廣州地鐵1號線橡膠浮置板道床服役性能評估

李秋義，羅 偉，朱 彬，王森榮，全順喜，李路遙

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063； 2.鐵路軌道安全服役湖北省重點實驗室，武漢 430063)

1997年，浮置板道床引入國內(內地)，在廣州地鐵1號線首次應用[1-4]，時至今日，其服役時間已長達20年以上，開行6節編組A型列車。廣州地鐵1號線浮置板道床以橡膠支座為隔振元件，考慮到在地下線路隧道內的極端環境下(潮濕、臭氧等)，橡膠材料長期服役中可能發生的老化、變形、破損直接關系到浮置板道床的安全服役和減振性能[5-7]，有必要對歷經長期服役后浮置板道床的各項性能進行全面、系統的評估，故對廣州地鐵1號線浮置板道床開展試驗研究。

1 浮置板道床設計概況

廣州地鐵1號線正線共鋪設浮置板道床1 110 m，為單元式橡膠支座浮置板道床，每塊浮置板長2.95 m，寬2.8 m，板中央最厚處0.335 m，邊緣處厚0.3 m，質量約6.5 t。標準浮置板板底預制有4個圓形凹槽，安裝4個橡膠支座，橡膠支座為天然橡膠制品，直徑為400 mm，厚75 mm。橡膠支座設計靜剛度為12～16 kN/mm，側向緩沖膠墊橫向靜剛度為3.2～4.2 kN/mm[2]。浮置板道床地段扣件采用單趾彈簧扣件，軌道典型橫斷面如圖1所示。

圖1 廣州地鐵1號線浮置板道床典型橫斷面

2 現場試驗及分析

2.1 橡膠支座外觀檢測

對橡膠支座外觀的現場檢測采用電子視頻內窺鏡。如圖2所示，電子視頻工業內窺鏡由顯示器、操縱桿、線纜、探頭四部分組成，其中，探頭一般由兩部分組成：光源和微型攝像機。內窺鏡工作原理如下：微型攝像機在光源的照射下對場景進行拍攝，然后將拍攝到的圖像轉為數字信號由線纜輸送到顯示屏上顯示[8]。

圖2 工業用電子視頻內窺鏡

采用“隔一抽一”的抽檢方法(隔一塊浮置板抽一塊浮置板進行檢測)，抽取了地鐵1號線50%的浮置板道床，對其橡膠支座進行檢測。現場獲取的橡膠支座外觀圖像如圖3、圖4所示，外觀檢測主要結論如下：

圖3 橡膠支座外觀檢測圖像一

圖4 橡膠支座外觀檢測圖像二

①未見明顯的裂縫；

②未見明顯的破損掉塊；

③橡膠支座與道床板之間、與隧道基底之間均未見明顯的脫空、離縫；

④橡膠支座未見明顯的傾斜、偏移；

⑤檢測期間橡膠支座未見潮濕、泡水；

⑥部分橡膠支座出現表層龜裂、脫皮，約占檢測總量的11%。

2.2 橡膠支座實驗室檢測

采用“取一還一”的方式從廣州地鐵1號線獲取橡膠支座樣品3個，進而對橡膠支座的力學性能參數進行實驗室檢測，檢測項目包括：外觀尺寸、邵氏硬度、拉伸強度、拉斷伸長率、恒定壓縮永久變形、靜剛度和動剛度。橡膠支座樣品如圖5所示，橡膠支座剛度檢測裝置如圖6所示。

圖5 橡膠支座樣品

圖6 橡膠支座剛度檢測裝置

橡膠支座力學性能參數實驗室檢測結果見表1，支座永久變形后尺寸與設計尺寸的差值小于1 mm，拉伸強度、靜剛度均滿足設計要求。橡膠支座材料邵氏硬度值較設計上限值增大約15%，拉斷伸長率較設計下限值降低約9.5%，表明其在歷經長時間服役后存在一定程度的硬化。

表1 橡膠支座力學性能參數實驗室檢測結果

2.3 浮置板道床自振特性

本研究完成了浮置板道床自振特性的現場測試，如圖7所示。地鐵1號線浮置板道床分塊長度為2.95 m，共布置了3排測點，如圖8所示，每一排測點6個，每一測點安裝垂向加速度傳感器1個。采用剛性力錘作為激振設備，以測點3、測點4、測點15、測點16作為4個錘擊點。

圖7 浮置板道床自振特性現場測試

圖8 浮置板道床自振特性測試測點布置示意

采用隨機子空間法對浮置板道床的模態和模態參數進行識別[9]，地鐵1號線浮置板道床1～7階模態對應的自振頻率和阻尼測試結果見表2，1階固有頻率為33.9 Hz，對應的結構阻尼為6.866%。圖9所示為1～7階模態的振型相關矩陣，矩陣主對角元素均為1，其余元素的值都很小，表明經識別得出的1～7階模態振型正交性好，識別結果具有較高的可信度。

