地鐵車輛段裝配式軌道原位換鋪試驗研究

戴春陽 王璞 趙磊 張艷軍

1.北京市市政工程設計研究總院有限公司，北京 100082；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081

軌道交通是大中型城市主要公共交通形式。截至2021 年底，北京地鐵運營里程已經達到738 km。GB 50157—2013《地鐵設計規范》規定，線路長度大于20 km 時需設置一處車輛段和一處停車場，車輛段和停車場一般統稱為車輛基地。車輛基地平均占地面積約20 萬m2［1］。為集約和充分利用土地資源，有必要對其進行一體化開發。車輛基地的聯合檢修庫和運用庫上蓋區域是一體化開發的重點。

國內外學者對地鐵列車運行引起上蓋振動問題進行了相關研究。With等［2］對瑞典一建筑物在車輛作用下的實測和預測振動進行了對比，推導出傳遞函數和振動衰減規律。鄭鳳霞［3］對香港地鐵車輛段一體化開發情況進行了分析，總結了設置減振軌道以及建筑隔振的方案。馮青松、劉文武等［4-6］將實測數據輸入有限元模型中，模擬分析了車輛段上蓋建筑樓板的振動響應。李曉霖等［7］以北京四惠車輛段為對象建立有限元模型，分析了振動在上蓋建筑中的傳播規律，發現建筑物中豎向振動更顯著。鄔玉斌等［8］建立了三維精細化有限元模型，對地鐵車輛段庫上建筑振動進行仿真分析，提出樓板自振頻率應盡量避開地鐵振動主頻范圍。謝偉平等［9］對杭州某地鐵車輛段上蓋建筑進行了測試，發現增大樓板的厚度及減小跨度會降低樓板的Z振級。何蕾等［10］對北京某地鐵車輛段上蓋開展測試研究，發現軌道結構與咽喉區框架結構柱間的距離及上部結構轉換方式對振動衰減至關重要。曾澤民［11］選取廣州地鐵某車輛段進行現場實測，結果顯示不可忽視水平振動的影響。Zou 等［12-13］通過對廣州和深圳某車輛段的現場實測分析，研究了振動沿地面及建筑物的傳遞規律。

通過對國內外研究現狀的整理分析，發現庫內減振軌道設計、現場測試中存在的主要問題為：①聯合檢修庫和運用庫內（以下簡稱庫內）減振軌道測試還處于“一事一議”狀態，一條線路只能進行一種測試，測試結果不具備普適性。②與正線振動測試數據量相比，庫內測試數據量明顯不足。③庫內振動源強的預測方法主要采用工程類比法和仿真分析法，各工程測試地點、試驗車輛、軌道結構、速度等存在差異，須要對測試結果進行修正，而測試結果不能有效指導仿真分析。④正線采用的減振軌道方案直接在庫內車輛段應用，針對其適用性的測試研究相對較少。

鑒于此，本文通過裝配式軌道原位換鋪試驗，在同一條車輛段庫內線路上，只改變減振墊或扣件，保證其他測試條件相同，設置不同測試斷面，測試不同速度條件下庫內振動源強、軌道結構減振能力、上蓋結構振動、減振軌道垂向自振頻率及阻尼比等內容。

1 原位換鋪試驗設計

1.1 試驗地點

北京地鐵北安河車輛段屬于第四代一體化開發車輛段，具備試驗條件。選擇庫內第20股道作為測試線路，該線路與入段線相連，線形為直線，測試速度可達到25 km/h。該線路不影響運營，可高效率收發車。線路垂直上方為平臺結構。

1.2 測試對象

選取2種橡膠減振墊（滿鋪和條鋪）、1種聚氨酯減振墊（滿鋪和條鋪）、2 種減振扣件、1 種非減振扣件進行測試。其主要參數分別見表1、表2。

表1 減振墊主要參數

表2 扣件主要參數

1.3 試驗方案

1.3.1 試驗車輛

采用同一輛8 節地鐵A 型車作為試驗用車，編組為Tc+Mp+2M+Mp+M+Mp+Tc。其中：Tc 為帶有司機室的拖車，Mp 為帶有受電弓的動車，M 為無受電弓動車。Tc、Mp、M 的質量分別為37.94、39.60 和38.70 t。

1.3.2 測試斷面

測試斷面布置見圖1。斷面1位于庫中部，車輛通過速度為0～15 km/h；斷面2 位于斷面1 左側50 m，車輛通過速度為15 km/h 和15～25 km/h；斷面3 位于斷面1 左側100 m，車輛通過速度為15、25 km/h；斷面4位于斷面1左側150 m，車輛通過速度為15、25 km/h。

圖1 測試斷面布置示意（單位：m）

1.3.3 測點布置

傳感器布置在第20股道的軌道結構、庫內地面及對應的上蓋結構上，見圖2、圖3。

圖2 軌道結構及庫內地面傳感器布置

圖3 上蓋結構傳感器布置（單位：m）

1.3.4 測試周期

出庫運行：試驗車輛加速至15 km/h 并保持勻速或加速至25 km/h 并保持勻速，車頭駛出庫門后勻速運行180 m，然后減速停車，至此完成1次出庫運行。

入庫運行：試驗車輛由庫外以5 km/h 速度返回庫內起點，至此完成1次入庫運行。

1次出庫運行+1次入庫運行組成1個測試周期。

1.3.5 測試流程

通過裝配式軌道分別實現6 種減振墊和3 種扣件的安裝、拆卸并開展相關測試。以鋪設橡膠減振墊A（滿鋪）軌道為例，原位換鋪測試流程見圖4。

圖4 測試流程

2 裝配式軌道設計

裝配式軌道包括預制軌道板、限位裝置、剪力鉸、檢查井等部分，見圖5。

圖5 裝配式軌道平面布置（單位：cm）

裝配式軌道可兼容不同厚度、不同鋪設形式的減振墊和不同高度的扣件，已獲得技術專利［14］。裝配式軌道結構中取消了填充層部分，節省了填充層施工時間，同時具備限位功能，可實現快速拆卸和安裝。綜合施工速度達到150 m/d。

