120 km/h快線地鐵GJ-Ⅲ扣件減振效果現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與分析

王 蕊 張 鐵

(成都地鐵有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

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120 km/h快線地鐵GJ-Ⅲ扣件減振效果現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與分析

王 蕊 張 鐵

(成都地鐵有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

對(duì)東莞地鐵R2線某區(qū)間采用DZⅢ-1扣件和GJ-Ⅲ扣件直線段軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，并對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了時(shí)域和頻域?qū)Ρ确治觯芯縂J-Ⅲ扣件在高速120 km/h工況下減振效果，時(shí)域分析結(jié)果表明，采用GJ-Ⅲ扣件軌道結(jié)構(gòu)豎向振動(dòng)最大峰值略大于DZⅢ-1扣件；頻域分析結(jié)果表明，在1/3倍頻程中心頻率40 Hz～200 Hz范圍內(nèi)，GJ-Ⅲ扣件有較好的減振效果，隧道Z振級(jí)在此頻段降低值最大可達(dá)到22 dB。

地鐵，扣件，道床，減振效果

地鐵由于節(jié)省用地、有效緩解城市交通壓力、安全可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)得到各國(guó)城市的青睞。隨著生活水平的提高，人們對(duì)生活質(zhì)量的要求也越來(lái)越嚴(yán)格，地鐵引發(fā)振動(dòng)環(huán)境問(wèn)題，已經(jīng)引發(fā)了公眾的強(qiáng)烈反應(yīng)。目前存在于地鐵線路上的減振措施有很多，根據(jù)不同地段的減振需求，可將減振措施分為一般減振、中等減振和特殊減振。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試作為研究地鐵振動(dòng)重要的方法之一，有著重大的理論和實(shí)際意義。針對(duì)不同減振措施國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，研究不同減振措施帶來(lái)的減振效果，為理論研究提供依據(jù)，并為評(píng)估地鐵誘發(fā)環(huán)境振動(dòng)提供依據(jù)。韋凱等[1]對(duì)成都地鐵2號(hào)線用浮軌式扣件代替DZ-Ⅲ扣件前后地鐵引發(fā)環(huán)境振動(dòng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，研究浮軌式扣件的減振效果；鄧玉姝等[2]對(duì)比分析了北京地鐵5號(hào)線高架段梯形軌枕和普通無(wú)砟板式軌道的鋼軌、軌枕和橋面振動(dòng)響應(yīng)；李克飛等[3]對(duì)北京地鐵5號(hào)線地下線減振軌道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，對(duì)比分析安裝了普通扣件、Ⅲ型軌道減振扣件和鋼彈簧浮置板軌道的鋼軌、道床及道壁振動(dòng)特點(diǎn)，分析了不同減振措施帶來(lái)的減振效果。但是，由于城市軌道交通普遍運(yùn)行速度較低，目前很少有研究針對(duì)地鐵高速運(yùn)行時(shí)現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試，因此有必要對(duì)高速運(yùn)行地鐵線路開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。本文對(duì)東莞地鐵某區(qū)間安裝DZⅢ-1扣件和GJ-Ⅲ扣件直線段軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，研究高速運(yùn)行條件下GJ-Ⅲ扣件的實(shí)際減振效果。

1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

1.1 測(cè)試概況

東莞地鐵R2線是一條北部—西南方向的快速干線，線路全長(zhǎng)37.788 km，其中地下線33.78 km，高架線3.644 km。其車輛類型為B型車，最大軸重14 t，六節(jié)編組，設(shè)計(jì)最高行車速度為120 km/h。為了滿足不同地段減振需要，東莞R2線某區(qū)間采用了DZⅢ-1扣件和GJ-Ⅲ扣件。

1.2 測(cè)試方案

為了測(cè)試地鐵車輛以高速120 km/h通過(guò)采用DZⅢ-1扣件和GJ-Ⅲ扣件軌道時(shí)，鋼軌、道床和隧道的豎向振動(dòng)加速度，選取了兩個(gè)測(cè)試斷面。測(cè)試斷面均位于區(qū)間直線段且遠(yuǎn)離進(jìn)出站位置，避免了地鐵車輛減速或加速對(duì)振動(dòng)測(cè)試的影響。本次測(cè)試采集了鋼軌、道床和隧道壁豎向振動(dòng)加速度，測(cè)點(diǎn)布置在鋼軌外側(cè)軌底、道床和隧道壁，見(jiàn)圖1。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試采集儀使用德國(guó)IMC公司CS5008型系列智能信號(hào)采集儀，最大采樣頻率40 kHz。傳感器為東華測(cè)試壓電式振動(dòng)加速度傳感器。

