蘇州軌道交通2號線軌道減振措施性能測試分析

李雙袁國清李成侯晉施毅

蘇州軌道交通2號線軌道減振措施性能測試分析

李雙1袁國清2李成1侯晉1施毅3

（1.蘇州大學城市軌道交通學院，215131，蘇州；2.上海交通大學機械系統與振動國家重點實驗室，200240，上海；3.蘇州市軌道交通集團有限公司，215004，蘇州//第一作者，教授）

在蘇州軌道交通2號線隧道內采用III型軌道減振器扣件、中量級鋼彈簧浮置板道床以及重型鋼彈簧浮置板道床等3種減振措施的代表斷面上，采用落錘法測量鋼軌、軌枕、道床及隧道側壁測點的振動時域信號，計算得到各斷面上測點的傳遞函數，并評價分析了這3種減振措施的性能。選取對列車振動較敏感的軌道下穿居民小區路段進行地面振動測試，分析了地下列車運行對居民生活的振動影響。研究結果表明，蘇州軌道交通所采取的大埋深及重型鋼彈簧浮置板道床等減振措施是卓有成效的。

城市軌道交通；環境振動；軌道減振器；鋼彈簧浮置板

First-author′s addressSchool of Urban Rail Transportation，Soochow University，215131，Suzhou，China

城市軌道交通的快速發展在為人們生活提供方便的同時，也會帶來一定的環境振動污染問題［1-2］。為此，在規劃、設計與環評階段對軌道交通所致的環境振動進行較為準確的預測［3-7］，進而對振動敏感路段施加合適的減振方式［8-9］，已成為城市軌道交通建設的工作重心和研究熱點。

本文對蘇州軌道交通2號線地下軌道所采取的3種減振措施進行振動測試，計算各種減振軌道結構的振動傳遞函數，對比分析各種減振措施的性能；然后對設置鋼彈簧浮置板道床路段的居民小區進行振動測試，將列車運行引起的振動與環境振動進行對比，分析振動特性及減振效果。研究結果為后續線路的振動預測與減振設計提供參考。

1 隧道內振動傳遞函數測試

落錘法是研究軌道結構的動力特性、評價和優化軌道剛度匹配和構件性能的常用方法，具有方法簡單、可操作性強、測試結果離散性小等優點［5-7］。在蘇州軌道交通2號線上，針對隧道內采用的3種減振措施，選擇的測試斷面與軌道結構為：盤蠡路站DK20+880-DK21+420路段III型軌道減振器扣件、盤蠡路站DK20+180-DK20+ 550路段重型鋼彈簧浮置板道床、山塘街站ZDK14+350-ZDK14+530路段中量級鋼彈簧浮置板道床。采用落錘法測得鋼軌、軌枕、道床以及隧道側壁（3個方向）的振動時域信號，得到各斷面從鋼軌至軌枕、道床以及隧道側壁的傳遞函數，用于評價減振性能。

定義：列車上行方向為+X方向、軌面向上為+Z方向，另外一個方向用右手法則確定。

落錘法：在距離軌面0.5 m高處，用繩子懸掛一個1 kg的鋼球，讓其自由落體敲擊軌面，同時采集各測點的振動響應；每次測試時間10 s，每個斷面測量4次。

采用高靈敏度加速度傳感器及16通道的Mueller-BBM振動噪聲測試分析系統，測試的采樣頻率是2 048 Hz，有效分析頻率為800 Hz。實驗測點分布如圖1所示，其中采集儀與4個測點傳感器有線連接。

圖1 地下軌道斷面落錘法測點分布圖

1.1 III型軌道減振器斷面

鋼軌測點的4次落錘測試的時域信號相似，如圖2所示。各測點的加速度頻譜如圖3所示。

圖2 鋼軌測點的時域加速度

圖3 Ⅲ型軌道減振器斷面各測點的加速度頻譜

將Ⅲ型軌道減振器斷面各測點加速度信號Y（ω）提取出來，再用傳遞函數計算獲得鋼軌X（ω）至其它測點的傳遞函數。對這些傳遞函數做1/3倍頻譜，并截取＜400 Hz的頻譜。為了便于分析，將無量綱的傳遞函數H取對數20 log H，其幅值單位轉換成dB（如圖4所示）。

從圖4中可以看出，鋼軌的振動信號傳遞到其它測點時，在低頻（＜10 Hz）有一定程度的放大，其中軌枕測點在3.15 Hz傳遞函數為15.3 dB；在＞40 Hz的頻段，軌枕與道床測點都有20 dB的衰減，側壁測點衰減最大可達到40 dB。

