城市軌道交通鋼軌打磨措施的減振效果測試研究

張伯林，張宏亮，辛 濤，鄭 軍 ，王朋松

（1.南京地鐵集團(tuán)有限公司，江蘇南京 210008；2.北京城建設(shè)計發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100037；3.北京市軌道結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，北京 100037；4.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044）

1 研究背景

城市軌道交通具有方便、快捷、準(zhǔn)時、運(yùn)量大等優(yōu)點(diǎn)，極大程度地緩解了城市交通擁擠現(xiàn)狀，近年來在我國發(fā)展迅猛[1-4]。截至2020年12月31日，國內(nèi)累計有45個城市建成城市軌道交通并投入運(yùn)營，運(yùn)營線路達(dá)到244條，總長度7 978.19 km[5]。城市軌道交通開通以來，由于軌道線路狀態(tài)隨著運(yùn)營時間增長出現(xiàn)劣化，居民投訴城市軌道交通引起的振動與噪聲問題陸續(xù)增多[6-8]。北京、上海、廣州、南京等城市軌道交通都曾遭遇此類難題[9-10]。例如，北京地鐵大興線開通1 年后，高米店北站至高米店南站區(qū)間青島嘉園小區(qū)居民投訴本線路運(yùn)營后振動噪聲影響了正常的工作及生活；上海地鐵8 號線自2008年通車以來，列車運(yùn)營產(chǎn)生振動和噪聲影響了青云路、控江路地段居民正常生活秩序，導(dǎo)致群眾上訪投訴次數(shù)不斷增加；廣州地鐵1號線1999 年開通后，長壽路站至陳家祠站隧道區(qū)間上的一座住宅樓樓內(nèi)居民被振動與噪聲侵?jǐn)_。如何采取有效措施降低振動及噪聲影響，成為城市軌道交通發(fā)展中亟待解決的問題。

文章以振動噪聲過大引發(fā)居民投訴問題的某城市軌道交通區(qū)間為例進(jìn)行分析，區(qū)間中振動噪聲敏感點(diǎn)與線路關(guān)系如圖1所示。經(jīng)過對敏感點(diǎn)附近線路軌行區(qū)間進(jìn)行踏勘調(diào)研，參照高速鐵路相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[11]要求對鋼軌進(jìn)行打磨，并對鋼軌打磨前后隧道內(nèi)振動源強(qiáng)進(jìn)行現(xiàn)場測試，分析評估鋼軌打磨效果。

2 現(xiàn)狀調(diào)研

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，敏感點(diǎn)附近線路采用圓形盾構(gòu)隧道，隧道內(nèi)徑為2 750 mm，外徑為3 100 mm，如圖2所示。

圖1 敏感點(diǎn)與線路位置關(guān)系（單位：m）

軌道結(jié)構(gòu)采用長枕式整體道床，敏感點(diǎn)區(qū)段雙線均采用羅德（Lord）扣件，扣件間距為600 mm。左線平面線型為R1 200 m + 夾直線 30 m +R450 m，縱坡為8.4‰；右線平面線型為R1 500 m +夾直線 24 m +R450 m，縱坡為8.577 ‰。

此外，在R1 200 m的曲線段發(fā)現(xiàn)內(nèi)外股鋼軌存在波磨，波長為40 mm，如圖3所示。

圖2 隧道區(qū)間結(jié)構(gòu)

圖3 鋼軌波磨

經(jīng)調(diào)研確認(rèn)，振動噪聲過大與波磨密切相關(guān)，因此決定對鋼軌采取打磨措施，并利用測試手段評估打磨減振效果。測試分為2個部分，包括軌面不平順測試與振動源強(qiáng)測試。

在入戶調(diào)研體驗(yàn)過程中，右線地鐵列車通過時引起振動噪聲相比左線大，因此以右線為例進(jìn)行測試分析。

3 軌面不平順測試及分析

采用軌道幾何狀態(tài)檢測儀對打磨前后曲線段鋼軌表面不平順進(jìn)行測量，并對測量結(jié)果進(jìn)行頻域分析，不平順幅值及粗糙度如圖4、圖5所示。

圖4 外股鋼軌軌面不平順

圖5 內(nèi)股鋼軌軌面不平順

根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，內(nèi)股鋼軌存在波長為20 mm與40 mm的明顯波磨，不平順幅值約為51μm。外股鋼軌波磨不明顯，不平順幅值約為8μm。打磨后軌面波磨狀況得到顯著改善，內(nèi)外股軌面不平順幅值分別降低67%與50%。

