地鐵隧道內(nèi)不同軌道結(jié)構(gòu)振動測試與分析劉鵬輝;楊宜謙;尹京【摘要】通過對地鐵隧道內(nèi)普通整體道床、B型軌道減振器、彈性短軌枕、梯形軌枕、鋼彈簧浮置板道床的現(xiàn)場振動測試，進(jìn)行時、頻域?qū)Ρ龋私飧鞣N減振措施在不同頻率范圍內(nèi)的減振效果差異。結(jié)果表明，軌道減振器、梯形軌枕、彈性短軌枕及鋼彈簧浮置板可降低隧道壁VLZmax分別為4dB,7.6dB,7.8dB,19.0dB;無論何種軌道減振措施，高頻減振效果高于低頻減振效果，Z計(jì)權(quán)的振動加速度級明顯小于不計(jì)權(quán)的振動加速度級減振效果；梯形軌枕、彈性短軌枕、軌道減振器對50Hz以上振動減振效果明顯，鋼彈簧浮置板道床對12.5Hz以上振動減振效果明顯，對控制列車運(yùn)行產(chǎn)生的二次噪聲更有效。%Inordertomeettheenvironmentvibrationrequirementsofbuildingswhicharesensitivetovibration,fourdifferentkindsofmeasuresfortrackvibrationmitigationwereadopted.Thedifferencebetweenvariousvibrationmitigationmeasuresindifferentfrequencybandswasinvestigatedbycomparingon-sitevibrationtestresultsintimedomainandfrequencydomain.ThemeasuresadoptedincludeIHstylerailvibrationabsorber,flexibleshortsleeper,laddersleeperandsteelspringfloatingslabtrackinundergroundcircularshieldtunnel.TheresultsshowthatthefourmeasurescanrespectivelyreducethedegreeofZdirectionvibrationin4dB,7.6dB,7.8dB,19.0dBontunnelwall;themitigatingvibrationeffectathighfrequencyishigherthanatlowfrequency,andtheweightedvibrationaccelerationlevelissignificantlylowerthanthenon-weighted;thespringfloatingslabtrackisofobviousmitigatingvibrationeffectabove12.5Hzandtheflexibleshortsleeper,laddersleeper,andrailvibrationabsorberareofobviousmitigatingvibrationeffectabove50Hz.【期刊名稱】《振動與沖擊》【年(卷)，期】2014(000)002【總頁數(shù)】6頁(P31-36)【關(guān)鍵詞】地鐵;減振效果;Z振級【作者】劉鵬輝;楊宜謙;尹京【作者單位】中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081;中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081;中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081【正文語種】中文【中圖分類】TB53為緩解城市化建設(shè)步伐加快帶來的巨大交通壓力，軌道交通作為城市交通系統(tǒng)的發(fā)展重點(diǎn)近年來得到迅猛發(fā)展。而由列車運(yùn)行產(chǎn)生的振動對環(huán)境影響亦引起高度重視［1-3］。我國曾對4城市的鐵路環(huán)境振動做過現(xiàn)場實(shí)測［4］，初步了解鐵路沿線居民區(qū)受列車運(yùn)行引起的環(huán)境振動影響狀況，并制定了《城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)》。進(jìn)入21世紀(jì)，我國城市軌道交通建設(shè)發(fā)展快速，對北京、上海、廣州、深圳等城市地鐵、輕軌引起的環(huán)境振動問題的研究已取得研究成果［5］。