地鐵小半徑曲線地段鋼彈簧浮置板軌道振動特性測試及分析

靳永福 傅榮 查國濤 汪樂 馬龍祥 劉韋

（1.無錫地鐵集團有限公司，江蘇無錫214100；2.株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007；3.中設設計集團股份有限公司，南京210014；4.西南交通大學土木工程學院，成都610031）

鋼彈簧浮置板軌道是一種以隔振器為支座的質量-彈簧隔振系統，作為特殊減振措施被廣泛應用在地鐵隔振中［1-2］。為掌握鋼彈簧浮置板軌道在線服役性能和減振效果，國內外學者開展了大量現場測試研究。李克飛等［3］對地鐵鋼彈簧浮置板軌道的減振特性進行了測試，發現其對高頻段振動衰減效果明顯優于低頻段。李妙迪等［4］采用現場測試的方法研究了車型對地鐵浮置板軌道區段振動特性的影響，發現A型車通過時的鋼軌、道床及隧道壁的振動響應均明顯高于B型車，且該規律在鄰近建筑的振動中表現更為明顯。葛輝等［5］測試了地鐵運行速度為80，120 km/h時直線段浮置板軌道的減振特性，發現在所研究的速度范圍內鋼彈簧浮置板軌道對鋼軌、浮置板及隧道減振效果均較為穩定。林渝軻等［6］測試了地鐵列車以120 km/h運行時的鋼彈簧浮置板軌道減振性能，發現0～20 Hz和20～80 Hz的振動加速度級在浮置板和隧道壁間的衰減分別可達12，10 dB。王劉翀等［7］對半徑600 m的曲線地段和直線地段進行了對比測試，發現曲線地段采用鋼彈簧浮置板軌道時隧道壁橫向振動響應有所放大。馬蒙等［8］分別對列車荷載和定點錘擊荷載作用下浮置板軌道與普通道床的振動響應進行了測試，發現在不同激勵條件下，響應峰值、主要能量分布、傳遞特征都存在明顯不同，且在定點錘擊下獲得的評價效果優于地鐵列車通過時測得的減振效果。

目前對于地鐵小半徑曲線地段鋼彈簧浮置板軌道的振動特性及減振特性的研究尚不充分，相關現場測試數據匱乏。由于小半徑曲線地段輪軌相互作用關系復雜，列車通過時通常會引起地面較大的水平和垂向振動。本文選取鋪設鋼彈簧浮置板軌道的地鐵小半徑曲線地段（半徑約350 m），現場測試不同載重的地鐵列車以不同速度通過時的振動特性，并與相似條件下鋪設壓縮型減振扣件整體道床軌道地段的測試結果進行對比，研究小半徑曲線鋼彈簧浮置板軌道的減振特性。

1 現場測試

1.1 測試斷面

在無錫市一運營地鐵線路中選取4個條件相近的小半徑曲線斷面開展振動測試（圖1）。其鋼軌均為60 kg/m的無縫鋼軌，隧道均為外徑6 m的盾構隧道。

圖1 測試斷面所在曲線地段示意（單位：m）

斷面1、斷面2、斷面4所處地段均采取了特殊減振措施，軌道類型均為鋼彈簧浮置板軌道，采用DTⅢ2型扣件。浮置板板長為29 970 mm，3個測試斷面均位于浮置板中部。浮置板下按板端密、中部疏的方式布置了22對隔振器，單個隔振器的垂向剛度為6 MN/m。板端的2個隔振器按1個扣件間距進行布置；板中的隔振器按2個扣件間距和3個扣件間距穿插的方式進行布置。鋼彈簧浮置板軌道測試斷面配置見圖2。

圖2 鋼彈簧浮置板軌道測試斷面配置（單位：mm）

由于該條地鐵線路的小半徑曲線地段均采用了中等以上減振措施，無法找到無減振措施的小半徑曲線地段作對比，故選擇采取了中等減振措施的斷面3進行對比測試。斷面3所處地段的軌道類型為壓縮型減振扣件整體道床軌道，采用整體硫化壓縮型減振扣件。該扣件是針對該地鐵線路中曲線半徑小于600 m或環評振動超標小于5 dB的地段專門研制的，除了硫化墊板與調距扣板外，其余部件可與DTⅢ2型扣件通用。4個測試斷面的部分參數見表1。

表1 測試斷面部分參數

1.2 測試車輛及設備

測試車輛為6節編組的地鐵B型車，車輛空載軸重為140 t。

主要測試設備包括24路通道DASP多功能測試分析系統、加速度傳感器、位移傳感器等，如圖3所示。

圖3 主要測試設備

1.3 測試條件

測試時振源處于正常工作狀態，且無影響測試結果的其他環境因素，如劇烈的溫度梯度變化、強電磁場、強風、地震、大型工程機械施工或其他非振動污染源引起的干擾。

測試列車狀況良好，車輪行駛前經過鏇輪處理。車輛工況包括空車運行（車上僅有駕駛員和信號檢測人員）和正常運營。

1.4 測試及分析內容

1）對列車通過時鋼軌、道床、隧道壁的垂向振動加速度進行測試。本文僅對隧道壁的垂向振動加速度進行分析，并以此為基礎研究小半徑曲線地段鋼彈簧浮置板軌道的減振特性。

2）對鋼彈簧浮置板軌道的垂向振動位移進行測試及分析。

隧道壁的加速度測點布置在曲線地段線路內側距軌面1.25 m高的隧道壁上，鋼彈簧浮置板軌道的位移測點布置在道床板中心。

2 測試結果分析

2.1 隧道壁垂向振動加速度分析

對4個測試斷面的隧道壁測點測得的垂向加速度進行最大Z振級和分頻振級分析，并分別計算出斷面1、斷面2、斷面4相對于斷面3的隧道壁最大Z振級插入損失和分頻振級插入損失，研究小半徑曲線地段鋼彈簧浮置板軌道的減振特性。

