黃土地區(qū)高速鐵路路基環(huán)境振動(dòng)現(xiàn)場測試分析

張永福,李 斌,白廣明,羅貫霄,范祥輝,劉 花,張文強(qiáng)

(1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院,蘭州 730070； 2.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通與測繪工程分院,陜西咸陽 712100；3.中鐵一局集團(tuán)有限公司,西安 710054)

近年來，隨著高速鐵路的快速發(fā)展，高速鐵路給人們的日常生活帶來了諸多便利，但同時(shí)也產(chǎn)生了一些負(fù)面影響，如環(huán)境振動(dòng)。高速列車引起的沿線環(huán)境振動(dòng)問題已經(jīng)受到越來越多部門和學(xué)者的重視。美國聯(lián)邦鐵路運(yùn)輸部門通過分析振動(dòng)的傳播規(guī)律和鐵路的環(huán)境振動(dòng)源，對(duì)高速鐵路引起的振動(dòng)和噪聲提出了新的評(píng)估方法。馬莉[1]結(jié)合項(xiàng)目“武廣高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試長沙南站振動(dòng)噪聲試驗(yàn)”，研究了高速列車通過高架車站時(shí)對(duì)候車廳環(huán)境的影響。夏禾等[2]實(shí)測了北京地鐵5號(hào)線高架橋上運(yùn)行列車對(duì)周邊的環(huán)境振動(dòng)，得出地面橫向振動(dòng)的衰減規(guī)律。馬利衡等[3]通過現(xiàn)場試驗(yàn)和數(shù)值分析的方法，分析了滬寧城際高速鐵路路堤段的周邊地面振動(dòng)特性。李小珍等[4]在津秦高鐵32 m簡支梁橋區(qū)段對(duì)橋上列車高速運(yùn)行時(shí)引起的地面振動(dòng)進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)研究。陳洪運(yùn)等[5]利用試驗(yàn)研究和數(shù)值分析的方法，研究了高鐵濱海北站路基段的環(huán)境振動(dòng)特性和衰減規(guī)律。王祥秋等[6]測試分析了武廣高鐵金沙洲路段的環(huán)境振動(dòng)以及周圍建筑物的二次振動(dòng)。馬骙骙，李斌等[7-8]通過建立列車-軌道-地基系統(tǒng)模型，結(jié)合寶蘭高鐵實(shí)測數(shù)據(jù)，分析研究了覆蓋層厚度和覆蓋層與下臥層模量比對(duì)地面振動(dòng)的影響規(guī)律。隨著我國深入實(shí)施《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》(2016—2030)及新時(shí)代西部大開發(fā)戰(zhàn)略，西北黃土地區(qū)的高速鐵路建設(shè)迎來了廣闊的發(fā)展前景，黃土地區(qū)的鐵路環(huán)境振動(dòng)問題也比較突出[9]。縱觀國內(nèi)外學(xué)者對(duì)鐵路環(huán)境振動(dòng)問題的研究，針對(duì)黃土地區(qū)高速鐵路路堤段和路塹段環(huán)境振動(dòng)的現(xiàn)場測試及兩者的對(duì)比分析較少。

因此，以寶蘭高鐵K933+110處路堤段和K1002+170處路塹段為工程背景，現(xiàn)場實(shí)測高速列車通過路堤和路塹時(shí)的周邊地面垂向振動(dòng)響應(yīng)，并將響應(yīng)數(shù)據(jù)從時(shí)域、頻域和振級(jí)方面進(jìn)行對(duì)比分析與評(píng)價(jià)，以期為黃土地區(qū)高速鐵路路基段隔振減振機(jī)理的建立和減振措施的研發(fā)提供幫助。

1 試驗(yàn)概況

1.1 線路特征與列車條件

寶蘭高鐵線路全長400.644 km，設(shè)計(jì)速度為250 km/h，軌道結(jié)構(gòu)形式為CRTSⅠ 型雙塊式無砟軌道。路堤段和路塹段的測試斷面分別位于里程K933+110處和K1002+170處，測試區(qū)周邊地勢平坦，地面堅(jiān)實(shí)，環(huán)境干燥，無其他振動(dòng)源，測試條件符合TB/T 3152—2007《鐵路環(huán)境振動(dòng)測量》要求。兩處測試場地的地層巖性均以第四系風(fēng)積砂質(zhì)黃土為主，無地表水[10-11]。圖1(a)和圖1(b)分別為高速列車通過路堤段和路塹段的測試現(xiàn)場。

圖1 高速列車通過時(shí)的測試現(xiàn)場

此次現(xiàn)場試驗(yàn)在路堤段和路塹段共采集了50列高速列車通過時(shí)的地面垂向振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)，其中路堤段30列，路塹段20列，列車型號(hào)有CRH5G、CRH2G、CRH380B等，列車運(yùn)行速度在200～245 km/h之間。

