小半徑曲線地段鋼軌波磨對于地面振動影響的測試分析

楊 哲，雷曉燕，劉慶杰，馮青松

（華東交通大學 鐵路環境振動與噪聲教育部工程研究中心，南昌 330013）

地鐵由于其優良的抗擁堵性以及快速大運量的特點已經成為緩解城市交通壓力的有力交通工具，并且成為了我國城市居民出行的重要選擇之一。但是在地鐵的小半徑曲線、車輛加減速等地段時常會產生鋼軌波浪形磨耗問題，進而引發車輛軌道結構的疲勞損壞以及一系列的環境振動問題[1]。隨著我國城市化的進程尤其是在城市中心區域，地鐵軌道在設計建造的過程中不可避免地會產生小曲線半徑的設計，而且建筑物與地鐵線路的間距也在不可避免地縮小，這就會對地鐵沿線居民的日常生活以及沿線一些醫院學校內精密儀器的使用產生影響。因此針對小半徑曲線有波磨地段軌道所引起的環境振動問題應該引起重視并展開深入研究。

鋼軌波磨是指發生在投入運營一段時間之后，鋼軌表面的周期性不平順現象[1]。鋼軌波磨問題一直困擾著各國的鐵路部門。線路上存在的大量的異常波磨現象會引起車體、輪對、轉向架等結構的劇烈振動從而加速機車車輛和軌道結構的零部件的損傷，尤其是會降低簧下部件的使用壽命從而增大養護維修成本，降低車輛運行的安全性[2]。針對波磨的成因及發展問題Grassie等[3]總結了鋼軌波磨的分類方式并指出所有波磨都是由于固定頻率問題所引起的磨耗。李偉[4–5]等通過實測研究了未打磨地段與打磨地段車輛通過時造成的鋼軌及車輛零部件振動與波磨的關系。劉涌濤等[6]通過長期監測研究了鋼軌波磨的發生與發展趨勢。針對波磨的快速發現以及檢測定位問題，徐磊,翟婉明[7]通過對輪軌作用力時-頻能量聯合分的析方法提出了一種快速檢測定位鋼軌波磨病害位置和病害程度的新方法。周成、高建敏[8]通過研究輪軌三維瞬態動力學模型以瞬態作用力定位鋼軌波磨病害位置。關于地鐵引起的環境振動問題：雷曉燕[9–10]等總結了城市軌道交通引起的環境振動問題的一般研究方法。Connolly[11]等針對鐵路環境振動提出預測模型并通過它分析了7個歐洲國家17個高速鐵路站點的1 500多個地面振動記錄，驗證了其合理性。袁揚[12]和馮青松等[13]分別通過現場實測的方式測試分析了地鐵小半徑曲線和減震扣件區段所引起的環境振動特征。鄭國琛[14]通過實測和有限元模擬的方式研究了地鐵與地面交通共同作用下引起的環境振動問題。

現階段對波磨的研究主要是集中在鋼軌波磨對車輛運行安全穩定性和軌道設備使用壽命的影響以及波磨成因等相關方面的研究[15]。而列車運行引起環境振動的影響因素較為復雜，針對鋼軌波磨所引起的環境振動問題的研究還相對較少，但由于波磨引起的環境振動影響已經不容忽視，本文從地鐵隧道內波磨對地面環境振動影響的角度出發，分析鋼軌波磨對于隧道上方地面振動的影響。選擇南方某地鐵小半徑曲線鋼軌波磨較為嚴重地段作為實驗對象，并選擇另一段小半徑曲線鋼軌表面狀況良好的地段與之對比。