2.1.1 最大Z振級及其插入損失

不同測試工況下隧道壁最大Z振級VZmax及其插入損失ΔVZmax見表2。可知：

1）在空載工況下，鋪設了鋼彈簧浮置板軌道的斷面1和斷面2引發的隧道壁最大Z振級均在車速為50 km/h時達到最大。可見，小半徑曲線地段振動源強在一定范圍內隨速度增加而變大，但是超過該范圍，伴隨速度增加振動源強反而有所減小。這主要是由于曲線情況下列車只有在與外軌超高、曲線半徑相匹配的最佳匹配速度下運行才能盡可能地減小振動水平，若以不匹配的速度運行，無論偏大還是偏小，都可能引起振動的加劇。因此，小半徑曲線地段的振動控制不應一味地降低行車速度。

表2 隧道壁最大Z振級及其插入損失

2）在運營工況下，斷面1、斷面2、斷面4相對于斷面3的減振效果分別為9.5，13.8，15.4 dB，斷面1的鋼彈簧浮置板軌道減振效果最差，斷面4減振效果最好。這3個斷面減振效果的差異與軌道不平順等線路運營條件不同直接相關。

3）對于小半徑曲線地段，鋼彈簧浮置板軌道的減振效果在運行速度不大于40 km/h的低速列車通過工況下普遍優于運行速度大于40 km/h的列車通過工況。

綜上，鋼彈簧浮置板軌道減振特性并非是其固有屬性，而是與工作環境、線路條件、激勵形式等密切相關，這也說明了通過現場測試來評價其減振性能的不可替代性。

2.1.2 分頻振級及其插入損失

根據JGJ/T 170—2009《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》的頻率計權方法，計算正常運營工況（運行速度55 km/h）下隧道壁垂向振動加速度在4～200 Hz的分頻振級及其插入損失，見圖4。

由圖4可知：

圖4 隧道壁垂向振動加速度分頻振級及插入損失

1）斷面3的隧道壁分頻最大振級為71.3 dB，出現在中心頻率40 Hz處；斷面1、斷面2、斷面4的隧道壁分頻最大振級分別為62.8，55.6，58.7 dB，均出現在中心頻率80 Hz處。上述隧道壁分頻最大振級所在的中心頻率與相應軌道情況下的輪軌共振頻率相對應，且與相應軌道所采用扣件的剛度密切相關。

2）斷面1、斷面2、斷面4相對于斷面3的隧道壁分頻振級插入損失的最大值分別為19.7，27.4，27.2 dB，且均出現在中心頻率40 Hz處。

總體而言，相對于壓縮型減振扣件整體道床軌道，鋼彈簧浮置板軌道具有更好的減振性能。

2.2 鋼彈簧浮置板軌道垂向位移分析

以斷面1為例，正常運營工況下由單趟運行列車引發的鋼彈簧浮置板軌道垂向位移的典型時域波形和一天內（06：00～22：30）其垂向位移最大值的變化曲線見圖5。

圖5 列車通過引發的鋼彈簧浮置板軌道垂向位移（斷面1）

從圖5可知：

1）列車通過引發的鋼彈簧浮置板軌道垂向位移時域波形上出現的峰值，與列車各輪軸到達測試斷面的時刻存在良好的對應關系。

2）在正常運營時，鋼彈簧浮置板軌道垂向位移在地鐵載客高峰時段（07：30～09：00和17：15～19：00）普遍大于非高峰時段。相較于非高峰時段，高峰時段地鐵滿載的增重使垂向位移增大10%左右。高峰時段鋼彈簧浮置板軌道垂向位移的最大值未超過3.3 mm，同樣滿足浮置板軌道在列車額定荷載作用下鋼軌最大垂向位移不應大于4 mm的規定［9］，可以保證行車安全性及平穩性。

3 結論

1）小半徑曲線地段振動源強在一定范圍內隨列車速度的增加而變大，但是超過該范圍，伴隨速度增加振動源強反而有所減小。因此，小半徑曲線地段振動控制不應一味地降低行車速度。

2）對于小半徑曲線地段，鋼彈簧浮置板軌道的減振效果在運行速度不大于40 km/h的低速列車通過工況下普遍優于運行速度大于40 km/h的列車通過工況。

3）相對于壓縮型減振扣件整體道床軌道，鋼彈簧浮置板軌道隧道壁最大Z振級的插入損失可達9.5～15.4 dB，而隧道壁分頻振級插入損失的最大值達19.7～27.4 dB，具有更好的減振性能。

4）列車荷載大小直接影響鋼彈簧浮置板軌道的垂向位移。相較于非高峰時段，高峰時段地鐵滿載的增重使鋼彈簧浮置板軌道垂向位移增大約10%。