時速350 km高速列車下穿機場對跑道區道面的影響

吳雪 周興龍 鐘瑞 趙才友

1.西南交通大學土木工程學院，成都610031；2.成都地鐵運營有限公司，成都610031

近年來，軌道交通線路下穿或鄰近機場的情況越來越多，引起的振動噪聲問題日益嚴重。飛機起降對機場道面的要求極高，而高速列車經過下穿機場隧道引起道面結構的振動會與飛機豎向振動相互影響，構成復雜的飛機-道面耦合振動問題，直接影響道面結構的承載能力以及飛機運行的安全性。目前暫無相關資料明確指出高速鐵路運營與機場運營之間的影響關系，有待開展研究。

針對列車誘發的環境振動問題，主要是從現場實測、理論仿真兩方面進行研究。彭也也、肖桂元、袁揚等［1-3］通過實測列車引起的環境振動響應，認為地面振動加速度頻譜幅值隨振源距離的增加呈現波動衰減的趨勢。劉騰等［4］通過對高速鐵路路基區段地面振動的實測分析，指出地面振動呈波動式變化，遠離振源處以低頻振動為主。李平等［5］對高速鐵路振源及環境振動進行了現場測試，認為高速列車誘發高架曲線段振源振動強度明顯高于直線段，橋面Z振級遠高于隧道壁Z振級。馬蒙、謝鎣松等［6-7］對地鐵沿線精密儀器所受的影響進行了研究。嚴濤等［8］分析了大地的振動響應特征以及隧道埋深對地面振動的影響。張啟樂等［9-10］研究了行車速度、土體彈性模量、隧道凈距、隧道埋深與角度對地面振動的影響。崔高航等［11］采用半解析有限元法建立了列車-軌道-地基土相互作用模型，為計算列車引起的沿線場地環境振動提供了新思路。上述研究均未涉及對特殊地面的分析。

成自（成都—自貢）高速鐵路是世界上首條以時速350 km下穿機場跑道的高速鐵路。本文以此為背景建立仿真預測模型，研究列車引起的振動對跑道的影響，為機場環境振動預測與評估提供理論依據。

1 模型的建立

成自鐵路天府機場段設計行車速度350 km/h；最小曲線半徑一般地段為7 000 m，困難地段為5 500 m；最大坡度一般地段為20‰，困難地段為30‰。正線總長7.84 km，包括車站和區間隧道。車站為地下二層三洞七跨雙島式車站，有效站臺長450 m。區間隧道位于車站兩側，總長6.23 km，埋深約14 m。線路下穿機場飛行區、滑行道、消防通道、航空貨運區、停機坪等區域。

列車運行引起的環境振動影響因素眾多，涉及跑道、土體、隧道、軌道等，因此建模時將整個系統分解成兩部分，分別為：①車輛-軌道-隧道剛柔耦合動力學子系統；②軌道-隧道-土體-跑道三維環境振動預測子系統。

1.1 車輛-軌道-隧道剛柔耦合動力學模型

采用分層建模的思想，自上往下依次為車輛、鋼軌、扣件、道床板、減振墊、底座板、下部基礎體系。

車輛選用CRH380B型客車，其中車體、轉向架、輪對均近似處理為剛體，一系和二系懸掛阻尼考慮為黏性阻尼，一系彈簧、二系彈簧以及輪軌接觸的赫茲彈簧考慮為線性彈簧。車體內各部件之間通過施加約束以限制其相對運動。

結合工程實際，選用CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道結構。建模時，鋼軌采用鐵木辛柯梁模擬以提高計算精度。為了反映鋼軌實際的支承特性，模型中鋼軌的支承考慮為離散點支承，扣件系統考慮為彈簧-阻尼系統；采用實體結構模擬道床板與底座板。在建立減振型無砟軌道模型時，其他部件的建模參數及過程與前述相同，僅在道床板與底座板之間增設橡膠減振墊，將其考慮為彈簧-阻尼系統。扣件間距600 mm，剛度取25 kN/mm；減振墊層面剛度取0.046 N/mm3；道床板長6.40 m，寬2.80 m，厚0.26 m；底座板長6.40 m，寬2.80 m，厚0.21 m。其他參數見表1。

