溫州市域鐵路S1線減振道床減振效果測試與分析

劉玉濤，張健強(qiáng)，羅 偉，韓志剛

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063；2.鐵路軌道安全服役湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430063；3.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 610031)

溫州市域S1線為國家新型產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)示范工程，西起甌海區(qū)潘橋鎮(zhèn)，東至靈昆島半島二站，線路全長53 km[1]。溫州市域S1線穿過溫州市區(qū)，線路周圍存在大量的醫(yī)院、學(xué)校、居民區(qū)等環(huán)境敏感點(diǎn)，為了減小軌道交通振動對周邊環(huán)境的影響，該線采用了多種軌道減振措施，中等減振采用的是雙層非線性減振扣件，高等減振采用的是橡膠隔振墊減振道床[2]。溫州市域S1線采用的是一種全新的軌道交通制式，該線設(shè)計(jì)速度120 km/h，運(yùn)營市域動車組，設(shè)計(jì)速度介于城市軌道交通和城際鐵路之間。該線多采用高架線路，橋隧比占96.3%，軌道系統(tǒng)和橋梁系統(tǒng)都根據(jù)市域荷載特點(diǎn)重新設(shè)計(jì)[3]，其結(jié)構(gòu)并不同于國鐵干線和城市軌道交通線路。上述因素使得溫州市域S1線軌道交通振動與國鐵干線及城市軌道交通線路不同而具有其特殊性，需要對該線橡膠隔振墊減振道床的實(shí)際應(yīng)用效果展開研究，以期為后續(xù)市域鐵路減振設(shè)計(jì)提供參考。

目前，現(xiàn)場動態(tài)測試作為評價(jià)減振措施最有效的方法，對減振軌道軌道結(jié)構(gòu)現(xiàn)場測試較多，但多是針對國鐵[4-10]與城市軌道交通線路[11-16]進(jìn)行，針對市域軌道交通減振軌道減振效果的測試較少，更缺乏從橋面到地面的系統(tǒng)測試。為此，通過對溫州市域S1線減振道床與普通道床的橋面與地面系統(tǒng)測試，以獲得市域鐵路運(yùn)行條件下減振道床的實(shí)際減振效果。

1 橡膠隔振墊減振道床結(jié)構(gòu)

溫州市域S1線高等減振采用兩種橡膠隔振墊減振道床結(jié)構(gòu)。一種軌道結(jié)構(gòu)高度780 mm(簡稱減振道床-780)，自上而下分別為鋼軌、WJ-7B扣件、雙塊式軌枕、道床板、減振墊層及底座等，如圖1所示。道床板寬度為2.8 m，厚度為0.34 m，減振墊層靜力模量為19 MPa/m。該減振道床一階固有頻率為23.8 Hz，在直線段和半徑為1 400 m的曲線段都有應(yīng)用。另一種軌道結(jié)構(gòu)高度為610 mm(簡稱減振道床-610)，與減振道床-780不同的是采用砂漿找平層代替了混凝土底座，結(jié)構(gòu)更加簡單，如圖2所示。道床板寬度為3.2 mm，厚度為0.3 m，減振墊層靜力模量為25 MPa/m。該減振道床一階固有頻率為29.1 Hz，僅在半徑700 m的曲線地段有所鋪設(shè)。

圖1 結(jié)構(gòu)高度780 mm橡膠隔振墊道床

圖2 結(jié)構(gòu)高度610 mm橡膠隔振墊道床

2 測點(diǎn)及測試儀器

為了測試兩種橡膠隔振墊道床的減振效果，在直線和曲線的普通道床地段和減振道床地段都布設(shè)測試斷面，相關(guān)測試斷面情況見表1。由于軌道結(jié)構(gòu)高度610 mm的高等減振道床并未找到相應(yīng)曲線半徑700 m的普通道床作為對比，因此將其同曲線半徑1 400 m的普通道床進(jìn)行對比。

