不同軌道結(jié)構(gòu)形式下地鐵隧道振動傳遞特性試驗(yàn)研究

吳寶游，宋立忠，艾永飛，劉全民，劉天宇

（1.中鐵電氣化局集團(tuán)有限公司，北京100036；2.華東交通大學(xué) 鐵路環(huán)境振動與噪聲教育部工程研究中心，南昌330013）

近年來中國城市軌道交通發(fā)展迅猛，極大地滿足了人民群眾出行需求，在優(yōu)化城市結(jié)構(gòu)布局、緩解城市交通擁堵以及促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展等方面的作用日益凸顯。據(jù)統(tǒng)計[1]：截止2020年12月31日，我國內(nèi)地累計有45 個城市開通城市軌道交通運(yùn)營線路7 978.19公里，其中地鐵6 302.79公里，占比79%。

隨著地鐵線路的大規(guī)模修建，隨之而來的振動與噪聲問題也變得日益突出。地鐵列車在鋼軌上運(yùn)行時，受輪軌不平順的影響，車輪與鋼軌之間相互作用，產(chǎn)生輪軌力，激發(fā)輪軌系統(tǒng)振動，并通過軌道結(jié)構(gòu)傳至隧道壁，再傳到地面，引起地面建筑物的振動及二次結(jié)構(gòu)噪聲[2]。

國內(nèi)外學(xué)者針對地鐵引起的振動問題開展了大量研究[3-6]。在地鐵隧道的振動傳遞特性方面，袁揚(yáng)和劉維寧等[7]通過實(shí)驗(yàn)室錘擊試驗(yàn)和數(shù)值模擬，研究了不同振源作用下隧道-地層-建筑物系統(tǒng)的振動傳遞特性，發(fā)現(xiàn)隧道-地層-建筑物系統(tǒng)的傳遞率函數(shù)是系統(tǒng)的固有特性，而與振源幅值、幅頻特性等因素?zé)o關(guān)。侯晉等[8]在蘇州軌道交通1號線隧道內(nèi)，通過錘擊試驗(yàn)對比了短軌枕斷面（Ⅲ型減振器扣件+短軌枕式整體道床）和長軌枕斷面（普通扣件+長軌枕式整體道床）的振動傳遞特性，結(jié)果表明Ⅲ型減振器扣件+短軌枕式整體道床具有更好的減振效果，在40 Hz～80 Hz頻段的振動峰值衰減約10 dB。賀國宇[9]以深圳地鐵5 號線南延段作為工程背景，通過錘擊試驗(yàn)，研究了瀝青、橡膠、泡沫混凝土等不同材料減振層的振動傳遞特性，結(jié)果表明：在3 種減振材料中，瀝青材料的振動衰減率最大，泡沫混凝土的振動衰減率最小。CAI等[10]以北京地鐵15號線作為研究對象，通過現(xiàn)場測試研究了列車通過彈性長枕軌道時的減振效果，與普通無砟軌道相比，彈性長枕軌道在40 Hz 以上表現(xiàn)出顯著的減振效果，總振動加速度級減小約10 dB。

本文以南昌地鐵3 號線為工程背景，分別在普通板式軌道斷面、雙層非線性減振扣件斷面、隔離式減振墊斷面開展現(xiàn)場錘擊試驗(yàn)，研究不同軌道結(jié)構(gòu)形式下地鐵隧道的振動傳遞特性，在此基礎(chǔ)上分析不同軌道結(jié)構(gòu)的減振效果。

1 測試概況

1.1 工程背景

本次試驗(yàn)以南昌地鐵3 號線為工程背景，線路全長28.5 km，采用全地下敷設(shè)方式，共設(shè)22 座地下車站，采用6節(jié)編組B型列車。南昌地鐵3號線途經(jīng)繩金塔歷史街區(qū)、三眼井文化風(fēng)貌區(qū)、南昌新四軍軍部舊址、八大山人故居、陳云故居廣場、梅湖自然歷史風(fēng)景區(qū)以及其他22 處歷史建筑。在經(jīng)過振動敏感區(qū)域時，需采取減振措施，如采用雙層非線性減振扣件、隔離式減振墊等。為了測試不同軌道結(jié)構(gòu)的振動傳遞特性及減振效果，在線路開通前開展了現(xiàn)場錘擊試驗(yàn)。

1.2 測點(diǎn)布置

為了測試不同軌道結(jié)構(gòu)的振動傳遞特性及減振效果，分別選取普通板式軌道地段、雙層非線性減振扣件地段、隔離式減振墊地段，在鋼軌軌頂、軌道板中心及隧道壁上粘貼振動加速度傳感器，如圖1 所示。①號測點(diǎn)在扣件正上方的鋼軌軌頂，②號測點(diǎn)在兩相鄰扣件中間的鋼軌軌頂，③號測點(diǎn)在軌道板中心，④號測點(diǎn)在高1.5 m 的隧道壁上，其中①、③、④號測點(diǎn)位于同一斷面。測試照片見圖2。

圖1 測點(diǎn)布置示意圖

圖2 測試照片

1.3 測試工況

本次測試分別選取普通板式軌道斷面、雙層非線性減振扣件斷面、隔離式減振墊斷面，錘擊點(diǎn)位于①號測點(diǎn)附近，為了保證測試結(jié)果的有效性，在每個測試斷面重復(fù)測試3次，測試工況見表1。

