(jìn)行測試分析；根據(jù)測試評估及前期調(diào)研情況初步制定針對性的整治措施；建立車輛—軌道—隧道—土體—建筑物的空間耦合理論仿真分析模型，對擬采用整治技術(shù)的效果進(jìn)行仿真分析；在測試及理論分析結(jié)果基礎(chǔ)上確定了需采取的整治方案后，開展系統(tǒng)性的整治工作；整治完成后依據(jù)軌行區(qū)振動(dòng)及波磨檢測、地面振動(dòng)、敏感點(diǎn)振動(dòng)噪聲、入戶調(diào)研等方面的結(jié)果，評估整治措施的實(shí)施效果。

以南京地鐵某線敏感點(diǎn)的振動(dòng)噪聲投訴為研究對象，從前期調(diào)研、綜合測試分析、理論仿真分析、整治方案的實(shí)施、效果檢測評估等多方面開展了大量工作，測試及理論分析相結(jié)合，定量評估了投訴敏感點(diǎn)的振動(dòng)噪聲情況及整治后的效果，驗(yàn)證了整治技術(shù)的可行性，為今后城市軌道交通振動(dòng)噪聲問題的科學(xué)治理提供了借鑒。