1 測試概況

測試位置選定為南方某城市地鐵有波磨地段與無波磨地段兩小半徑曲線地段的軌道。兩段均采用了普通鋼筋混凝土短軌枕道床以及普通單指彈條扣件。有波磨地段曲線半徑為300 m，無波磨地段曲線半徑為400 m并且兩處隧道埋深基本一致。測試內容主要分為三部分。第一部分為鋼軌表面波磨測試。采用RMF-1100波磨小車進行檢測如圖1所示。推行過程中采樣間隔為0.002 m，儀器可連續采集左右兩側軌道從而獲得鋼軌表面不平順時程狀況。第二部分為隧道內振動測試如圖2所示。隧道內鋼軌振動加速度測試采用352C04傳感器，軌道板和隧道壁振動加速度測試采用393B04 傳感器。第三部分為地面振動測試。采用中國地震工力所生產的941B 傳感器進行測試。測點布置狀況如圖2所示。由現場調查得到測試期間兩區段列車通過其各測點位置的平均速度分別為59 km/h和63.7 km/h。

圖1 RMF-1100波磨測量小車

圖2 測點位置布置圖

表1 測試位置線路基本情況

表2 測點布置狀況

2 鋼軌波磨實測數據分析

為了分析不同波長下鋼軌的磨耗深度，依據ISO3095 標準[16]及相關研究[17–18]，計算1/3 倍頻程波長的鋼軌表面不平順粗糙度級。不平順粗糙度級可按下式計算：

式中：Lr為鋼軌表面不平順粗糙度級，單位為dB；

rrms為鋼軌表面波磨幅值有效值，單位μm；

r0為鋼軌表面短波不平順參考值，取r0=1μm。

圖3和圖4分別為打磨前后區段鋼軌波磨實測數據局部表面狀況放大圖。取2 m范圍內的鋼軌表面狀況。其中有波磨區段右軌（曲線內軌）表面存在較為明顯的周期性磨耗現象，其特征波長約為200 mm，最大波峰波谷之間相差約0.3 mm。左軌（曲線外軌）表面無明顯周期性磨耗，高低不平順最大差值約為0.1 mm。無波磨地段鋼軌表面并不存在較為明顯的周期性磨耗現象，左右軌高低不平順最大差值約為0.1 mm。依據ISO3095標準[10]計算并繪制得到鋼軌表面不平順等級1/3 倍頻對比圖5。可以看到有波磨區段鋼軌右軌表面的主特征波長存在于波長200 mm～250 mm 區段，次特征波長存在于40 mm附近。而無波磨地段鋼軌表面無特征波磨的波磨。現場實測得到車輛通過測點斷面的平均速度為59 km/h。計算得車輛在通過有波磨地段測點斷面時的通過頻率特征值為410 Hz和65.6 Hz～82 Hz。

圖3 有波磨區段鋼軌不平順局部放大圖

圖4 無波磨區段鋼軌不平順局部放大圖

圖5 有/無波磨區段不平順等級1/3倍頻程對比圖

3 振動加速度測試分析

3.1 隧道內振動加速度分析

圖6為有/無波磨區段鋼軌振動加速度級1/3 倍頻程對比圖。可以得到在有波磨地段鋼軌振動特征頻率為400 Hz 其振動加速度級為162.7 dB，與計算得到的車輛通過頻率410 Hz 相吻合。說明鋼軌40 mm的短波波磨所引起的高頻振動在鋼軌振動中起主要作用。而200 mm～250 mm 的長波引起的65.6 Hz～82 Hz 通過頻率在鋼軌的振動中表現并不明顯。在無波磨地段鋼軌振動加速度的特征頻率出現在80 Hz 與315 Hz 其幅值為137.5 dB。通過對比其振動加速度級，在有波磨地段，鋼軌振動加速度級在各頻段均大于無波磨地段，并且有/無波磨地段內軌振動加速度級均大于外軌。

圖6 有/無波磨地段鋼軌振動加速度

圖7為有/無波磨地段軌道板振動加速度級對比圖，有波磨地段特征頻率為80 Hz和400 Hz，峰值為121.7 dB，與鋼軌波磨引起的車輛通過頻率65.6 Hz～82 Hz和410 Hz相一致。無波磨地段軌道板振動加速度特征頻率為80 Hz，其加速度級為100.4 dB，說明了軌道板的振動的增大是由于鋼軌波磨所引起的。同時有波磨地段軌道板振動加速度級顯著大于無波磨地段。