1.2鋼彈簧浮置板道床斷面

圖4 Ⅲ型軌道減振器斷面鋼軌測點至各測點的傳遞函數

測試得到各測點的振動加速度頻譜（限于篇幅不再列出），計算得到鋼軌振動到各測點的傳遞函數分別如圖5和圖6所示。

1.3 對比分析

圖5 中級鋼彈簧浮置板道床斷面鋼軌測點至各測點的傳遞函數

主要關心從鋼軌測點振動信號傳遞到隧道側壁Z方向在40～125 Hz頻段內的傳遞函數。將3種減振措施的傳遞函數繪制成圖（見圖7）。從圖7中可以看出，鋼軌至側壁測點Z方向的振動衰減量，重型鋼彈簧浮置板道床斷面最大、中量級鋼彈簧浮置板道床次之、III型軌道減振器扣件斷面最小。其中，重型鋼彈簧浮置板道床斷面側壁測點受到環境和工頻信號的掩蓋，所以在50 Hz處出現突變。整體而言，在40～125 Hz頻段重型鋼彈簧浮置板道床斷面比III型軌道減振器扣件斷面的推動衰減量要大，大于4 dB。

圖6 重型鋼彈簧浮置板道床斷面鋼軌測點與各測點的傳遞函數

圖7 3種減振措施斷面鋼軌測點至隧道側壁測點Z方向的傳遞函數

2 地面振動測試

針對蘇州軌道交通2號線正下方穿過的居民區，選擇銀橋新村作為測量點，分析重型鋼彈簧浮置板道床的減振效果。該小區下面的軌道埋深14 m，小區在2號線上的位置如圖8所示。

根據《蘇州市軌道交通2號線工程環境影響報告書》，銀橋新村為2-7層磚混結構的住宅樓，屬Ⅱ類建筑物，其環境振動執行標準為：晝間不大于70 dB，夜間不大于67 dB。如果不采取減振措施，該處振動預測值為78 dB，超標量為：晝間8 dB，夜間11 dB。環評建議減振措施為：設置420 m（雙線長度）鋼彈簧浮置板道床，減振目標值-20 dB，措施后振動預測值58 dB，達標。

選擇垂直軌道中心線5 m（1號測點）、10 m（2號測點）、20 m（3號測點）、40 m（4號測點）處的4個測點，測點分布如圖8所示。測試采集時間共1 800 s，如圖9所示。

圖8 銀橋新村位置及地面測點布置

圖9 銀橋新村各測點時域圖

從整個時域圖中加速度的幅值變化，幾乎無法分辨列車通過時段，說明重型鋼彈簧浮置板道床起到了很好的隔振作用。根據蘇州軌道交通1號線的振動實測情況，列車通過時間約為10 s，如圖10所示。

圖10 蘇州軌道交通1號線列車通過時的鋼軌振動加速度

本次截取某趟列車通過時加速度最大的中間3.5 s時段（472.0～475.5 s）進行分析，各測點的振動頻譜如圖11所示。

選取無列車通過時，信號較穩定的時間段（600～700 s）的3號測點時域信號作為環境振動信號，環境振動頻譜如圖12所示。

圖11 銀橋新村列車通過時段的地面振動頻譜

圖12 銀橋新村環境振動頻譜

蘇州軌道交通1號線地面振動測試結果表明，列車運行傳到地面的振動能量集中在50～80 Hz，因此這一頻段是需要重點關注的。

對照圖11和圖12可以看出，1號測點有效地捕捉到了列車通過時的振動信號，主要峰值在50～80 Hz之間，而且列車通過時的振動區別于環境振動的頻段集中在400 Hz以下；相對于環境振動而言，其它測點的峰值并不明顯，只是在300 Hz左右出現小的凸起，這說明在埋深較大且遠離列車行進方向的情況下，地面振動信號快速衰減。

將列車通過時段各測點振動換算成平均Z振級和最大Z方向振級并繪制成圖（見圖13）。從圖13可以看出，隨著距離線路越遠，振動剛開始明顯下降，后面降低得少。列車通過時，距離軌道中心線5 m處測點的平均振動級比環境振動僅僅高出0.4 dB，說明列車通過時的振動基本上被環境振動掩蓋；環境振動的最大振級比列車通過時的最大振級要大，這說明小區內環境振動干擾才是主要的振動源。且所有的Z振級都不超過64 dB，這說明在列車試運行的工況下，銀橋新村居民區的振動是達標的（白天＜70 dB，夜間＜67 dB）；列車通過時傳遞到地面振動能量主要集中在低頻，典型列車通過時的振動頻譜（1號測點）的峰值在50～80 Hz頻段。大于80 Hz之后的頻段幅值急劇減小，達到環境振動量級。