表1 剛柔耦合動力學模型參數

模型中，在垂向平面內將輪軌接觸簡化為赫茲接觸。這是因為考慮到輪軌間的接觸行為是連接車輛系統和軌道結構的紐帶，在多數情況下接觸彈簧只起到聯系及耦合車輛系統和軌道結構的作用，彈簧剛度誤差對計算結果的影響較小。此外，非線性赫茲接觸彈簧會大幅提高動力分析的難度，計算繁瑣，效率低。

中國高速鐵路不平順譜是對中國已建成高速鐵路進行測試基礎上統計而成的。為了較為真實地反映實際情況，本文采用中國高速無砟軌道譜模擬軌道不平順。

借助多體動力學軟件Universal Mechanism（UM）和有限元分析軟件ANSYS對車輛、軌道結構、隧道進行聯合仿真。采用有限元軟件ANSYS建立下部軌道及隧道模型。有限元模型中利用自由度縮減得到的矩陣結果文件以柔性子系統的形式導入多體動力學軟件，與車輛進行耦合，形成剛柔耦合動力學模型。在仿真過程中，柔性子系統在鉸和力元的作用下與其他部件進行信息交互。

1.2 軌道-隧道-土體-跑道三維環境振動預測模型

隧道下穿跑道區范圍內，隧址區上覆第四系全新統坡殘積層，下部為侏羅系上統蓬萊鎮組泥巖夾砂巖；隧道頂部距離地面14 m，底部位于中風化泥巖夾砂巖地層。地質勘測資料顯示，從地面自上而下土體類型依次為粉質黏土、全風化泥巖夾砂巖、強風化泥巖夾砂巖、中風化泥巖夾砂巖。

土體介質的分層特性及動力特性決定傳播介質的材料阻抗以及彈性波傳播模式。為了在數值仿真計算中充分考慮土體介質的分層特性，將土體簡化為水平分層均勻介質，建立分層土體振動衰減模型。為了進一步簡化計算，假定各個地層為均勻、各向同性體并且滿足相鄰土層間不會發生相對滑動的位移協調條件。土層材料計算參數見表2。

表2 土層材料計算參數

建模時，鋼軌采用梁單元模擬，扣件和橡膠減振墊采用彈簧單元模擬，其他部件如道床板、隧道、土體等均采用實體單元模擬。通過在土體兩側橫斷面和底面延伸一層實體單元來設置三維一致黏彈性人工邊界條件［12-14］，邊界單元等效剪切模量為0.33 MPa，彈性模量為6.65 MPa。模型關鍵區域網格尺寸為0.5 m，非關鍵區域網格尺寸為0.8 m，共1 260 560個單元，1 341 516個節點；步長0.000 5 s，共模擬2 000個時間步長。計算模型如圖1所示。

圖1 軌道-隧道-土體-跑道三維計算模型（單位：m）

2 評價標準與觀測點布置

目前缺乏高速鐵路下穿機場跑道的振動控制標準，而機場跑道有嚴格控制地面振動水平的必要性。綜合參考JGJT 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》、GB 10070—1988《城市區域環境振動標準》、TB 10621—2014《高速鐵路設計規范》，為了保證飛機的正常運行，保證機場跑道精密儀器的正常工作，參照第0類特殊住宅區的夜間限值對機場跑道振動水平進行評估，即機場跑道區地面最大Z振級不超過62 dB；采用地面水平振動速度評價列車運行引發的振動響應及其對周邊設備的影響；參考韋華建［15］的研究結果，水平振動速度應小于2 cm/s。

在地面設置觀測點O1、O2、O3，其距離線路中心線分別為0、10、20 m，即O1點在線路中心線的正上方，如圖2所示。

圖2 觀測點示意（單位：m）

3 仿真結果與分析

3.1 輪軌相互作用力

在車輛-軌道-隧道剛柔耦合動力學模型計算結果的基礎上，提取輪軌相互作用力作為軌道-隧道-土體-跑道三維模型的輸入荷載，進行環境振動的計算。由于成自鐵路兼顧高速鐵路和城際快線的功能，因此分別計算列車以250、300、350 km/h通過隧道時的輪軌相互作用力。計算結果見表3。

