城市軌道交通地下線振動噪聲整治技術(shù)研究與應(yīng)用

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)計發(fā)展集團股份有限公司，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. 北京交通大學土木建筑工程學院，北京 100044；6. 中國鐵道科學研究院集團有限公司，北京 100081）

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

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

1 技術(shù)路線的制定

由多家單位組成的產(chǎn)學研用相結(jié)合的技術(shù)團隊開展系統(tǒng)性研究，具體技術(shù)路線為：對投訴敏感點對應(yīng)區(qū)段的軌行區(qū)狀態(tài)及住戶進行調(diào)研，初步確定需進行振動噪聲整治的敏感點；對敏感點的振動噪聲和相應(yīng)軌行區(qū)的振動及鋼軌波磨等進行測試分析；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)振動及波磨檢測、地面振動、敏感點振動噪聲、入戶調(diào)研等方面的結(jié)果，評估整治措施的實施效果。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行產(chǎn)生的振動噪聲對住戶的影響。通過對振動噪聲投訴地段的軌行區(qū)調(diào)研和入戶調(diào)研，可系統(tǒng)掌握敏感點振動噪聲情況及相應(yīng)軌行區(qū)的軌道設(shè)計方案及軌道狀態(tài)，并為后續(xù)振動噪聲整治方案制定、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)，運營部門已進行了及時更換和清潔，并對軌道幾何形位進行了檢查和調(diào)整，但以上問題對于振動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)，與敏感點里程相重合，經(jīng)判斷此類問題是造成地下線振動噪聲的主要原因[5-6]，必須予以及時整治。

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，列車通過此區(qū)段能感到有些振動，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，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)生時間與住戶感受到振動的時間較為契合，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)振動測試

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

圖4 測點示意Figure 4 Schematic of measured locations

測試得到鋼軌豎向振動時域圖、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 鋼軌豎向振動測試結(jié)果Figure 5 Test results of vertical rail vibration

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

頻域分析可知：鋼軌、道床、隧道壁的振動加速度在360 Hz、360 Hz和70 Hz達到峰值。

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 地面振動測試

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

圖6 地面測點位置示意Figure 6 Schematic of ground-measuring positions

經(jīng)Z振級分析可知：地面測點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，地面豎向振動的最大Z振級(VLZmax)隨著測點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 敏感點振動噪聲測試

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

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

2) 某活動室的室內(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。

3.5 整治方案的制定

由上述測試結(jié)果分析可知，敏感點與線路距離過近、鋼軌波磨存在及減振措施不足是引發(fā)敏感點振動噪聲的主要原因。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

為初步驗證措施的實施效果，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 敏感點建筑物Figure 7 Building map of a sensitive location

敏感點所在區(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2拖方式編組，列車以57 km/h通過敏感點所在區(qū)段。

4.2 仿真分析模型的建立及可靠性驗證

4.2.1 仿真分析模型的建立

根據(jù)以上工程資料，建立該敏感點處的理論仿真分析模型，如圖8所示。

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

利用上述模型，對列車通過敏感點所在地鐵區(qū)間所引發(fā)的環(huán)境振動進行仿真計算，并與實測結(jié)果進行對比驗證。

4.2.2 時域的驗證

在時域內(nèi)將仿真計算結(jié)果和測試結(jié)果進行了對比，以隧道壁處垂向振動加速度的時域結(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 隧道壁垂向振動加速度時域結(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)樓板垂向振動加速度的仿真計算結(jié)果在時域范圍內(nèi)與實測結(jié)果幅值相差不大，有效值的最大誤差均在10%以內(nèi)，因此采用本模型進行振動分析是可行的。

4.2.3 頻域的驗證

在頻域內(nèi)將仿真計算結(jié)果和測試結(jié)果進行對比，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指標為最大Z振級(VLZmax)、室內(nèi)樓板振動指標為分頻最大振級(VLmax)。

