時速130 km城際鐵路振源特性試驗研究

陳俊豪,柯文華,陳 嶸,趙才友,易 強

(1.高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都 610031； 2.西南交通大學土木工程學院,成都 610031)

1 概述

隨著現代城市規模的日益擴大，軌道交通作為一種新型的交通工具，以其運量大、速度快、安全可靠等特點，成為解決城市交通問題的重要手段[1]。列車在軌道上行駛時，作用于鋼軌一個交變的移動輪載，再加上軌道的不平順和輪對的不圓順，列車和軌道都會發生振動，這種振動既對列車的運行舒適性有影響，也對軌道結構的安全、壽命及周圍環境有影響[2]。國際上已把振動列為七大環境公害之一，并已開始著手研究振動的污染規律、產生原因、傳播途徑與控制方法以及對人體的危害等問題[3]。隨著鐵路列車提速、客運高速化、貨運重載化及城市軌道交通的不斷建設，軌道交通沿線的振動使環境日益惡化，重載列車產生的低頻地面振動及城市軌道交通誘發的環境振動等，成為不可回避的重要問題[4]。因此，由于列車運營引起的振動成為了軌道交通領域亟待解決的問題。

現場測試[5]是了解和解決軌道交通振動問題的一個行之有效的方法，通過對結構物振動進行現場測試，可以為軌道交通振動問題提供更多的理性認識。從1970年開始，德國、英國[6-7]等國家最先開展地鐵振動測試研究。近些年，我國也有許多學者通過現場測試對軌道交通振動問題進行研究。圣小珍等[2]通過分析實測數據，初步得到了軌道結構振動的頻率范圍和振幅范圍。屈暢姿等[8]對武昌—咸寧綜合試驗段路基進行了現場實測，并采用小波分析得到了路基的振動特性。毛昆明等[9]通過對滬寧城際鐵路高架橋段地面振動豎向速度和加速度進行現場實測，分析了地面振動特性及其傳播的衰減規律。范思婷等[1]通過對寧波軌道交通1號線的鋼軌、軌枕和隧道壁的振動進行實測，研究了軌道交通運營時引起的環境振動。閆維明等[3]通過對某地鐵交通1號線實測數據經行分析，得到該區段內環境振動實況和振動特性及傳播規律。候晉等[10]用高靈敏度傳感器現場測試了蘇州軌道交通1號線各個工況下地面振動響應，分析了軌道交通對其周圍環境產生的影響。

雖然文獻中已經有了大量關于地鐵振動測試的研究，但是地鐵普遍運行速度偏低且關于城際鐵路研究較少，因此對于速度較高的城際列車的現場測試研究就更加有意義。通過對某城際列車經過隧道時引起鋼軌、道床板和隧道壁振動進行實測，并且對鋼軌、道床板和隧道壁的振動加速度信號進行時域、頻域和連續小波變換分析，得到了一些有意義的結論，為今后研究軌道交通引起的振動提供了更多理論依據。

2 試驗概況

2.1 現場概況

本次測試線路總長約100 km，設18個車站，設計運營速度200 km/h。該線路為雙洞隧道，隧道為礦山法施工，隧道類型為馬蹄形隧道，測試斷面隧道結構半徑4.15 m，軌面埋深25 m左右。線路選用普通鋼筋混凝土整體道床，CTRSⅠ型雙塊式無砟軌道，扣件類型為WJ-8B型。測試選用斷面位于直線段，所處的地質條件主要由素填土、粉質黏土、淤泥質粉質黏土與粉砂細砂共同構成。該線路使用國內首款城際動車專用車型CRH6a-200型，車輛軸重17 t。

2.2 測試儀器

現場測試采用24位精度，最高采樣頻率達到51.2 kHz的INV 3060S網絡分布式采集分析儀。由于列車通過時對鋼軌、道床板和隧道會產生的響應不同，且測點的位置不同，選用的加速度傳感器量程也不一樣[11]。其中測量鋼軌垂向振動選用量程為1 000 g加速度傳感器；測量道床板垂向振動選用量程為50 g加速度傳感器；測量隧道壁垂向振動選用INV 891-1型拾振器。

