基于橡膠混凝土的鐵路隧道減振研究

譚詩宇

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430063)

近年來，我國鐵路快速發展，給人們生活帶來了極大的便利。同時，輪軌振動引起的環境問題也日益嚴重?，F有的軌道減振措施存在以下缺點：減振型軌道多是在原有軌道結構的基礎上，通過附加減振墊層、隔振彈簧等裝置達到減振的目的[1-3]。隔振裝置的設置不僅增加了鐵路的建設成本，也給軌道工程的設計、施工以及后期的養護維修造成了諸多不便。另一方面，隔振裝置往往會大幅降低軌道結構垂向剛度，導致列車通過時鋼軌動位移過大，影響軌道的平順性。

橡膠混凝土是一種在混凝土組成材料中摻加橡膠微粒制成的混凝土材料[4]。列車通過時，橡膠混凝土受到振動沖擊發生變形，能量部分儲存于橡膠分子鏈中，部分則消耗于橡膠分子的內摩擦損耗，可在不附加隔振裝置的前提下達到減振的目的。

國外專家學者對橡膠混凝土的功能[5-7]、動力特性[8]等方面進行了一系列研究，但這些研究多集中在橡膠混凝土材料的基本力學性能方面；國內近年來也陸續開展了橡膠混凝土在軌道交通中減振特性的研究，金浩等利用Periodic Fourier法研究了橡膠混凝土隔振基礎對軌道振動的影響[9]，孫曉靜分析了橡膠混凝土整體道床的減振效果，但均未考慮橡膠混凝土道床對行車的影響[10]。

選取隧道道床回填層為研究對象，分別考慮普通混凝土和橡膠混凝土兩種工況?；趧恿W理論和有限元法，分析橡膠混凝土回填層的減振特性，以及對行車狀態、軌道結構動力響應的影響(如圖1)。

圖1 橡膠混凝土回填層

1 動力學分析模型

1.1 模型建立

基于動力學理論和有限元法，建立車輛-有砟軌道-隧道動力學模型，系統的力學計算模型見圖2，利用ABAQUS建立的有限元模型如圖3。模型全長120 m，動力響應輸出點均取在模型中部位置。

圖2 車輛-有砟軌道-隧道系統力學模型

圖3 車輛-有砟軌道-隧道系統有限元模型

建模時，假設車輛為一個多剛體系統(見圖4)。車體和轉向架考慮點頭、橫向、垂向、側滾和搖頭5個自由度，輪對考慮橫向、垂向、側滾和搖頭4個自由度。采用彈簧-阻尼單元來模擬車輛的一系、二系懸掛。

圖4 車輛模型

有砟軌道模型從上至下由鋼軌、扣件、混凝土軌枕以及有砟道床組成。建模時，除扣件采用彈簧-阻尼單元模擬外，其余部件均為實體單元。為了凸顯計算結果的規律性，消除鋼軌不平順的干擾，采用平直鋼軌進行計算。

輪軌接觸方面，輪軌法向力和橫向力分別由Hertz接觸理論和罰函數摩擦模型確定[11]。

1.2 主要計算參數

采用CRH3型高速動車[12]，列車運行速度取200 km/h。軌道結構、襯砌及土體參數取值如表1。

表1 軌道結構主要計算參數

回填層參數設置如表2[13]。

表2 隧道回填層參數

2 橡膠混凝土回填層的減振特性

相同運營條件下，對比普通混凝土與橡膠混凝土下部基礎的振動響應，以分析橡膠混凝土回填層的減振效果。

襯砌拾振點位于距離軌面1.5 m高處，在襯砌拾振點的同一斷面上選擇土體拾振點，見圖5。

圖5 拾振點示意

2.1 時域分析結果

列車以相同的速度通過，兩種工況下部基礎的振動加速度峰值見表3，圖6、圖7給出了下部基礎振動加速度時程曲線的對比情況。

表3 基礎振動加速度峰值對比

圖6 襯砌垂向振動加速度

圖7 周圍土體垂向振動加速度

由圖6、圖7可知，列車通過時，輪軌沖擊作用經軌道結構傳遞到下部基礎，襯砌及周圍土體均產生了明顯的振動響應。采用橡膠混凝土回填層后，下部基礎的振動響應幅值明顯減小。

振動加速度峰值方面，采用普通混凝土回填層時，襯砌和周圍土體的振動加速度峰值分別為0.176 m/s2、0.136 m/s2，采用橡膠混凝土后降為0.093 m/s2、0.088 m/s2(降幅分別為47.16%、35.29%)。由此可見，橡膠混凝土回填層的減振效果明顯。

2.2 頻域分析結果

通過傅里葉快速變換(FFT)，可獲得襯砌和周圍土體振動響應1/3倍頻程曲線[15]，用于分析橡膠混凝土回填層對下部基礎振動頻域特性的影響，結果見圖8和圖9。

由圖6、圖7可知，隨著頻率的增加，襯砌或周圍土體的振動加速度級整體上表現出先增加后較小的變化趨勢。當振動頻率為16 Hz時，襯砌和周圍土體的振動加速度級達到最大。

對比兩種工況可以發現，采用橡膠混凝土后，襯砌、周圍土體的振動加速度級在全頻域范圍內均有所降低，插入損失均大于零。由此可見，橡膠混凝土回填層在全頻域內均有減振效果，當振動頻率為80 Hz時，減振效果最為明顯，其中襯砌振動加速度級減小10.3 dB，周圍土體振動加速度級減小10.5 dB。

圖8 襯砌垂向振動加速度級

圖9 周圍土體垂向振動加速度級

3 車輛-軌道動力學響應

合理的減振措施不僅能有效降低振動對環境的影響，還能夠保證良好的行車狀態和軌道結構動力響應[16]。為了分析橡膠混凝土回填層對行車狀態及軌道結構動力響應的影響，對兩種工況下車輛和軌道結構的各動力學指標進行對比分析。表4列出了兩種工況下車輛及軌道結構各項動力響應峰值，各動力響應時程曲線如圖10所示。

由圖10可以看出：

(1)車輛動力響應方面，采用橡膠混凝土回填層后，車輛各動力學響應變化較小，其中車體垂向加速度減小4.00%，輪軌垂向力減小0.09%，脫軌系數增加1.41%，輪重減載率減小0.72%，車輛各動力學指標均小于我國規范規定的限值。由此可見，橡膠混凝土回填層在發揮減振效果的同時，能夠保證列車的安全平穩運行，且不會加劇輪軌相互作用。

表4 車輛-軌道系統的動力響應峰值對比

圖10 軌道結構動力學響應

(2)軌道結構動力響應方面，由于在回填層中摻加了橡膠微粒，使得軌道結構支承剛度降低，列車通過時，鋼軌、軌枕、道床的垂向位移均有所增加，增幅分別為2.06%、9.48%和18.58%。軌道結構振動方面，鋼軌、軌枕、道床的垂向振動加速度分別增加2.50%，減小1.00%和8.54%，變化較小。

4 結論

(1)橡膠混凝土回填層減振、降噪效果明顯。相較于普通混凝土，采用橡膠混凝土回填層后，襯砌的振動加速度級減小10.3 dB，其對應的中心頻率為80 Hz。

(2)采用橡膠混凝土回填層對車輛各動力響應影響較小，該減振、降噪措施可以保證列車運行的安全性、平穩性和舒適性。

(3)橡膠混凝土回填層導致軌道結構支承剛度降低，列車通過時，軌道各結構的垂向位移有所增大，但對軌道結構振動響應影響不大。