圖10 隧道壁垂向振動加速度分頻振級結(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)境振動評價指標對比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)樓板振動評價指標最大誤差均不超過10%，因此采用本模型進行振動分析是可行的。

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%的振動響應(yīng)進行仿真分析，并與鋼軌打磨前的結(jié)果進行對比分析。

選取隧道壁、隧道正上方地面、臨近建筑物地面和室內(nèi)樓板的垂向振動加速度作為分析對象，分別從時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。隧道壁和地面振動指標為最大Z振級(VLZmax)、室內(nèi)樓板振動指標為分頻最大振級(VLmax)。

表3 不同鋼軌波磨打磨程度條件下不同位置處振動響應(yīng)有效值時域結(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振動以及地面和室內(nèi)振動。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的振動水平。

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，進一步分析鋼軌扣件剛度對環(huán)境振動的影響規(guī)律，扣件靜剛度分別選擇為40、20、15 kN/mm進行對比分析。

選取隧道壁、隧道正上方地面、臨近建筑物地面和室內(nèi)樓板的垂向振動加速度作為分析對象，分別從時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響應(yīng)有效值時域結(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，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的振動水平。

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項和第2項，因此，本節(jié)主要對第1項和第2項措施分別進行了理論仿真研究。

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

第2項更換扣件措施的實施雖然對上部建筑物振動噪聲的控制不如第1項措施明顯，但是也能顯著改善隧道壁和地面的垂向振動，對于振動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的環(huán)境振動水平，兩者缺一不可。

5 整治措施的實施及效果檢測評估

5.1 整治措施的實施

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)及隧道壁的振動檢測對比如圖12所示。

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

對于振動傳遞而言，振動沿鋼軌—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衰減21.9 dB，道床至隧道壁振動衰減7.5 dB；整治后鋼軌至道床振動衰減39.6 dB，道床至隧道壁振動衰減4.8 dB。

從整治前后的振動差異對比來看，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 地面振動檢測評估

整治措施實施之后，對敏感點處地面上6個測點(見圖6)的豎向振動進行了整治效果的檢測評估，和整治前的測試結(jié)果進行了對比分析。

整治前后各測點的最大Z振級(VLZmax)對比如圖13所示。地面測點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。從各個測點Z振級變化量來看，整治后與整治前相比，所有測點的Z振級均有不同程度的減小，整治措施實施后Z振級平均降低約8 dB，地面測點1位于線路右線正上方，其振動變化量最大，為11.4 dB，整治效果顯著。

5.2.3 敏感點振動噪聲檢測評估

整治措施實施后，對該投訴敏感點室內(nèi)外的振動和二次結(jié)構(gòu)噪聲進行了測試，其中：該敏感點所在建筑物某戶門廳室外振動(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(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 整治前后的敏感點振動及二次噪聲對比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)團隊進行的檢測評估工作證實3.5節(jié)提到的整治方案可以有效控制各項振動和噪聲。除本文展示的敏感點外，還對其他幾個敏感點也實施了上述整治措施，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

整治措施實施后，對該處敏感點的住戶進行了入戶回訪，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“振動明顯降低，對生活影響不大”的評價。

6 結(jié)語

針對振動噪聲的整治問題制定了詳盡的技術(shù)路線：對投訴敏感點對應(yīng)區(qū)段的軌行區(qū)狀態(tài)及住戶進行調(diào)研，初步確定需進行振動噪聲整治的敏感點；對敏感點的振動噪聲和相應(yīng)軌行區(qū)的振動及鋼軌波磨等進行測試分析；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)振動及波磨檢測、地面振動、敏感點振動噪聲、入戶調(diào)研等方面的結(jié)果，評估整治措施的實施效果。

以南京地鐵某線敏感點的振動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的振動噪聲情況及整治后的效果，驗證了整治技術(shù)的可行性，為今后城市軌道交通振動噪聲問題的科學治理提供了借鑒。