2.3 測點位置

此次測試每個斷面布置3個測點，分別用于測試列車通過時鋼軌、道床板和隧道壁產生的垂向振動加速度。1號測點位于兩跨鋼軌跨中軌底，在1號測點位置處安裝1 000g加速度傳感器，用于測量鋼軌垂向振動加速度；2號測點位于道床板橫向端部，距離測試鋼軌中心線0.3 m，在2號測點位置處安裝50g加速度傳感器，用于測量道床板垂向振動加速度；3號測點位于距離軌面1.25 m的隧道壁上，距離測試鋼軌中心線4.15 m，在3號測點位置處安裝INV 891-1型拾振器，用于測量隧道壁垂向振動加速度。測點布置如圖1所示。

圖1 測點布置(單位：mm)

3 振源特性分析

3.1 時域分析

本次測試總共采集至少15組數據，并選出效果較好的數據進行時域分析。圖2為鋼軌、道床板和隧道壁的垂向振動加速度時程曲線。

圖2 垂向振動加速度時程曲線

根據圖2(a)可以看出圖中每個峰值代表列車的一個轉向架，因此可以確定通過列車為8節車，與實際情況相符。根據列車相鄰轉向架之間的距離與其通過測點的時間差，可以反推出列車車速為130 km/h左右。通過對數據進行分析，得到鋼軌垂向加速度最大值為384 m/s2，有效值為68 m/s2；道床板垂向加速度最大值為1.9 m/s2，有效值為0.40 m/s2；隧道壁垂直加速度最大值為0.037 m/s2，有效值為0.013 m/s2。由于車輪直接作用于鋼軌上，因此鋼軌垂直方向上的振動較為劇烈，而振動由鋼軌傳遞到道床板和隧道壁時，振動不斷衰減且衰減速率較快。

3.2 頻域分析

1/3倍頻程譜是一種較有效的頻域分析方法，它具有譜線少頻帶寬的特點[12]。測試所獲得的為各測試斷面的關于時間函數的振動信號，為了將振動信號采用頻率域的概念對信號進行描述，選取測試效果較好的試驗數據，通過傅立葉積分變換進行隨機信號分析得到振動加速度頻譜，然后通過1/3倍頻程譜進行頻譜分析[13]。

根據《機械振動與沖擊人體暴露于全身振動的評價》(GB/T 13441—2015)規定加速度振級La(dB)為

La=20lg(aref/a0)

(1)

式中，La為振動加速度級，dB；aref為每個中心頻段的振動加速度有效值，m/s2；a0為加速度基準值，一般取1×10-6m/s2。

圖3(a)為行車速度130 km/h的工況下，鋼軌和道床板垂直振動加速度在頻域內的衰減規律。根據《城市軌道交通引起建筑物振動與二次輻射噪聲限值及其測量方法標準》(JGJ/T 170—2009)規定，隧道壁4～200 Hz頻率范圍垂向振動加速度級按ISO2631.1—1997規定的Z計權因子修正后得到各中心頻率振動加速度級，見圖3(b)。

圖3 頻域內垂向振動加速度衰減

從圖3(a)可以看出，對于CTRSⅠ型雙塊式軌道來說，從鋼軌到道床板的垂向振動加速度級在160 Hz以前衰減規律幾乎一致，僅有衰減數值的不同。鋼軌垂向振動加速度級在160 Hz以后上升，且在400～500 Hz處達到最大值。而道床板垂向振動加速度級在160～315 Hz幾乎不變，而在315 Hz后突然上升，且在400～500 Hz處達到了峰值，且曲線隨后繼續上升并在800 Hz附近達到最大值。鋼軌垂向振動加速度級則是在400～500 Hz處達到最大值后，數值幾乎保持不變；從鋼軌到道床板，頻域內的垂向振動加速度的衰減是均勻的，并且無論是在高頻還是在低頻衰減大小差別不大。