表1 測試斷面及測試位置

本次測試包括橋面測試和地面測試，列車運(yùn)行在高架線路時(shí)所誘發(fā)的振動在傳遞至橋梁后需經(jīng)過橋墩向大地傳播，為此橋面測點(diǎn)置于橋墩處(即簡支梁梁端)的梁面上，參照CJJ/T191—2012《浮置板軌道技術(shù)規(guī)范》中針對高架線路測點(diǎn)的規(guī)定“測點(diǎn)應(yīng)布置在緊鄰浮置板軌道一側(cè)的橋面，距離軌道中心線1.5 m布置在緊鄰浮置板，置于距離道床板內(nèi)側(cè)邊緣15～20 cm的位置。地面測點(diǎn)垂直于線路方向并與橋墩位置平齊，與軌道中心線距離分別為0，5，10 m和15 m，如圖3所示。

圖3 測點(diǎn)布置示意

數(shù)據(jù)采集設(shè)備采用INV3060V型數(shù)字采集儀，該采集儀采樣頻率范圍為6.25 Hz～51.2 kHz。橋面振動測試采用量程為10g的INV9828型加速度傳感器，傳感器牢固粘貼于橋面混凝土表面，如圖4所示。地面振動采用中國地震局工程力學(xué)研究所941B型超低頻測振儀，該傳感器振動加速度測試量程為20 m/s2，地面測點(diǎn)首先將鋼板通過四角的螺栓固定在地面上，然后將傳感器粘貼于鋼板表面，如圖5所示。橋面振動測試采樣頻率設(shè)置為1 000 Hz，地面振動測試采樣頻率設(shè)置為500 Hz，加速度傳感器相關(guān)技術(shù)參數(shù)見表2。

圖4 橋面振動傳感器安裝現(xiàn)場

圖5 地面振動傳感器安裝現(xiàn)場

表2 相關(guān)加速度傳感器性能

3 評價(jià)指標(biāo)

由于橋面振動受下部基礎(chǔ)及地層影響較小，橋面振動可用于評價(jià)減振道床的減振效果，采用CJJ/T191—2012《浮置板道床技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的評價(jià)方法，在4～200 Hz頻率范圍內(nèi)進(jìn)行分析，以減振道床與普通道床橋面鉛垂向加速度1/3倍頻程分頻振級的均方根差值ΔVL，a作為減振效果評價(jià)指標(biāo)，其中計(jì)權(quán)處理采用ISO2613—1997規(guī)定的Z計(jì)權(quán)因子。

評價(jià)指標(biāo)ΔVL，a的計(jì)算公式如式(1)所示。

(1)

式中VL，q(i)——普通道床橋面鉛垂向加速度在1/3倍頻程第i個(gè)中心頻率處的分頻振級，dB；

VL，h(i)——減振道床橋面鉛垂向加速度在1/3倍頻程第i個(gè)中心頻率處的分頻振級，dB。

地面振動用于評價(jià)減振道床在特定地段的應(yīng)用效果，評價(jià)方法采用GB 10070—88《城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)》和GB 10071—88《城市區(qū)域環(huán)境振動測量方法》中規(guī)定的方法，評價(jià)量為最大Z振級VLzmax，如式(2)和式(3)所示。時(shí)間計(jì)權(quán)常數(shù)為1 s，重疊系數(shù)取為3/4[17]，計(jì)權(quán)處理也采用ISO2613—1997規(guī)定的Z計(jì)權(quán)因子。

(2)

(3)

4 測試結(jié)果分析

針對每種測試工況，各得到20組數(shù)據(jù)樣本，對數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行時(shí)域分析和頻域分析，得到數(shù)據(jù)樣本的時(shí)域最大值、橋面Z振級和地面最大Z振級，進(jìn)而分析減振道床的減振效果及其在特定地段的應(yīng)用效果。