2.1 預制軌道板

預制軌道板為非預應力結構，尺寸為4.70 m（長）×2.32 m（寬）× 0.27 m（厚）。預制軌道板采用C60混凝土，設置上下兩層鋼筋。每塊預制軌道板包含8 對承軌臺，表面設置1∶40軌底坡。

2.2 限位裝置

由在軌道基底上設置的限位凸臺和安裝在限位凸臺上的縱向限位裝置實現縱向限位功能；由安裝在預制軌道板側面的橫向限位裝置實現橫向限位功能。限位裝置由緩沖橡膠、固定墊片、調整墊片和固定螺栓組成，見圖6。

圖6 限位裝置

2.3 剪力鉸及檢查井

兩塊預制板端部設置六邊形空間作為檢查井，用于裝配式軌道檢查和維修。檢查井上加裝蓋板，為人員在軌道表面行走提供條件。在檢查井內部兩側安裝剪力鉸，用以控制列車荷載作用下兩塊預制軌道板端部相對垂向變形差，見圖7。

圖7 剪力鉸與檢查井布置

3 測試結果與分析

本次試驗共得到6 萬條有效數據。根據CJJ/ T 191—2012《浮置板軌道技術規范》采用振動插入損失評價減振軌道的減振效果。不同測試速度下庫內地面振動插入損失見圖8。

圖8 不同測試速度下庫內地面振動插入損失

由圖8 可知：①三種測試速度下振動插入損失由大到小排序基本相同，即聚氨酯減振墊（條鋪）、橡膠減振墊A（滿鋪）、橡膠減振墊A（條鋪）、橡膠減振墊B（條鋪）、橡膠減振墊B（滿鋪）、聚氨酯減振墊（滿鋪）、減振扣件B、減振扣件A。②除測試速度15 km/h 時聚氨酯減振墊（滿鋪）振動插入損失小于減振扣件B 外，其余速度條件下減振墊振動插入損失均大于減振扣件。③三種測試速度下6 種減振墊和2 種扣件5 km/h振動插入損失最大，15 km/h振動插入損失最小。

6 種減振墊軌道的垂向自振頻率（平均值）及阻尼比見表3。可知：①6種減振墊軌道垂向自振頻率由小到大依次為聚氨酯減振墊（條鋪）、橡膠減振墊A（滿鋪）、橡膠減振墊A（條鋪）、橡膠減振墊B（條鋪）、橡膠減振墊B（滿鋪）、聚氨酯減振墊（滿鋪），與庫內地面振動插入損失排序一致。②聚氨酯減振墊和橡膠減振墊B 條鋪時阻尼比均大于滿鋪時，橡膠減振墊A 滿鋪時阻尼比大于條鋪時。

表3 減振墊軌道垂向自振頻率及阻尼比

庫內地面振動加速度級1/3 倍頻程曲線見圖9。可知：在中心頻率50～63 Hz 處振動加速度級出現峰值。根據GB 10071—1988《城市區域環境振動測量方法》及GB/ T 13441.1—2007《機械振動與沖擊 人體暴露于全身振動的評價 第1 部分：一般要求》中的振動測量及計權方法，計算得到以5、15、25 km/h 速度運行時庫內地面振動源強分別為78.1、83.8、86.7 dB，說明庫內地面振動源強隨測試速度提高而增大。

圖9 庫內地面振動加速度級1/3倍頻程曲線

GB 10070 —1988《城市區域環境振動標準》中規定：居民文教區白天環境振動不超過70 dB，夜間環境振動不超過67 dB。上蓋結構振動測試結果見表4。可知：①測試速度為5 km/h 時無論是采用減振墊還是采用扣件，上蓋結構振動均滿足要求；②測試速度為15 km/h時，采用減振墊或扣件時上蓋結構振動均滿足白天要求；采用聚氨酯減振墊（滿鋪）、減振扣件A、B和非減振扣件時，上蓋結構振動不滿足夜間要求；③測試速度為25 km/h 時，采用聚氨酯減振墊（滿鋪）、減振扣件A、B 和非減振扣件時，上蓋結構振動不滿足白天和夜間要求。可見，同時滿足所有速度條件下上蓋結構振動白天和夜間要求的減振軌道結構有橡膠減振墊A、聚氨酯減振墊（條鋪）、橡膠減振墊B。

表4 上蓋結構振動測試結果

4 結論

1）依托北安河車輛段工程，采用原位換鋪技術利用庫內同一條線路對9種軌道結構實現了較理想的單一變量測試，獲得了6萬條有效數據。

2）研發的裝配式軌道結構可快速、無損安裝和拆卸，綜合施工速度達到150 m/d。

3）除測試速度為15 km/h 時聚氨酯減振墊（滿鋪）振動插入損失小于減振扣件B 外，其余速度條件下減振墊振動插入損失均大于減振扣件。

4）庫內地面振動源強隨測試速度提高而增大。8節A 型車編組車輛以5、15、25 km/h 速度行駛時庫內地面振動源強分別為78.1、83.8、86.7 dB，在中心頻率50～63 Hz處出現峰值。

5）同時滿足三種速度條件下上蓋結構白天和夜間振動要求的減振軌道結構有橡膠減振墊A、聚氨酯減振墊（條鋪）、橡膠減振墊B。