4 振動源強(qiáng)測試及分析

為對打磨措施減振效果進(jìn)行評估，在敏感點(diǎn)附近選取1個典型斷面，進(jìn)行打磨前后隧道內(nèi)振動源強(qiáng)測試。

4.1 測點(diǎn)布置

按照GB 10071-88 《城市區(qū)域環(huán)境振動測量方法》[12]所規(guī)定的減振效果測量方法，測點(diǎn)設(shè)在隧道壁，振動傳感器安裝高度在道床板面以上1.25 ± 0.25 m范圍內(nèi)。除隧道壁測點(diǎn)外，另設(shè)鋼軌、道床板2個參考測試點(diǎn)。測點(diǎn)布置如圖6～圖9所示。

（1）鋼軌測點(diǎn)。左右鋼軌均布置1個垂向傳感器，置于外側(cè)軌底，另在距離目標(biāo)斷面15 m處設(shè)置1個觸發(fā)傳感器。

圖6 傳感器測點(diǎn)布置示意圖（單位：m）

圖7 鋼軌測點(diǎn)

圖8 道床板測點(diǎn)

圖9 隧道壁測點(diǎn)

（2）道床板測點(diǎn)。左右鋼軌下面軌道板布置1個垂向傳感器，置于鋼軌外側(cè)軌底；基礎(chǔ)板邊緣布置1個垂向傳感器。

（3）隧道壁測點(diǎn)。隧道壁測點(diǎn)置于道床板面以上1.5 m處，布置1個縱向及1個垂向傳感器。

4.2 時域分析

此次測試共采集191組列車通過數(shù)據(jù)，典型高峰時段振動加速度時程曲線如圖10所示。

根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，振動沿鋼軌、道床板、隧道壁不斷衰減。打磨前鋼軌、道床板、隧道壁振動加速度峰值范圍為0 ～ 200 m / s2、0 ～20 m / s2、0～1.0 m / s2，打磨后，鋼軌、軌道板、隧道壁振動加速度峰值范圍為0～100 m / s2、0～1 m / s2、0 ～0.5 m / s2，軌道結(jié)構(gòu)及隧道壁振動加速度水平顯著下降。為對軌道結(jié)構(gòu)振動衰減進(jìn)行定量分析，選取20組數(shù)據(jù)將打磨前后鋼軌、道床板及隧道壁振動加速度峰值及有效值均值分別統(tǒng)計，如表 1、表2所示。

圖10 振動加速度時程曲線

圖11 振動加速度級

表1 打磨前后加速度峰值 m/s2

表2 打磨前后加速度有效值 m/s2

表3 打磨前后Z振級 dB

根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，鋼軌及隧道壁振動加速度峰值及有效值衰減均達(dá)到50%以上。道床板振動峰值衰減最為明顯，達(dá)到97.2%，有效值衰減為35.7%，鋼軌打磨取得良好的減振效果。

4.3 頻域分析

對典型高峰時段振動加速度時程曲線進(jìn)行頻域變換得到振動加速度級，結(jié)果如圖11所示。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)振動加速度級采用Z頻率計權(quán)曲線，可以得到鋼軌、道床板以及隧道壁的Z振級[13-15]。將20組數(shù)據(jù)Z振級平均值進(jìn)行統(tǒng)計，如表3所示。

根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，打磨后鋼軌、道床板、隧道壁振動加速度水平在整個頻帶范圍內(nèi)都有所降低，尤其是在243 Hz附近（對應(yīng)40 mm波長）。鋼軌、道床板、隧道壁的Z振級都降低4 dB以上，表明鋼軌打磨可以有效降低隧道內(nèi)振動源強(qiáng)。

5 結(jié)論

文章針對某城市軌道交通振動噪聲影響問題，對敏感點(diǎn)所處區(qū)間進(jìn)行現(xiàn)場踏勘調(diào)研，發(fā)現(xiàn)振動噪聲過大與軌道波磨密切相關(guān)。通過對打磨前后鋼軌表面不平順狀態(tài)、隧道內(nèi)振動源強(qiáng)進(jìn)行測試分析，證明鋼軌打磨措施有效，研究成果可為類似工程提供借鑒，主要結(jié)論如下。

（1）鋼軌打磨前，曲線內(nèi)股鋼軌表面存在波長為20 mm 與40 mm明顯波磨，打磨后波磨狀況得到顯著改善，內(nèi)外股鋼軌軌面不平順幅值分別降低67%與50%。

（2）鋼軌打磨后，軌道結(jié)構(gòu)及隧道壁振動加速度峰值及有效值大幅度降低，鋼軌、道床板、隧道壁振動加速度峰值相比打磨前分別減少63.4%、97.2%、64.6%，有效值相比打磨前分別減少52.5%、35.7%、80.0%。

（3）鋼軌打磨后，鋼軌、道床板、隧道壁的Z振級均降低4 dB以上，鋼軌打磨取得顯著效果。