4.1橋面測試結(jié)果分析

普通道床與減振道床橋面振動加速度時(shí)域樣本分別如圖6和圖7所示，不同工況下橋面最大振動加速度的平均值見表3。

圖6 普通道床橋面振動加速度時(shí)域樣本

圖7 減振道床橋面振動加速度時(shí)域樣本

由表3可知，直線地段普通道床橋面最大振動加速度為4.98 m/s2，軌道結(jié)構(gòu)高度780 mm減振道床橋面最大振動加速度為0.25 m/s2，較普通道床減小了95%；曲線地段普通道床橋面最大振動加速度平均值為4.68 m/s2，軌道結(jié)構(gòu)高度780 mm減振道床橋面最大振動加速度為0.41 m/s2，較普通道床減小了91%，軌道結(jié)構(gòu)高度610 mm的高等減振道床為0.52 m/s2，較普通道床減小了89%。因此，減振道床橋面振動加速度較普通道床約減小90%，減振道床對橋面的減振效果較好。

表3 橋面最大振動加速度 m/s2

根據(jù)公式(1)計(jì)算得到不同道床結(jié)構(gòu)橋面Z振級見表4。由表4可知，直線地段普通道床橋面Z振級為92.5 dB，軌道結(jié)構(gòu)高度780 mm的減振道床橋面Z振級為82.1 dB，較普通道床減小10.4 dB；曲線地段普通道床橋面Z振級為93.6 dB，軌道結(jié)構(gòu)高度780 mm的高減振道床橋面Z振級為83.4 dB，較普通道床減小了10.2 dB，軌道結(jié)構(gòu)高度610 mm減振道床橋面Z振級為84.1 dB，較普通道床減小9.5 dB。

表4 橋面Z振級

不同道床結(jié)構(gòu)橋面分頻振級分別如圖8～圖10所示。由圖8～圖10可知，三種減振道床的分頻振級規(guī)律較為類似，在頻率12.5～25 Hz范圍內(nèi)，減振道床橋面分頻振級大于普通道床，該頻率范圍位于減振道床固有頻率(23.8 Hz和29.1 Hz)附近，此時(shí)減振道床并不能起到減振效果，反而會放大振動。頻率>31.5 Hz時(shí)，減振道床橋面分頻振級小于普通道床，此時(shí)減振道床能起到減振效果。三者不同的是，軌道結(jié)構(gòu)高度610 mm的減振道床和直線地段軌道結(jié)構(gòu)高度780 mm的減振道床在頻率100 Hz處與普通道床的分頻振級差值最大，最大差值分別為17.7 dB和15.4 dB，曲線地段軌道結(jié)構(gòu)高度780 mm的減振道床在頻率200 Hz處與普通道床的分頻振級差值最大，最大差值為18.0 dB。

圖8 軌道結(jié)構(gòu)高度610 mm減振道床橋面分頻振級

圖9 軌道結(jié)構(gòu)高度780 mm減振道床橋面分頻振級(直線段)

圖10 軌道結(jié)構(gòu)高度780 mm減振道床橋面分頻振級(曲線段)

4.2 地面測試結(jié)果分析

溫州市處于濱海平原與灘涂地帶，土層中含有較厚的淤泥層，某典型斷面地質(zhì)條件如圖11所示。軌道交通引起的振動在淤泥質(zhì)土中傳播時(shí)，高頻振動衰減較快，低頻振動衰減較為緩慢。由于其特殊地質(zhì)條件的影響，軌道交通引起的地面振動的衰減特性也具有其特殊性。

圖11 某高架橋橋梁基礎(chǔ)典型斷面地質(zhì)情況(單位：m)

由于減振道床與普通道床處地質(zhì)條件不同，將兩者的地面振動進(jìn)行對比意義不大，因此進(jìn)行地面測試結(jié)果分析時(shí)，只分析減振道床地面最大Z振級，而不與普通道床地面作對比。不同工況下地面最大Z振級及分頻Z振級分別如圖12～圖14所示。