圖7 有/無波磨地段軌道板振動加速度級對比

圖8為有/無波磨地段隧道壁振動加速度級對比圖。有波磨地段振動特征頻率為80 Hz 和400 Hz，其最大值為106.4 dB，無波磨地段振動加速度級為80 Hz和315 Hz其最大值為94.0 dB。可見有波磨地段隧道壁振動加速度級大于無波磨地段振動加速度級，表明隧道壁的振動加速度級增大是由于鋼軌波磨造成的。而內側隧道壁與外側隧道壁振動加速度級差別不大。表3為隧道內各測點振動加速度級最大值統計表，表中可以看出，在各個測點處有波磨地段振動加速度級均顯著大于無波磨地段。

表3 隧道內測點振動加速度級統計表

圖8 有/無波磨地段隧道壁振動加速度級對比

3.2 地面振動加速度分析

表4 有無波磨地段地面振動加速度級統計表

圖9是有無波磨測試斷面兩地的地面振動狀況對比圖，兩處地面振動的特征頻率均為80 Hz 且有波磨地段地面振動加速度級顯著大于無波磨地段。而80 Hz 的振動與200 mm 的長波波磨引起的車輛通過頻率基本一致，表明有波磨地段地面振動的增大是由于鋼軌表面200 mm 的長波引起的。而短波引起的高頻振動對地面振動的影響并不明顯。

圖9 有/無波磨地點地面振動1/3倍頻程對比圖

3.3 振動傳遞特性分析

對有波磨地段振動加速度數據進行頻域分析，繪制頻譜對比圖如圖10 所示。可以明顯看出振動加速度級沿著鋼軌，軌道板，隧道壁，地面這一傳遞過程中振動加速級處于不斷衰減的過程中，并且高頻振動400 Hz相較于低頻振動80 Hz在傳遞過程中衰減速度相對較快，并且在地面振動中衰減至可忽略狀態。而80 Hz低頻振動在傳遞過程中衰減相對較慢，并在地面振動當中起主要作用。80 Hz振動主要是由于鋼軌200 mm～250 mm波長的特征波磨所引起，400 Hz 振動主要是由于40 mm 特征波長所引起的。因此在研究鋼軌以及隧道內振動狀況時，短波引起的高頻振動應當是研究重點，而在研究波磨引起的地面環境振動的影響時，長波引起的低頻振動在其中起著更為主要的作用。

圖10 有波磨區段各測點振動頻域圖

表5 有波磨地段各測點特征頻率振動加速峰值統計表

4 結語

通過分析有/無波磨地段地鐵引起環境振動問題的現場實測以及鋼軌表面狀況的實測，采集到隧道內以及隧道上方地面各點處振動加速度值。同時測試了有/無波磨處鋼軌表面波磨狀況。對測試數據進行頻譜、1/3 倍頻程振動加速度級分析，研究了測試區域不同測點的環境振動特性，主要結論如下：

（1）鋼軌波磨對于地鐵隧道內及地面振動影響顯著。通過鋼軌打磨可以有效降低鋼軌波磨引起的隧道內及地面振動。

（2）列車通過引起的振動，其幅值在鋼軌-軌道板-隧道壁-地面的傳播過程中逐漸降低，并且高頻振動的下降速度遠大于低頻振動。高頻振動對于地面環境振動基本無影響。

（3）短波波磨相較于長波波磨雖然不平順等級較小但對于鋼軌振動的影響更為劇烈。因此從輪軌力和車輛運行安全角度應重點考慮短波波磨對其的影響。

（4）地面振動加速度級的增大主要是由于鋼軌表面長波波磨所引起的，短波波磨對地面振動的影響并不顯著。因此在研究鋼軌波磨對地面振動的影響時應重點考慮長波波磨的影響。