1.2 測量儀器

現(xiàn)場測試采用的儀器為INV3062T型24位采集儀，其工作模式為FPGA、DSP、ARM三CPU協(xié)同工作，同時(shí)配有4個(gè)24位高精度AD采集通道，在進(jìn)行現(xiàn)場測試時(shí)配有加速度傳感器和速度傳感器。研究鐵路振動(dòng)問題一般以鉛垂向振動(dòng)為主，所以現(xiàn)場設(shè)置垂向加速度傳感器，采樣頻率為1 024 Hz，采集儀器如圖2所示。

圖2 采集儀器

1.3 測點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況和《鐵路環(huán)境振動(dòng)測量》中測點(diǎn)布設(shè)原則和要求[12-15]，在路堤段，測點(diǎn)距鐵路外軌中心線最近為10 m，最遠(yuǎn)為42 m，各測點(diǎn)位置如圖3所示。在路塹段，測點(diǎn)距鐵路外軌中心線最近為12.5 m，最遠(yuǎn)為40 m，各測點(diǎn)位置如圖4所示。

圖3 路堤段試驗(yàn)測點(diǎn)布置斷面(單位：m)

圖4 路塹段試驗(yàn)測點(diǎn)布置斷面(單位：m)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

前期對(duì)比分析了50列高速列車通過測試區(qū)間時(shí)的振動(dòng)信號(hào)，發(fā)現(xiàn)不同車次所產(chǎn)生的振動(dòng)加速度具有很高的相似性。限于篇幅，選取編組為8節(jié)車廂，全長211.5m的CRH5G列車的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行研究分析，該列車通過路堤段和路塹段試驗(yàn)區(qū)間時(shí)的速度均約為230 km/h，列車運(yùn)行方向?yàn)樘m州—西安(近軌通過)。

2.1 時(shí)域分析

為分析黃土地區(qū)高速鐵路路堤段和路塹段周邊環(huán)境振動(dòng)特性，CRH5G動(dòng)車組通過路堤段和路塹段時(shí)的垂向振動(dòng)加速度時(shí)程曲線分別如圖5和圖6所示，并將路堤段和路塹段距鐵路外軌中心線不同距離處的地面垂向振動(dòng)加速度峰值進(jìn)行了對(duì)比，如圖7所示。

圖5 路堤段垂向加速度時(shí)程曲線

圖6 路塹段垂向加速度時(shí)程曲線

圖7 不同距離處峰值加速度變化規(guī)律

路堤段和路塹段測點(diǎn)1處的垂向加速度峰值量級(jí)為10-1，而測點(diǎn)1處的背景振動(dòng)加速度峰值量級(jí)為10-3，兩峰值相差2個(gè)數(shù)量級(jí)，說明外界干擾對(duì)現(xiàn)場測試結(jié)果影響很小，保證了測試結(jié)果的有效性。在距鐵路外軌較近范圍內(nèi)，列車通過測試斷面的總時(shí)間(t)與列車運(yùn)行速度(v)和列車總長(L)有關(guān)，本文中L為211.5 m，v為230 km/h，則總時(shí)間為：t=L/v=3.31 s。由圖5(a)和圖6(a)可知，計(jì)算振動(dòng)持續(xù)時(shí)間與實(shí)測振動(dòng)持續(xù)時(shí)間較吻合，說明測試數(shù)據(jù)的正確性。

從圖5(a)和圖6(a)可看出8個(gè)明顯的加速度峰值，這是由8節(jié)車廂的周期性加載所引起。隨著距鐵路外軌中心線的距離越來越大，加速度周期性峰值越來越不明顯，振動(dòng)持續(xù)時(shí)間逐漸變長，圖5(d)和圖6(d)中已經(jīng)觀測不到這種周期性峰值，且列車經(jīng)過時(shí)的地面振動(dòng)與背景振動(dòng)較接近，說明距鐵路外軌中心線40 m附近的地面垂向振動(dòng)已經(jīng)變得特別小。

由圖7可知，隨著距鐵路外軌中心線的距離增加，路堤段和路塹段的周邊地面振動(dòng)加速度峰值均減小。路堤段在距鐵路外軌中心線10～30 m范圍內(nèi)垂向振動(dòng)加速度衰減迅速，30 m之后振動(dòng)加速度衰減變緩；路塹段在距鐵路外軌中心線12.5～20 m范圍(即路塹坡面)垂向振動(dòng)加速度衰減迅速，20 m之后(路塹頂部)振動(dòng)加速度衰減變緩，且同一測點(diǎn)范圍內(nèi)路塹段的周邊地面振動(dòng)加速度始終高于路堤段的周邊地面振動(dòng)加速度。這是由于當(dāng)振源產(chǎn)生的面波和體波傳至路塹邊坡坡腳時(shí)，邊坡坡腳各點(diǎn)將作為新的振源，新振源立即產(chǎn)生新的振動(dòng)沿坡面?zhèn)鬟f。