2 測(cè)試結(jié)果分析

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試記錄了至少20組列車通過(guò)兩個(gè)測(cè)試斷面時(shí)軌道結(jié)構(gòu)豎向振動(dòng)加速度時(shí)程數(shù)據(jù)。限于篇幅，僅以1組120 km/h工況下，兩個(gè)測(cè)試斷面上典型振動(dòng)加速度時(shí)程數(shù)據(jù)為例進(jìn)行時(shí)域和頻域內(nèi)對(duì)比分析，研究GJ-Ⅲ扣件減振效果。

2.1 時(shí)域分析

首先對(duì)比各個(gè)測(cè)點(diǎn)在不同行車速度工況下振動(dòng)加速度時(shí)程曲線，分析軌道結(jié)構(gòu)豎向振動(dòng)加速度的時(shí)域變化規(guī)律，如圖2～圖4所示。

從圖2～圖4可清晰分辨出地鐵車輛經(jīng)過(guò)采用GJ-Ⅲ扣件軌道時(shí)，每節(jié)車廂引起的鋼軌、道床和隧道壁的振動(dòng)，但采用DZⅢ-1扣件軌道很難分辨每節(jié)車廂通過(guò)軌道時(shí)刻。從圖2～圖4中可看出，地鐵車輛以相近的速度經(jīng)過(guò)時(shí)，GJ-Ⅲ扣件的鋼軌、道床和隧道壁豎向振動(dòng)加速度最大峰值均略大于DZⅢ-1扣件。

2.2 頻域分析

根據(jù)《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》[4]定義Z振級(jí)(VLZ)，dB。

(1)

其中，a為豎向振動(dòng)加速度的有效值，m/s2；a0為基準(zhǔn)加速度，取值為1×106m/s2。根據(jù)式(1)計(jì)算鋼軌、道床和隧道壁豎向振動(dòng)加速度1/3倍頻程譜，如圖5所示。由于地鐵引起環(huán)境振動(dòng)頻率主要在200 Hz以內(nèi)，高頻部分會(huì)隨著傳遞距離的增大快速衰減，因此本文鋼軌、道床和隧道頻率只取到200 Hz。

圖5a)和圖5b)分別為DZⅢ-1扣件和GJ-Ⅲ扣件工況下鋼軌、道床和隧道壁豎向振動(dòng)加速度1/3倍頻程譜。從圖5a)中可看出，由于采用DZⅢ-1扣件，鋼軌和道床間VLZ振級(jí)落差在13 dB～26 dB范圍內(nèi)，且在1/3倍頻程1 Hz～200 Hz范圍內(nèi)衰減較為均勻。而GJ-Ⅲ扣件工況下，鋼軌和道床間VLZ振級(jí)與DZⅢ-1扣件工況下明顯不同。從圖中可看出，1/3倍頻程1 Hz～80 Hz在范圍內(nèi)，鋼軌和道床間VLZ振級(jí)衰減不明顯，鋼軌VLZ振級(jí)與道床幾乎相同，而在高頻80 Hz～200 Hz范圍內(nèi)鋼軌和道床間VLZ振級(jí)衰減快速增大，最大值可達(dá)到32 dB。DZⅢ-1和GJ-Ⅲ扣件，對(duì)比分析如圖6所示。

從圖中可看出，GJ-Ⅲ扣件測(cè)試斷面隧道壁低頻1 Hz～40 Hz范圍內(nèi)VLZ振級(jí)大于DZⅢ-1測(cè)試斷面，而在高頻40 Hz～200 Hz則小于DZⅢ-1測(cè)試斷面。低頻范圍內(nèi)GJ-Ⅲ扣件測(cè)試斷面隧道VLZ振級(jí)大于GJ-Ⅲ扣件測(cè)試斷面，這是由于GJ-Ⅲ剛度較小，地鐵車輛通過(guò)時(shí)準(zhǔn)靜態(tài)荷載對(duì)軌道結(jié)構(gòu)沖擊變大，導(dǎo)致低頻范圍內(nèi)