圖9 振型相關矩陣

表2 浮置板道床1～7階固有頻率和阻尼

2.4 浮置板道床減振效果2.4.1 測試斷面及測點布置

結合線路、行車等資料，研究選取了2個斷面開展現場測試(表3)。用以評價浮置板道床減振效果的加速度測點布置于隧道側壁距鋼軌頂面1.5 m處，現場安裝如圖10所示。所用加速度傳感器經第三方檢測機構檢定為合格品，量程為10 g，分辨率為0.000 4 m/s2。

表3 各測試斷面概況

圖10 隧道側壁垂向加速度傳感器現場安裝

2.4.2 測量量

對標HJ453—2018《環境影響評價技術導則 城市軌道交通》、GB10070—88《城市區域環境振動標準》、GB10071—88《城市區域環境振動測量方法》，測量量采用列車通過過程中Z振級VLz的最大值[10-15]，即VLzmax，如圖11所示。

圖11 列車通過過程中Z振級VLz的典型時程曲線

分析頻率1～80 Hz，計權因子采用ISO2631/1—1985《人體全身振動暴露的評價-第1部分：一般要求》規定的全身Z計權因子，見表4。

表4 ISO2631/1-1985規定的Z計權因子

針對一個過車事件的振動加速度數據，將其劃分為若干個1 s長度的數據段落(可考慮一定的重疊系數)，計算每一段落數據Z振級VLz的方法詳述如下：對振動加速度數據時程數據做傅里葉變換，找出各中心頻率對應頻帶內的振動分量，對找出的振動分量做傅里葉逆變換，進而可按式(1)求得各中心頻率對應的加速度有效值aw。

(1)

式中，aw(t)為頻率位于某一中心頻率對應頻帶內的加速度數據，為時間函數；T為測量時間長度。

進一步的Z振級VLz計算公式為

(2)

式中，Wj為第j個中心頻率對應的計權因子；awj為第j個中心頻率對應頻帶內的加速度有效值；a0為基準加速度，a0=10-6m/s2。

浮置板道床減振效果Δ計算公式如下

Δ=VLzmax1-VLzmax2

(3)

式中，VLzmax1為普通軌道地段列車通過過程中Z振級VLz的最大值；VLzmax2為浮置板道床地段列車通過過程中Z振級VLz的最大值。

2.4.3 測試結果[16-20]

列車經過時刻，斷面1與斷面2隧道側壁垂向加速度級頻域分布對比如圖12所示，相較普通軌道，浮置板道床顯著降低了隧道側壁垂向加速度級，35 Hz以上為浮置板道床的有效減振頻段，35～80 Hz內隧道側壁分頻振級較普通軌道最大減小16 dB，對應頻率63 Hz。

圖12 不同斷面隧道側壁垂向加速度級頻域分布曲線

斷面1、斷面2隧道側壁VLzmax計算值見表5，浮置板道床減振效果測試結果為12.9 dB。

表5 斷面1、斷面2隧道側壁VLzmax計算值

2.5 浮置板道床動態位移

在斷面2所在位置選取浮置板道床開展動態位移測試，測點布置如圖13所示，其中，鋼軌位移為鋼軌與道床的相對位移，道床位移為道床與隧道回填層的相對位移。所用位移傳感器經第三方檢測機構檢定為合格品，量程為±10 mm，精度可達0.01 mm。列車通過時刻浮置板道床動態位移典型時程曲線如圖14所示，動態位移曲線多處峰值反映了車輪經過測試斷面時的沖擊作用。鋼軌、道床動態位移幅值統計值見表6，浮置板垂向動態位移幅值均值，板端為1.32 mm，板中為1.21 mm，小于CJJ/T 191—2012《浮置板道床技術規范》中限值3 mm。鋼軌垂向動態位移幅值均值，板端為3.5 mm，板中為2.5 mm，小于《浮置板道床技術規范》中限值4 mm。

圖13 浮置板道床動態位移測點平面布置

圖14 浮置板道床動態位移典型時程曲線(道床垂向)

表6 鋼軌、道床動態位移幅值統計 mm

3 結論

結合實驗室和現場試驗，對廣州地鐵1號線浮置板道床相關性能現狀進行了系統研究，得出以下主要結論。

(1)浮置板道床橡膠支座除少部分表層龜裂、脫皮外，外觀狀態總體保持良好。

(2)除邵氏硬度、拉斷伸長率測試結果反映出存在一定程度的硬化外，浮置板道床橡膠支座的其余力學性能指標仍滿足設計要求。

(3)浮置板道床1階固有頻率測試結果為33.9 Hz，減振效果保持良好(可減振12.9 dB)，浮置板道床的有效減振頻段位于35 Hz以上。

(4)列車通過時刻，浮置板道床地段鋼軌、道床垂向位移幅值低于《浮置板道床技術規范》所給相關限值。

(5)綜合各項指標的測試結果表明，在服役時長達20年后，浮置板道床的狀態總體保持良好，具備維持正常服役的條件。