深圳地鐵一期工程道床減振降噪科研項(xiàng)目在國內(nèi)首次從理論分析、仿真計(jì)算、足尺模型試驗(yàn)、運(yùn)營檢測等方面研究、設(shè)計(jì)適合地鐵的鋼彈簧浮置板、橡膠浮置板及彈性支承塊3種軌道結(jié)構(gòu)［6］。為評價(jià)、防治軌道交通引起的振動可能對環(huán)境及周邊建筑物內(nèi)居民生活、工作影響，北京市地鐵公司、北京市環(huán)境保護(hù)局、北京交通大學(xué)等對北京地鐵1、5號線許多區(qū)段進(jìn)行現(xiàn)場測試，并獲得大量有價(jià)值的測試數(shù)據(jù)；通過理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場試驗(yàn)，獲得有關(guān)列車作用的地面、隧道及高架橋梁振動及對周圍環(huán)境、建筑物影響的研究成果［7-10］。通過對北京某號線地鐵隧道內(nèi)普通整體道床、B型軌道減振器、彈性短軌枕(彈性支承塊)、梯形軌枕、鋼彈簧浮置板道床的現(xiàn)場振動測試，對不同減振軌道結(jié)構(gòu)的實(shí)際減振效果進(jìn)行評價(jià)，為今后的軌道減振設(shè)計(jì)提供借鑒。1測試儀器及測點(diǎn)布置所測5種軌道型式均鋪設(shè)于單洞單線的圓形隧道內(nèi)，不同軌道結(jié)構(gòu)測試地點(diǎn)所處曲線半徑、地質(zhì)條件、隧道結(jié)構(gòu)、行車速度及隧道軌面埋深等對比見表1。測點(diǎn)布置示意圖見圖1。測試內(nèi)容包括鋼軌鉛垂向加速度，道床、梯形軌枕、短軌枕鉛垂向加速度，隧道壁鉛垂向、橫向加速度及列車通過速度。表1不同軌道類型簡況對比Tab.1Guidelinesofdifferenttrackstructures項(xiàng)目梯形軌枕道床軌道減振器軌道普通整體道床鋼彈簧浮置板彈性短軌枕直、曲線直直直直R=600m曲線緩和曲線線路坡度/%。33317.415隧道斷面形式圓形盾構(gòu)圓形盾構(gòu)圓形盾構(gòu)圓形盾構(gòu)圓形盾構(gòu)軌面埋深/m2020201821.6地質(zhì)特征粉土及卵石圓礫上下堆疊粉土及卵石圓礫上下堆疊粉質(zhì)粘土、卵石圓礫及雜粘土上下堆疊粉質(zhì)粘土粉質(zhì)粘土、卵石圓礫及中粗砂上下堆疊行車速度/(km-h-1)6060606060測試采用16位精度的INV306智能信號采集處理分析儀，所用內(nèi)裝IC壓電加速度傳感器具有低阻抗輸出、抗干擾、噪聲小等特點(diǎn)，主要技術(shù)指標(biāo)見表2。自動觸發(fā)采樣，采樣頻率2560Hz,時間間隔0.39ms。圖1測點(diǎn)布置示意圖Fig.1Arrangementofmeasuringpoints表2加速度傳感器技術(shù)指標(biāo)Tab.2Technicalindicatorsofaccelerometer測試位置鋼軌、浮置板、短軌枕、梯形軌枕隧道壁傳感器型號LC0104LC0130靈敏度系數(shù)/(mv-g-1)80040分辨率2x10-45x10-7分析頻率范圍/Hz1~10001~1000測試列車為實(shí)際運(yùn)營的B型4軸車空車，固定軸距2.3m，車輛定距12.6m,6輛編組。2評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及數(shù)據(jù)處理方法分析軌道交通軌道減振措施減振效果時尚無對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，評價(jià)城市區(qū)域環(huán)境振動(人體承受建筑物內(nèi)振動)時，應(yīng)據(jù)GB10071-1988與JGJ/T170-2009進(jìn)行測量、評價(jià)，采用1~80Hz頻率范圍內(nèi)的Z振級插入損失值作為減振措施的評價(jià)量。插入損失即為有無隔振裝置時的加速度級差。插入損失定義為：(1)式中：a2R為無隔振裝置時響應(yīng)；a2為有隔振裝置時響應(yīng)。當(dāng)L1>0時，隔振系統(tǒng)起作用；當(dāng)L1<0時，隔振系統(tǒng)無衰減作用。