2.2 譜分析

譜分析可以反映振動(dòng)能量的分布情況和振動(dòng)頻率的成分?，F(xiàn)將路堤段和路塹段各測點(diǎn)的垂向加速度時(shí)程數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT(快速傅里葉變換)運(yùn)算，得到路堤段和路塹段的加速度頻譜曲線，分別如圖8和圖9所示。

圖8 路堤段地面測點(diǎn)振動(dòng)加速度頻譜曲線

圖9 路塹段地面測點(diǎn)振動(dòng)加速度頻譜曲線

由圖8和圖9可知，隨著距鐵路外軌中心線的距離增大，路堤段和路塹段周邊地面的振動(dòng)頻率從40 Hz以上的高頻向10～20 Hz的低頻衰減，地面振動(dòng)加速度幅值亦隨之降低。在路堤段，距鐵路外軌中心線10～30 m范圍內(nèi)地面振動(dòng)頻率在3～96 Hz之間，其中能量較集中的主頻約為10，21，42 Hz和95 Hz，而距鐵路外軌中心線30～40 m范圍內(nèi)，地面振動(dòng)頻率僅在3～11 Hz之間，能量較集中的主頻約為10 Hz；在路塹段，距鐵路外軌中心線12.5～40 m范圍內(nèi)地面振動(dòng)頻率在3～95 Hz之間，其中12.5 m處有85～95 Hz的高頻成分，但含量較少，能量較集中的主頻約為20 Hz和43 Hz，在40 m處，能量較集中的主頻約為18 Hz，主峰18.4 Hz周圍出現(xiàn)多個(gè)大小較為接近的次峰，說明在該位置振動(dòng)能量較離散。ISO.ISO2631—2[16]指出可用運(yùn)用公式(1)計(jì)算列車加載頻率，即

f=v/L

(1)

式中，f為頻率，Hz；v為速度，取63.9 m/s；L為長度，m。CRH5G列車的固定軸距L1=2.7 m，車輛定距L2=19 m，相鄰車輛前后轉(zhuǎn)向架間的距離L3=7.825 m，軌枕間距L4=6.5 m。采用公式(1)計(jì)算得到f1=23 Hz，f2=3.3 Hz，f3=8.2 Hz，f4=98.3 Hz。說明圖8和圖9中出現(xiàn)的10 Hz和20 Hz左右的主頻為輪軸的加載頻率，大小與軸重、列車運(yùn)行速度、列車固定軸距和相鄰車輛前后轉(zhuǎn)向架間距離有關(guān)，90 Hz左右的主頻與軌枕間距相關(guān)。

YU Hongbiao，WANG K W[17]將輪軌不平順激勵(lì)作用下產(chǎn)生的輪軌力進(jìn)行簡化處理，得出了輪軌力峰值頻率fp的計(jì)算公式

(2)

式中，EI為鋼軌抗彎剛度，取6.76×106N·m2；S為鋼軌支承剛度，取3×107N/m；kH為線性化的輪軌赫茲接觸彈簧剛度，取1.35×109N/m；mw為單輪質(zhì)量，取1 000 kg。通過公式(2)計(jì)算得到試驗(yàn)中輪軌力的峰值頻率約為40 Hz，說明圖8和圖9中出現(xiàn)的40 Hz左右的主頻對(duì)應(yīng)于輪軌力的峰值頻率。

2.3 1/3倍頻程

在振動(dòng)測試分析中，常采用1/3倍頻程進(jìn)行頻帶劃分，1/3倍頻程可以用較少的數(shù)據(jù)點(diǎn)來描述振動(dòng)加速度隨頻率的變化情況，具有頻帶寬、譜線少的特點(diǎn)。本文中路堤段和路塹段周邊地面振動(dòng)的1/3倍頻程譜曲線分別如圖10、圖11所示。

圖10 路堤段1/3倍頻程曲線

圖11 路塹段1/3倍頻程曲線

由圖10和圖11可知，隨著距鐵路外軌中心線的距離增加，40 Hz以上的高頻成分衰減速率較快，10～20 Hz的低頻成分衰減緩慢。這是因?yàn)楦哳l振動(dòng)增加了質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)次數(shù)，使得質(zhì)點(diǎn)間摩擦所消耗的能量增加，地面振動(dòng)頻率從高頻向低頻靠近，低頻振動(dòng)在土體中傳播更遠(yuǎn)，說明黃土對(duì)高頻振動(dòng)具有高阻尼效應(yīng)。