隧道壁振動(dòng)較大。

對(duì)比GJ-Ⅲ扣件和DZⅢ-1扣件兩個(gè)測(cè)試斷面隧道壁VLZ振級(jí)發(fā)現(xiàn)，GJ-Ⅲ扣件在高頻40 Hz～200 Hz減振效果優(yōu)于DZⅢ-1扣件，而在低頻1 Hz～40 Hz范圍內(nèi)則DZⅢ-1扣件減振效果較為明顯。由于地鐵引起環(huán)境振動(dòng)在低頻1 Hz～40 Hz范圍內(nèi)較小，很難對(duì)人的正常生活產(chǎn)生影響。因此，GJ-Ⅲ扣件主要考慮在40 Hz～200 Hz范圍內(nèi)的減振效果。從圖中可看出，在40 Hz～200 Hz范圍內(nèi)GJ-Ⅲ扣件工況下隧道振動(dòng)相比于DZⅢ-1扣件工況隧道Z振級(jí)降低值最高可達(dá)22 dB，效果明顯。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)東莞R2線某區(qū)采用DZⅢ-1和GJ-Ⅲ扣件段軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，車輛以120 km/h左右速度通過(guò)測(cè)試斷面時(shí)鋼軌、道床和隧道壁的豎向振動(dòng)加速度，并對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行時(shí)域和頻域分析，研究地鐵高速行駛時(shí)GJ-Ⅲ扣件的減振效果，得到以下主要結(jié)論：

1)相比于DZⅢ-1扣件軌道結(jié)構(gòu)分散均勻的振動(dòng)模式，采用GJ-Ⅲ扣件軌道，列車經(jīng)過(guò)時(shí)軌道結(jié)構(gòu)時(shí)域振動(dòng)由若干集中振動(dòng)簇組成，能清晰分辨每節(jié)車廂經(jīng)過(guò)測(cè)試斷面時(shí)刻。且采用GJ-Ⅲ扣件軌道鋼軌、道床和隧道壁豎向振動(dòng)加速度最大峰值略大于DZⅢ-1扣件。

2)采用DZⅢ-1扣件軌道，鋼軌和道床間豎向振動(dòng)加速度衰減較為均勻，衰減范圍為13 dB～26 dB；采用GJ-Ⅲ扣件軌道，鋼軌和道床間豎向振動(dòng)加速度在低頻1 Hz～80 Hz范圍內(nèi)衰減不明顯，而在高頻80 Hz～200 Hz衰減較大。

3)對(duì)比兩個(gè)測(cè)試斷面隧道壁VLZ振級(jí)發(fā)現(xiàn)GJ-Ⅲ扣件在40 Hz～200Hz范圍內(nèi)有較好的減振效果，在此頻段內(nèi)VLZ振級(jí)最大降低值可達(dá)22 dB。

[1] 韋 凱，梁迎春，張 攀，等.地鐵浮軌式扣件減振效果的測(cè)試與分析[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2016，33(5)：100-105.

[2] 鄧玉姝，夏 禾，善田康雄，等.城市軌道交通梯形軌枕軌道高架橋梁試驗(yàn)研究[J].工程力學(xué)，2011，28(3)：49-54.

[3] 李克飛，劉維寧，孫曉靜，等.北京地鐵5號(hào)線地下線減振措施現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與分析[J].鐵道學(xué)報(bào)，2011，33(4)：112-118.

[4] GB 10070—88,城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)[S].

Test and analysis of vibration reduction effect of GJ-Ⅲ fastener on metro at speed of 120 km/h

Wang Rui Zhang Tie

(ChengduMetroCo.,Ltd，Chengdu610031,China)

A field experiment in straight section of Dongguan metro line R2 using DZⅢ-1 and GJ-Ⅲ rail fasteners respectively was been performed. The experimental data using the two types of rail fasteners were compared in both time and frequency domains to investigate the vibration-attenuating effect of GJ-Ⅲ rail fastener at the speed of 120 km/h. The results in time-domain demonstrated that the peak value of the track using GJ-Ⅲ rail fastener was slightly bigger than that using DZⅢ-1 rail fastener. The results in frequency-domain indicated that the vibration-reduction effect of GJ-Ⅲ rail fastener is remarkable in the 1/3 octave center frequencies of 40 Hz～200 Hz, and the maximum decrease of Z vibration level of the tunnel in this frequency range is 22 dB.

merto, fastening, ballast bed, damping effect

1009-6825(2016)28-0144-02

2016-07-23

王 蕊(1982- )，女，工程師； 張 鐵(1974- )，男，工程師

U213.53

A