表1 測試工況

1.4 測試儀器

本次測試采用北京東方振動和噪聲技術(shù)研究所的Coinv 力錘進(jìn)行錘擊，采用美國PCB 公司的PCB333B32 加速度傳感器記錄鋼軌振動加速度，采用美國PCB 公司的PCB393B04 加速度傳感器記錄軌道板和隧道壁振動加速度，采用德國Head公司的DEMO-SQⅢ-GZ 數(shù)據(jù)采集儀同步采集力信號和振動加速度信號。

2 測試結(jié)果分析

圖3 為PT-1 工況下的錘擊力的時程和頻譜曲線，從圖中可以看出：錘擊力的時域峰值約為12 kN；在0～1 000 Hz頻率范圍內(nèi)，錘擊力的頻譜衰減特性良好。因此，本次測試結(jié)果可用于分析不同軌道結(jié)構(gòu)形式下的地鐵隧道振動傳遞特性。

圖3 錘擊力

2.1 振動傳遞特性

振動加速度導(dǎo)納HAF(ω)是輸出振動加速度響應(yīng)信號和輸入激勵信號的傅里葉變換之比，可以表示為：

其中：A(ω)和F(ω)分別表示振動加速度和力的傅里葉變換。

振動加速度導(dǎo)納反映了結(jié)構(gòu)的固有振動特性，與輸入無關(guān)，因此，很多學(xué)者采用振動加速度導(dǎo)納研究振動傳遞特性[11-14]。

為了研究不同結(jié)構(gòu)形式下的地鐵隧道振動傳遞特性，分別計算了普通板式軌道斷面、雙層非線性減振扣件斷面、隔離式減振墊斷面各測點(diǎn)的振動加速度導(dǎo)納。

圖4給出了PT-1、SC-1、GL-1工況下各測點(diǎn)的振動加速度導(dǎo)納頻譜，從圖中可以看出：各測試斷面鋼軌的振動加速度導(dǎo)納差別不大，但軌道板及隧道壁振動加速度導(dǎo)納差異明顯，說明不同軌道結(jié)構(gòu)形式下地鐵隧道振動傳遞特性有所差異。在普通板式軌道地段，隧道壁的振動加速度導(dǎo)納在7 Hz～100 Hz及400 Hz～800 Hz范圍內(nèi)均明顯大于軌道板的振動加速度導(dǎo)納，僅在100 Hz～160 Hz 范圍內(nèi)明顯小于軌道板的振動加速度導(dǎo)納；在雙層非線性減振扣件地段，隧道壁的振動加速度導(dǎo)納僅在10 Hz～40 Hz范圍內(nèi)明顯大于軌道板的振動加速度導(dǎo)納，而在80 Hz～170 Hz 范圍內(nèi)則明顯小于軌道板的振動加速度導(dǎo)納；在隔離式減振墊地段，隧道壁的振動加速度導(dǎo)納在30 Hz以上顯著小于軌道板的振動加速度導(dǎo)納，這說明隔離式減振墊軌道的減振效果最佳，其次是雙層非線性扣件軌道，普通板式軌道的減振效果最差。

圖4 不同軌道結(jié)構(gòu)形式下的振動加速度導(dǎo)納頻譜

2.2 減振效果分析

為了進(jìn)一步研究雙層非線性減振扣件軌道、隔離式減振墊軌道相對于普通板式軌道減振效果，分別計算了單位力作用下普通板式軌道斷面、雙層非線性減振扣件斷面、隔離式減振墊斷面各測點(diǎn)的振動加速度級。

振動加速度級VAL(單位：dB)可以表示為：

其中：a表示振動加速度有效值，單位為m/s2；a0為基準(zhǔn)加速度，a0=10-6m/s2。

表2給出了單位力作用下不同測試斷面各測點(diǎn)的振動加速度級，從表中可以看出：單位力作用下，不同測試斷面的鋼軌振動加速度級差別不大，不同工況下同一測試斷面同一測點(diǎn)的振動加速度級也差別不大，這證明了測試數(shù)據(jù)的有效性。同時，還可以看出：單位力作用下，普通板式軌道斷面、雙層非線性減振扣件斷面、隔離式減振墊斷面軌道板（③號測點(diǎn)）的振動加速度級依次增大，分別約為58.38 dB/N、60.91 dB/N、75.87 dB/N，而隧道壁（④號測點(diǎn)）的振動加速度級則依次減小，分別約為69.22 dB/N、63.63 dB/N、59.19 dB/N。因此，與普通板式軌道相比，雙層非線性扣件軌道、隔離式減振墊軌道的減振效果分別約為5.59 dB、10.03 dB。

表2 單位力作用下不同測試斷面各測點(diǎn)的振動加速度級/（dB/N）

3 結(jié)語

本文以南昌地鐵3 號線為工程背景，分別選取普通板式軌道斷面、雙層非線性減振扣件斷面、隔離式減振墊斷面，開展現(xiàn)場錘擊試驗(yàn)，研究了不同軌道結(jié)構(gòu)形式下地鐵隧道的振動傳遞特性，并分析了不同軌道結(jié)構(gòu)的減振效果，主要結(jié)論如下：

（1）在3種軌道結(jié)構(gòu)形式中，隔離式減振墊的減振效果最佳，其次是雙層非線性扣件，普通板式軌道的減振效果最差。

（2）雙層非線性扣件在80 Hz～170 Hz 范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的減振特性，與普通板式軌道相比，減振效果約為5.6 dB。

（3）隔離式減振墊在30 Hz 以上頻段表現(xiàn)出顯著的減振特性，與普通板式軌道相比，減振效果約為10 dB。