由1/3倍頻程曲線可知，各頻段的振動(dòng)加速度幅值均隨著距鐵路外軌中心線距離的增大而減小，路堤段的主頻帶為8～12.5 Hz，16～25 Hz，31.5～50 Hz和80～90 Hz，出現(xiàn)在距鐵路外軌中心線10～30 m范圍內(nèi)；路塹段的主頻帶為12.5～25 Hz，31.5～50 Hz和60～90 Hz，出現(xiàn)在距鐵路外軌中心線10～20 m范圍內(nèi)，頻帶為60～90 Hz的含量少，這與譜分析結(jié)果相吻合。

2.4 Z振級(jí)分析

選用TB/T 3152—2007[18]規(guī)定的Z向計(jì)權(quán)因子修正后的振動(dòng)加速度級(jí)作為衡量鐵路環(huán)境振動(dòng)問題的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)黃土地區(qū)高速列車誘發(fā)的路堤段和路塹段周邊環(huán)境振動(dòng)進(jìn)行定量的分析與評(píng)價(jià)[19-20]，圖12和圖13給出了路堤段和路塹段不同測點(diǎn)處Z向振動(dòng)加速度級(jí)的變化規(guī)律。提取圖12和圖13中不同距離處的最大Z振級(jí)，繪制出路堤段和路塹段距鐵路外中心線不同距離處最大Z振級(jí)變化規(guī)律，并將變化規(guī)律進(jìn)行了曲線擬合，如圖14所示。我國GB10070—88《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》中將80 dB作為“鐵路外軌30 m外兩側(cè)”區(qū)域的垂向Z振級(jí)限值。

圖12 路堤段不同距離處Z振級(jí)變化曲線

圖13 路塹段不同距離處Z振級(jí)變化曲線

圖14 不同距離處Z振級(jí)變化規(guī)律

由圖12和圖13可得，路堤段距鐵路外軌中心線10 m范圍內(nèi)振級(jí)超出80 dB，Z振級(jí)最大值為82.04 dB，出現(xiàn)在頻率為40 Hz處；路塹段距鐵路外軌中心線12.5m范圍內(nèi)振級(jí)超出80 dB，最大值出現(xiàn)在頻率為20 Hz和40 Hz處，對(duì)應(yīng)振級(jí)分別為83.92 dB和81.93 dB，Z振級(jí)符合《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》中的限值要求。從圖14可以看出，隨著距鐵路外軌中心線距離的增大，路堤段和路塹段周邊地面的Z振級(jí)衰減特性呈對(duì)數(shù)規(guī)律。路堤段和路塹段距鐵路外軌中心線10～30 m范圍內(nèi)，Z振級(jí)衰減較快，30 m以外范圍，Z振級(jí)衰減趨于平緩，說明在實(shí)際現(xiàn)場，時(shí)速230 km/h列車經(jīng)過路堤段和路塹段時(shí)，對(duì)距鐵路外軌中心線30 m以外范圍的Z振級(jí)影響不明顯。同時(shí)，在距鐵路外軌中心線相同范圍內(nèi)，路塹段Z振級(jí)高于路堤段。

3 結(jié)論

結(jié)合黃土地區(qū)寶蘭高鐵路堤段和路塹段的周邊地面振動(dòng)實(shí)測數(shù)據(jù)，并將實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域和頻域的對(duì)比分析，得出以下結(jié)論。

(1)黃土地區(qū)路堤段和路塹段分別距鐵路外軌中心線10 m和12.5 m范圍內(nèi)，地面振動(dòng)信號(hào)出現(xiàn)由機(jī)車車輛周期性加載引起的周期性峰值，隨著距離的增大，這種周期性峰值越來越不明顯。在距鐵路外軌中心線相同范圍內(nèi)，路塹段周邊地面振動(dòng)強(qiáng)度始終高于路堤段。

(2)隨著距鐵路外軌中心線的距離增加，黃土地區(qū)路堤段和路塹段周邊地面40 Hz以上的振動(dòng)頻率衰減快，10～20 Hz的振動(dòng)頻率衰減慢，各頻段的振動(dòng)加速度幅值均隨著距鐵路外軌中心線距離的增大而減小。

(3)黃土地區(qū)路堤段和路塹段出現(xiàn)的約40 Hz主頻與輪軌力峰值頻率對(duì)應(yīng)；出現(xiàn)的約10 Hz和20 Hz的主頻與軸重、列車運(yùn)行速度、列車固定軸距和相鄰車輛前后轉(zhuǎn)向架間距離有關(guān)；出現(xiàn)的約90 Hz的主頻與軌枕間距有關(guān)。

(4)隨著距鐵路外軌中心線距離的增大，黃土地區(qū)路堤段和路塹段周邊地面的Z振級(jí)衰減特性呈對(duì)數(shù)規(guī)律。距鐵路外軌中心線相同范圍內(nèi)，路塹段周邊地面Z振級(jí)始終高于路堤段。