由圖3(b)分析可知，隧道壁垂向振動加速級在63 Hz以前是呈上升趨勢，在63 Hz處達到了最大值，隨后在63～200 Hz出現下降。而從圖3可以明顯看出，從鋼軌、道床板到隧道壁，垂向振動加速度振級是在逐漸減小的。

計算鋼軌、道床板和隧道壁在各自頻段范圍內的總振級平均值，得到鋼軌在1～2 500 Hz范圍內垂直振動加速度總振級的平均值為160.7 dB;道床板在1～2 500 Hz范圍內垂直振動加速度總振級的平均值為116.0 dB;隧道壁在1～200 Hz范圍內垂直振動加速度總振級的平均值為84.5 dB。由鋼軌傳遞到道床板平均振級衰減了44 dB，衰減幅度約為28%；由道床板傳遞到隧道壁平均振級衰減了31 dB，衰減幅度約為27%。

3.3 時頻分析

頻率表示信號的數學方法由傅里葉在19世紀初提出。傅里葉變換一直是信號分析與處理中應用最廣的變換。雖然該變換在信號分析與處理中應用甚廣，但是其仍然具有一定的局限性，如傅立葉變換只能表示信號含有哪些頻率成分，無法告訴這些頻率在什么時候出現，丟失了時間信息[17]。

(2)

式中，a，b∈L2，a≠0；ψ(t)∈L2，滿足“容許性”條件

圖4為鋼軌、道床板和隧道壁在列車激勵下，對其振動加速度信號利用Morlet小波變換后得到在時域-頻域圖。用振動加速度傳感器對兩跨鋼軌跨中軌底、道床板橫向端部和距離軌面1.25 m的隧道壁的振動加速度信號進行實測，并將這3種振動加速度信號進行連續小波變換，得到時域-頻域圖。

圖4 連續小波變換時頻

由連續小波變換時頻圖可以看到列車通過時，在不同時間點上鋼軌、道床板和隧道壁的優勢頻段以及在不同時間點上不同頻段內所蘊含的振動能量大小。從圖4中可以清楚地看到時頻圖的圖像分布具有一定的周期性，當列車車輪通過測點時，鋼軌、道床板和隧道壁振動能量最大，而車身通過測點時，鋼軌、道床板和隧道壁振動能量相對較小。車頭和車尾通過測點時，鋼軌、道床板和隧道壁的振動能量相比于列車中部通過時的振動能量更低，而列車中部通過測點時，鋼軌、道床板和隧道壁的振動能量較高，說明車頭和車位引起的響應較小，而列車中部引起的響應較大。

由圖4可知，鋼軌的振動能量主要集中在400～1 500 Hz頻段內，且以400～500 Hz為主；道床板的振動能量主要集中在700～2 500 Hz頻段內，且以700～900 Hz為主。而道床板在400～500 Hz也存在少部分能量，是由于鋼軌以400～500 Hz頻段內的振動為主，而鋼軌將400～500 Hz的振動能量通過軌枕傳遞給道床板，故道床板在400～500 Hz也有少量能量分布，但這不能說明道床板的優勢頻段為400～500 Hz，并且道床板在400～500 Hz處的振動能量較鋼軌已大幅度衰減；隧道壁的振動能量主要集中在40～60 Hz頻段內。

分析圖4中鋼軌、道床板和隧道壁的振動能量分布可知，鋼軌主要以高頻振動為主，隧道壁振動則是低頻振動；而由鋼軌、道床板和隧道壁的振動能量分布密度可知，鋼軌存在400～1 000 Hz的優勢頻段，道床板的優勢頻段為700～900 Hz，而隧道壁則是以40～60 Hz為優勢頻段。

4 結論

對某城際軌道交通進行現場振動實測后，選出效果較好的數據進行時域分析、頻域分析以及時頻分析，并且計算鋼軌、道床板以及隧道壁垂直振動加速度總振級的平均值，主要結論如下。