對式(1)進(jìn)行變換，引入基準(zhǔn)加速度a0=10-6m/s，得：(2)L1=VL2R-VL2(3)本文統(tǒng)一用振動加速度分別計(jì)算彈簧浮置板、梯形軌枕、軌道減振器、彈性短軌枕相對于普通整體道床的對比損失。加速度有效值計(jì)算時常為列車通過時段，Z振級采用時間計(jì)權(quán)常數(shù)為1s。每個測點(diǎn)振動加速度以6~10次測量數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值作為該點(diǎn)測量結(jié)果。3測試結(jié)果與分析3.1時域分析表3不同軌道結(jié)構(gòu)振動加速度級(dB)Tab.3Vibrationaccelerationofvarioustrackstructures(dB)位置頻率范圍/Hz普通整體道床鋼彈簧浮置板梯形軌枕軌道減振器彈性短軌枕鋼軌鉛垂向1~1000148.4144.6145.7153.7143.1道床鉛垂向1~1000110.9121.393.8100.296.71~8085.863.076.677.976.0隧道壁鉛垂向1~20087.663.978.278.777.41~100098.370.382.988.484.7注意：加速度有效值的計(jì)算時常為列車通過時段8s。圖2鋼軌振動加速度典型時域波形圖Fig.2Timedomainwaveformofvibrationaccelerationofrail圖3隧道壁振動加速度典型時域波形圖Fig.3Timedomainwaveformofvibrationaccelerationoftunnelwall圖4不同軌道結(jié)構(gòu)隧道壁對比損失Fig.4vibrationmitigationeffectofvarioustrackstructuresattunnelwall圖2、圖3為不同軌道結(jié)構(gòu)在列車通過時的鋼軌及隧道壁時域波形。由表3、圖2~圖4看出：軌道減振器、梯形軌枕、彈性短軌枕及鋼彈簧浮置板可降低隧道壁VLZmax為4dB,7.6dB,7.8dB,19.0dB;VLZ10為3.7dB,7.8dB,6.4dB,17.8dB。與普通整體道床隧道壁不計(jì)權(quán)振動加速度級相比，軌道減振器對應(yīng)于1~80Hz對比損失7.9dB,1~200Hz為8.9dB,1~1000Hz為9.9dB;梯形軌枕對應(yīng)于1~80Hz對比損失為9.3dB,1~200Hz為9.4dB,1~1000Hz為15.3dB;彈性短軌枕對應(yīng)于1~80Hz對比損失為9.8dB,1~200Hz為10.2dB,1~1000Hz為13.5dB；鋼彈簧浮置板對應(yīng)于1~80Hz為22.9dB,1~200Hz為23.7dB,1~1000Hz為28.0dB。⑶無論何種軌道減振措施，均表現(xiàn)為高頻減振效果高于低頻減振效果。各種軌道減振措施對應(yīng)于不同上限截止頻率，振動加速度級不同，對應(yīng)減振效果亦不同。截止頻率越高，振動加速度級越高，減振效果亦越好。隧道壁處對應(yīng)于1~1000Hz與1~80Hz的振動加速度級相差10dB,對比損失差別6~10dB。⑷人體全身垂向振動感覺敏感的振動頻率為1~80Hz,其中4~10Hz最敏感。由于梯形軌枕、軌道減振器、彈性短軌枕對40Hz頻率范圍內(nèi)的降振效果不明顯，VLZmax,VLz10減振效果均明顯小于不計(jì)權(quán)振動加速度級的減振效果。⑸不同減振軌道在減小隧道壁與地面振動的同時，放大了軌道結(jié)構(gòu)部件振動。如軌道減振器增大鋼軌振動加速度5.2dB；鋼彈簧浮置板道床增大道床振動加速度級10.4dB。減振性軌道放大了部分軌道結(jié)構(gòu)部件的振動加速度，影響軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，亦會增加軌道養(yǎng)護(hù)維修成本。(6)軌道減振效果與諸多因素有關(guān)，各廠家或測量單位給出的各種減振措施減振效果應(yīng)注明測量方法、評價(jià)量、頻率范圍、計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)、測點(diǎn)位置等與減振效果直接相關(guān)的邊界條件及報(bào)告減振型軌道的自振特性。