表3 輪軌相互作用力

由表3可知：①列車運行速度從250 km/h提高到300 km/h，輪軌垂向、橫向力最大值增幅分別為7.0%、7.2%；列車運行速度從300 km/h提高到350 km/h，輪軌垂向、橫向力最大值增幅分別為0.6%、0.3%。輪軌相互作用力隨著車速的增加而增大，這是因為車速的提高導致輪軌相互作用增強，引起車輛與軌道系統振動加劇。②普通軌道和減振軌道的計算結果相差不大，說明減振墊層對車輛動力響應影響很小。這主要是由于扣件的剛度較小，減振墊層對整體剛度影響很小，而道床板質量較大，因此道床板下的剛度改變對輪軌相互作用影響很小。

3.2 地面振動響應

3.2.1 地面測點垂向振動

為滿足地面環境振動的預測需求，對4～200 Hz頻段的振級進行分析。對時域加速度值進行Z振級處理，得到1/3倍頻程中心頻率對應的垂向振動加速度振級，由此可統計得出振動能量在各頻帶內的分布情況。跑道區地面測點垂向最大Z振級的計算結果見圖3。

圖3 地面測點垂向最大Z振級

從圖3可知：地面測點垂向最大Z振級的極大值出現在線路中心線正上方的O1點；對于同一測點，地面測點最大Z振級隨列車運行速度的增加而增大；同一車速下，垂向振動隨與線路中心線的水平距離的增加而衰減；由普通軌道計算出的地面測點垂向最大Z振級大部分超過GB 10070—1988規定的限值，而使用減振軌道可使地面測點垂向最大Z振級減小10.0～10.5 dB，能夠滿足GB 10070—1988限值要求。

車輛以350 km/h通過時，線路中心線正上方的O1點垂向Z振級1/3倍頻程結果見圖4。

圖4 線路中心線正上方地面測點垂向Z振級

從圖4可知：列車運行速度越高引發的地面振動響應越大，時速350、300、250 km時引發的地面振動響應依次減小，垂向Z振級分別為65.6、64.7、62.7 dB；隨車速增加，垂向振動主頻有向高頻移動的趨勢。

3.2.2 地面測點水平振動

列車通過時，各地面測點在不同軌道條件下水平振動速度見表4。

表4 地面測點水平振動速度

由表4可知，地面測點水平振動速度的極大值出現在線路中心線正上方，其值為0.220 mm/s，遠小于標準要求的2 cm/s。這說明列車運行對機場跑道水平振動影響很小，不會影響飛機正常運行。

為了進一步研究行車速度對環境水平振動的影響，選取線路中心線正上方的O1點，計算得到不同車速下水平振動響應的時域和頻域變化曲線。結果見圖5、圖6。可知：①車速越高，水平振動速度峰值波動越大。列車運行引起的地面振動屬于低頻振動，幅值曲線存在多個峰值，主峰值隨車速增加而增大且主頻呈現出向高頻移動的趨勢，體現了土體的阻尼特性以及濾波作用。②與普通無砟軌道相比，鋪設橡膠減振墊后，水平振動速度大幅下降，進一步證明減振措施的有效性。

圖5 線路中心線正上方水平振動速度時域變化曲線

圖6 線路中心線正上方水平振動速度最大值頻域變化曲線

4 結論

1）列車運行時，輪軌相互作用力隨著車速的增加而增大；普通軌道和減振軌道的輪軌相互作用力相差不大，減振墊層對車輛動力響應影響很小。

2）列車通過下穿機場跑道的CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道誘發的跑道區地面振動響應隨車速增加而增大。車速大于等于300 km/h時，垂向振動響應顯著增強；列車運行對機場跑道水平振動影響很小。

3）列車通過時，地面垂向振動響應隨著距振源的水平距離的增加而衰減，極大值出現在線路中心線的正上方。

4）采用普通軌道結構時地面測點垂向最大Z振級超出限值，無法滿足環境振動要求；鋪設橡膠減振墊可使地面測點垂向最大Z振級減小10.0～10.5 dB，且水平振動速度大幅下降，能滿足地面環境振動要求。