(1)在城際列車130 km/h運行速度下，CTRSⅠ型雙塊式軌道鋼軌垂向振動加速度最大值為384 m/s2，有效值為68 m/s2；道床板垂向振動加速度最大值為1.9 m/s2，有效值為0.40 m/s2；隧道壁垂直振動加速度最大值為0.037 m/s2，有效值為0.013 m/s2。

(2)從鋼軌到道床板，頻域內的垂向振動加速度的衰減是均勻的，并且無論是在高頻還是在低頻衰減大小差別不大。由于輪軌力的作用，鋼軌振動幅度最大，鋼軌在1～2 500 Hz范圍內垂直振動加速度總振級的平均值為160.7 dB，道床板在1～2 500 Hz范圍內垂直振動加速度總振級的平均值為116.0 dB，隧道壁在1～200 Hz范圍內垂直振動加速度總振級的平均值為84.5 dB。由鋼軌傳遞到道床板平均振級衰減了44 dB，衰減幅度約為28%。由道床板傳遞到隧道壁平均振級衰減了31 dB，衰減幅度約為27%。

(3)鋼軌的能量主要集中在400～500 Hz頻段內，振動主要以高頻振動為主；道床板的能量主要集中在700～900 Hz頻段內；隧道壁的能量則是主要集中在40～60 Hz頻段內，振動主要為低頻振動。

[1] 范思婷，劉于斌，黃力，等.軌道交通運行引起的軌道結構振動測試研究[J].土木工程學報，2015，48(2)：298-303.

[2] 圣小珍，呂紹棣，胡春宜，等.軌道結構的振動測試與分析初探[J].華東交通大學學報，1995，12(4)：8-11.

[3] 閆維明，聶晗，任珉，等.地鐵交通引起的環境振動的實測與分析[J].地震工程與工程振動，2006，26(4)：187-191.

[4] David Thompson. Railway noise and vibration: mechanisms, modelling and means of control[M]. Elsevier Science，2008.

[5] 張楊，陳國興，毛昆明，等.軌道交通運行引起的地面振動實測研究現狀[J].防災減災工程學報，2011(2)：225-232.

[6] Rucker. W. measurement and evaluation of random vibrations[J]. Proc. DMSR77/Karlsruhe，1977(1)：407-421.

[7] Jubilee Line. London transport office of the scientific advisor. Vibration Measurement at Baker Street[R]. London: 1982.

[8] 屈暢姿，王永和，魏麗敏，等.武廣高速鐵路路基振動現場測試與分析[J].巖土力學，2012，33(5)：1451-1456.

[9] 毛昆明，陳國興，張楊，等.滬寧城際鐵路高架橋段CRH動車組運行引起的地面振動現場測試與分析[J].防災減災工程學報，2012，32(3)：267-273.

[10] 候晉，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.

[11] 楊建光，夏永靜.我國首列時速200 km CRH6A型成機動車組載客試運營[J].城市軌道交通研究，2014，3(6)：20.

[12] 王海濤.加速度傳感器在橋梁動態位移測量中的應用研究[D].昆明:昆明理工大學，2013.

[13] 楊永紅.一種基于Measurement Studio計算動態信號1/3倍頻程譜的方法[J].北京工商大學學報，2003(3)：37-39.

[14] 葛輝，王平.時速120 km地鐵梯形軟枕軌道現場測試與分析[J].鐵道標準設計，2017，61(4)：38-41.

[15] 胡昌華，李國華.基于MATLAB 7.X的系統分析與設計—小波分析[M].3版.西安：西安電子科技大學出版社，2008.

[16] 崔臻，盛謙，劉加進.基于小波包的地下洞室群地震響應及其頻譜特性研究[J].巖土力學，2010，31(12)：3901-3906.

[17] 劉剛，屈梁生.應用連續小波變換提取機械故障的特征[J].西安交通大學學報，2000，34(11)：74-77.

[18] 唐向宏，李齊良.時頻分析與小波變換[M].北京：科學出版社，2008.