圖12 曲線地段軌道結(jié)構(gòu)高度610 mm減振道床

圖13 直線地段軌道結(jié)構(gòu)高度780 mm減振道床

圖14 曲線地段軌道結(jié)構(gòu)高度780 mm減振道床

由圖12～圖14可知，3種工況下，距離軌道中心線10 m以內(nèi)，地面最大Z振級衰減較快，軌道結(jié)構(gòu)高度610 mm減振道床該范圍內(nèi)地面振級衰減最快，由88.07 dB減小為69.77 dB，減小了18.3 dB。3種工況不同的是，距軌道中心線10～15 m范圍內(nèi)曲線地段減振道床地面振級出現(xiàn)局部放大，軌道結(jié)構(gòu)高度610 mm減振道床的地面最大Z振級由69.77 dB增大到70.17 dB，軌道結(jié)構(gòu)高度780 mm減振道床的地面最大Z振級由69.16 dB增大為69.88 dB；直線地段減振道床地面振動則無局部放大現(xiàn)象。從地面最大Z振級來看，距軌道中心線10～15 m范圍內(nèi)，曲線地段軌道結(jié)構(gòu)高度610 mm減振道床和軌道結(jié)構(gòu)高度780 mm減振道床的地面振動滿足混合、商業(yè)中心區(qū)環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)，直線地段軌道結(jié)構(gòu)高度780 mm減振道床的地面振動則能夠滿足特殊住宅區(qū)環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)。

由分頻振級可以看出，在曲線地段，兩種減振道床結(jié)構(gòu)距軌道中心線0～5 m范圍內(nèi)的地面振動能量主要集中在頻率50～80 Hz范圍內(nèi)；在直線地段，軌道結(jié)構(gòu)高度780 mm高等減振道床距軌道中心線0 m處地面振動能量主要集中在頻率20～50 Hz范圍內(nèi)，距軌道中心線5 m處，地面振動能量則主要集中在頻率50～80 Hz范圍內(nèi)。隨著距軌道中心線距離的增加，頻率20 Hz以上的地面振動減小較快，頻率20 Hz以下的地面振動則變化較小，且在距軌道中心線10 m處，地面振動在頻率20 Hz以上中高頻部分的振動能量已經(jīng)開始小于頻率20 Hz以下的低頻部分。因此，進(jìn)行減振道床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，為取得較好地面振動減振效果，若建筑物距軌道中心線10 m以內(nèi)，減振道床有效減振頻率范圍需要覆蓋50～80 Hz，若建筑物距軌道中心線10 m以上，減振道床有效減振頻率范圍則需覆蓋20 Hz及以下部分。

5 結(jié)論

為得到溫州市域S1線橡膠隔振墊道床的減振效果，對溫州市域S1線進(jìn)行了橋面與地面的動態(tài)測試，對比分析普通道床和兩種橡膠隔振墊道床的測試數(shù)據(jù)，得到如下結(jié)論。

(1)以橋面Z振級的插入損失作為減振效果的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，直線地段，結(jié)構(gòu)高度780 mm橡膠隔振墊道床的減振效果為10.4 dB；曲線地段，結(jié)構(gòu)高度610 mm橡膠隔振墊道床的減振效果為9.5 dB，結(jié)構(gòu)高度780 mm的橡膠隔振墊道床的減振效果為10.2 dB。

(2)從橋面分頻振級對比中可以看出，兩種橡膠隔振墊道床在頻率12.5～25 Hz范圍內(nèi)并不能起到減振效果，反而會放大振動。在頻率>31.5 Hz時(shí)，兩種隔振墊道床才能起到減振效果。

(3)從地面最大Z振級分析結(jié)果可以看出，距軌道中心線10 m范圍內(nèi)地面振動衰減較快，并且主要是頻率20 Hz以上的中、高頻振動的衰減，20 Hz以下的低頻部分變化較小。距軌道中心線10～15 m范圍內(nèi)，曲線地段兩種橡膠隔振墊道床的地面振動出現(xiàn)局部放大。

(4)距軌道中心線10～15 m范圍內(nèi)，曲線地段兩種隔振墊道床的地面振動滿足混合、商業(yè)中心區(qū)環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)，直線地段結(jié)構(gòu)高度780 mm隔振墊道床的地面振動能夠滿足特殊住宅區(qū)環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)。

通過測試與分析，得到了兩種橡膠隔振墊減振道床的實(shí)際減振效果，以及距軌道中心線不同距離的地面最大Z振級，可用于指導(dǎo)隔振墊減振道床在市域鐵路上的應(yīng)用。但是本次地面測試最遠(yuǎn)距橋梁中心線長15 m，距離較為有限，以后需要加大測試范圍。