3.2頻域分析城市軌道交通地下線振動頻率因受不同軌道結(jié)構(gòu)形式、不同列車類型、運(yùn)行速度、隧道結(jié)構(gòu)、地質(zhì)條件等諸多因素影響，有不同的振動頻率特性。彈簧浮置板、梯形軌枕、軌道減振器、彈性短軌枕軌道及普通整體道床鋼軌、道床、隧道壁振動加速度1/3倍頻程頻譜圖見圖5。未計(jì)權(quán)與4~200Hz計(jì)權(quán)的隨道壁振動加速度1/3倍頻程頻譜見圖6。表4各種減振措施隧道壁處不同頻段減振效果Tab.4Vibrationmitigationeffectofvarioustrackstructuresattunnelwallindifferentfrequencybands軌道類型減振效果頻率/Hz彈簧浮置板7~1312.5-4018-3350以上梯形軌枕9~1850以上軌道減振器7-1450以上彈性短軌枕6-2050以上表5各種減振措施隧道壁處分頻振級(4~200Hz)Tab.5Fractional-frequencyvibrationlevelofvarioustrackstructuresattunnelwall軌道類型VLmax/dB普通整體道床66.6彈簧浮置板47.3梯形軌枕62.5軌道減振器65.4彈性短軌枕58.3由表4、表5、圖5~圖7看出：地鐵振動源頻譜特性呈寬頻帶特性，以f=80~1000Hz頻率為主；不同軌道結(jié)構(gòu)、隧道結(jié)構(gòu)及地質(zhì)條件，其振動加速度不同；各種軌道結(jié)構(gòu)鋼軌振動加速度頻譜均以630~1000Hz為主，道床、隧道壁在31.5~60Hz處峰值明顯，主要由輪軌相互耦合作用所致。圖5軌道結(jié)構(gòu)振動加速度1/3倍頻程頻譜圖Fig.51/3Octavebandofvibrationaccelerationofrail圖6隧道壁振動加速度1/3倍頻程頻譜圖Fig.61/3Octavebandofvibrationaccelerationoftunnelwall圖7隧道壁振動加速度對比損失1/3倍頻程頻譜圖Fig.71/3Octavebandofvibrationaccelerationinsertionlossoftunnelwall軌道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)自振特性不同，鋼軌、道床、隧道壁等振動加速度在不同頻率處峰值明顯。如鋼彈簧浮置板自振頻率7.5~8Hz,其鋼軌、道床、隧道壁的振動加速度在中心頻率8Hz處峰值明顯；梯形軌枕自振頻率25~35Hz,鋼軌、梯形軌枕、道床、隧道壁在25~40Hz處峰值明顯。⑶據(jù)JGJ/T170-2009規(guī)定，隧道壁4~200Hz頻率范圍垂向振動加速度級按ISO2631/1-1997規(guī)定的Z計(jì)權(quán)因子修正后所得各中心頻率振動加速度級見圖6(b),分頻最大振級見表5。普通整體道床VLmax為66.6dB;鋼彈簧浮置板VLmax為47.3dB;梯形軌枕VLmax為62.5dB;軌道減振器VLmax為65.4dB;彈性短軌枕VLmax為58.3dB。⑷與普通整體道床相比，梯形軌枕、彈性短軌枕、軌道減振器高于40Hz時減振效果明顯；浮置板高于12.5Hz時減振效果明顯，對控制列車運(yùn)行產(chǎn)生的二次輻射噪聲影響更有效。(5)為獲得較好減振效果，軌道結(jié)構(gòu)固有頻率須設(shè)計(jì)較低，但難保證列車運(yùn)行安全性及旅客乘坐舒適性，一般認(rèn)為軌道隔振無法解決10~15Hz以下振動，減小低于10-15Hz振動只能通過改善車輛轉(zhuǎn)向架性能(低剛度懸掛系統(tǒng)、彈性車輪)解決。圖8普通整體道床Z振級典型時域波形Fig.8TimedomainwaveformofZdirectionvibrationdegreeofgeneralmonolithictrackbed3.3振動源強(qiáng)HJ453-2008中針對列車運(yùn)行振動對環(huán)境保護(hù)目標(biāo)影響進(jìn)行預(yù)測。環(huán)境預(yù)測時，振動源強(qiáng)確定與預(yù)測參數(shù)選取極為重要。據(jù)該規(guī)定定義的振動源強(qiáng)，將測試中速度約60km/h的VLzmax,VLz10算術(shù)平均。普通整體道床Z振級典型波形見圖8。獲得B型車空車時北京地鐵振動源強(qiáng)VLzmax,VLz10分別為82.5dB,79.3dB。