圖13 銀橋新村環境振動與列車通過時各測點Z方向振級對比

3 結論

通過對蘇州軌道交通2號線的3種軌道減振結構的振動傳遞函數測試、軌道下穿居民小區的地面測試和分析表明：

（1）從振動傳遞函數來看，低頻段（特別是＜10 Hz）的振動從鋼軌傳遞至軌枕、道床及隧道壁時，有不同程度的放大；在居民關心的40～80 Hz頻段，3種減振器都有良好的效果；鋼軌至隧道側壁Z方向的振動衰減量，重型鋼彈簧浮置板道床斷面最大、中量級鋼彈簧浮置板道床次之、III型軌道減振器扣件斷面最小。

（2）在＞40 Hz的頻段，鋼軌至隧道側壁的振動信號快速衰減，鋼彈簧浮置板道床結構的衰減量最大可達到60 dB。整體而言，重型鋼彈簧浮置板道床斷面在40～125 Hz頻段要比III型軌道減振器扣件斷面的振動衰減量大4 dB以上。

（3）3種軌道減振結構的特征頻率都不相同，III型軌道減振器扣件斷面在200 Hz處出現單峰、重型鋼彈簧浮置板道床斷面在224 Hz處出現單峰、中量級鋼彈簧浮置板道床斷面在192 Hz和242 Hz出現兩個單峰。落錘法能激勵起后兩個斷面軌道多階固有頻率。

（4）對于軌道下穿居民小區，地下軌道交通激勵振動與環境振動幾乎沒有差別，說明蘇州軌道交通所采取的大埋深和重型鋼彈簧浮置板道床等減振措施是卓有成效的。

［1］陳國興，蘇曉梅，陳斌.地鐵列車運行引起的環境振動評價［J］.防災減災工程學報，2008，28（1）：70-74.

［2］侯晉，李雙，袁國清，等.蘇州軌道交通1號線地面振動測試與分析［J］.環境污染與防治，2014，36（10）：68-72.

［3］劉衛豐，劉維寧，袁揚.基于地鐵列車運行引起的振動預測模型的浮置板軌道減振效果研究［J］.鐵道學報，2012，34（9）：81-86.

［4］TSUNOK，FURUTA M，ABE K.Numericalcalculation method for Prediction of ground-borne vibration near subway tunnel［J］.Journal of Mechanical Systems for Transportation and Logistics，2010，3（1）：53-62.

［5］王文斌.基于脈沖實驗的地鐵環境振動響應傳遞函數預測方法研究［D］.北京：北京交通大學，2011.

［6］袁揚，劉維寧，王文斌.基于錘擊測試的地鐵環境振動預測方法的改進［J］.天津大學學報（自然科學與工程技術版），2013，46（5）：408-414.

［7］劉海濤，肖俊恒，許良善，等.軌道結構落錘沖擊的數值模擬方法［J］.中國鐵道科學，2014，35（2）：14-19.

［8］郝珺，耿傳智，朱劍月.不同軌道結構減振效果測試分析［J］.城市軌道交通研究，2008，11（4）：68-71.

［9］耿傳智，田苗盛，董國憲.浮置板軌道結構的振動頻率分析［J］.城市軌道交通研究，2007，10（1）：22-24.

Damping Performance Test Analysis on Suzhou Metro Line 2

LI Shuang，YUAN Guoqing，LI Cheng，HOU Jin，SHI Yi

On the representative sections of Suzhou metro Line 2，type III vibration damper，middle-weight steel spring floating slab track and heavy-weight steel spring floating slab track are adopted.Monkey hammer method is used to obtain the vibration time domain signals at rail measuring points，on sleeper，ballast bed and tunnel sidewall respectively.The vibration transfer function between rail points of each section is calculated，performances of the above three vibration mitigation measures are evaluated.Besides，the sensitive residential areas above the tunnel are chosen as the object to test ground vibration，vibration effect over residents daily life caused by train operation is analyzed.The research shows that measures such as the large tunnel burial depth and the heavy-weight steel spring floating slab track taken by Suzhou rail transit are very effective.

urban rail transit；environment vibration；vibration damper；steel spring floating slab track

UZ13.2+4；U213.3

10.16037/j.1007-869x.2017.08.006

2015-08-06）