4結(jié)論目前地鐵采用的軌道減振措施對隧道壁振動減振效果為：梯形軌枕、彈性短軌枕、鋼彈簧浮置板各自降低隧道壁VLZmax分別為4dB,7.6dB,7.8dB,19.0dB。軌道減振措施表明，減振效果高頻高于低頻；VLZmax,VLz10減振效果小于不計(jì)權(quán)的振動加速度級。⑶受不同軌道結(jié)構(gòu)形式、不同列車類型、運(yùn)行速度、隧道結(jié)構(gòu)、地質(zhì)條件等諸多因素影響，振動頻率特性亦不同。地鐵振動源頻譜特性呈寬頻帶特性，鋼軌振動加速度頻譜以630~1000Hz為主，道床、隧道壁在31.5~60Hz范圍內(nèi)的峰值均由輪軌相互耦合作用產(chǎn)生。⑷北京地鐵空車時振動源強(qiáng)VLzmax,VLz10分別為82.5dB,79.3dB。⑸減振軌道在減小隧道壁與地面振動的同時，會放大部分軌道結(jié)構(gòu)部件振動，應(yīng)予以重視、研究；用新型減振型軌道或軌道設(shè)計(jì)參數(shù)有重大變化時，應(yīng)對列車行車安全指標(biāo)(脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力)進(jìn)行檢測試驗(yàn)。致謝：感謝北京城建設(shè)計(jì)研究總院、北京京港地鐵有限公司的協(xié)助！參考文獻(xiàn)張艷平，楊宜謙，柯在田，等.城市軌道交通振動和噪聲的控制[J].中國鐵路,2000(3):43-45.ZHANGYan-ping,YANGYi-qian,KEZai-tian,etal.Urbanrailtransitvibrationandnoisecontrol[J].ChineseRailways,2000(3):43-45.夏禾，曹艷梅.軌道交通引起的環(huán)境振動問題[J].鐵道學(xué)報(bào)與工程學(xué)報(bào),2004(1):1-8.XIAHe,CAOYan-mei.Problemofrailwaytrafficinducedvibrationsofenvironments[J].JournalofRailwayScienceandEngineering,2004(1):1-8.楊宜謙，王瀾，孫寧.城市軌道交通中浮置板式軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì),2005(4):13-15.YANGYi-qian,WANGLan,SUNNing.Thedesignoffloatingslabstructureintheurbanrailtransitsystems[J].ConstructionandDesignforProject,2005(4):13-15.馬筠.我國鐵路環(huán)境振動現(xiàn)狀及傳播規(guī)律[J].中國環(huán)境科學(xué),1987,17(6):70-74.MAJun.Currentsituationoftraininducedvibrationsofenvironmentsanditspropagation[J].ChinaEnvironmentalScience,1987,17(6):70-74.辜小安，任京芳，劉揚(yáng)，等.我國地鐵環(huán)境振動現(xiàn)狀及控制措施[J].鐵道勞動安全衛(wèi)生與環(huán)保,2003,30(5):206-210.GUXiao-an,RENJing-fang,LIUYang,etal.ThestatusquoofenvironmentvibrationlevelandcontrolmeasuresofsubwayinChina[J].RailwayOccupationalSafetyHealth&EnvironmentalProtection,2003,30(5):206-210.中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所.深圳地鐵一期工程道床減振降噪科研項(xiàng)目總報(bào)告[R].北京：中國鐵道科學(xué)研究院,2003.夏禾.交通環(huán)境振動工程[M].北京：科學(xué)出版社，2010.李克飛，劉維寧，孫曉靜，等.北京地鐵5號線地下線減振措施現(xiàn)場測試與分析[J].鐵道學(xué)報(bào),2011,33(4