地鐵線路中等減振扣件振動測試與減振效果研究

尹華拓，袁 宇，曾志平，黃旭東，謝中林，吳志鵬

（1.廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣州510010；2.南昌大學 信息工程學院，南昌330013；3.中南大學 土木工程學院，長沙410075）

地下鐵道是城市快速軌道交通的先驅，具有運量大、快捷、安全、準時、節省能源、環保等優點[1－4]。但是地鐵通過時會伴隨巨大的振動和噪聲，特別是振動能通過固體傳播更遠[5]。據國家有關統計數據，除工廠和建筑施工之外，交通系統引起的環境振動已是公眾投訴最多的問題，振動雖不足以影響結構的安全性，但是會給使用者帶來不適感，使工作環境惡化，工作效率降低[6]。

為了解決地鐵振動造成的嚴重問題，世界范圍內土木工程師們研發了多種地鐵減振軌道，主要包括鋼彈簧浮置板、隔振墊浮置板、梯形軌枕等[7]。但是以上新型軌道形式往往造價高昂，并且不便于維修，對于經濟實力不強的城市或速度較低的線路而言，使用以上減振裝置性價比較低[8]。而中等減振扣件具有造價低、易于維護、方便調節軌距等優點，十分適合用于一般速度或者減振要求不高的地鐵線路，故具有很好的經濟與技術價值。

中等減振扣件是適用于中等減振要求地段的扣件類型的統稱，其類型有多種，相比普通扣件具有更小的剛度，更大的質量，有些中等減振扣件具有雙層橡膠結構，在同等激勵條件下可以對振動波起到很好的隔振作用，從而達到較好的減振效果。但是由于其結構的整體性不如普通扣件，且剛度較小，在列車荷載作用下其位移幅值一般更大。鑒于中等減振扣件已經逐漸在地鐵軌道中得到廣泛應用，因此開展相關現場測試，并對其振動特性以及鋼軌動態位移進行分析，對于全面評估中等減振扣件的減振性能以及安全設計、優化具有重要意義。圖1 所示為中等減振扣件原理示意圖。

圖1 中等減振扣件原理示意圖

1 測試條件

1.1 線路條件

為研究中等減振扣件在現場行車環境下的鋼軌位移及振動效果，本文在某地鐵中等減振扣件鋪設斷面及普通扣件斷面進行了現場試驗。在鋪設中等減振扣件區間選取2 個測試斷面，在普通扣件整體道床區間選取2 個測試斷面，測試斷面均選在直線段，測試斷面概況見表1。

表1 測試斷面概況

1.2 測點布置

鋼軌相對道床變形通過位移傳感器進行測量。每個測量斷面使用6個位移傳感器，2個用于測量鋼軌相對于道床的垂向變形，4個用于測量鋼軌相對于道床的橫向變形。通過左右兩側軌頭橫向位移之差獲得軌距動態變化量，通過鋼軌上下橫向位移之差獲得鋼軌動態扭矩變形。測點示意圖如圖2、圖3所示。

圖2 鋼軌相對道床垂向變形測試測點布置圖

圖3 鋼軌相對道床橫向變形測試測點布置圖

軌道振動通過加速度傳感器進行測量。每個測量斷面使用6個加速度傳感器，3個用于測量鋼軌垂向加速度和橫向加速度，3個用于測量鋼軌下方道床垂向和橫向加速度。傳感器布置示意圖如圖4、圖5所示。

圖4 中等減振地段鋼軌加速度測試測點布置圖

圖5 中等減振地段道床加速度測試測點布置圖

隧道壁振動通過加速度傳感器進行測量。每個測量斷面使用3個加速度傳感器，2個用于測量隧道壁垂向加速度，1個用于測量隧道壁橫向加速度，現場布置圖如圖6所示。

圖6 中等減振地段隧道壁加速度測試測點布置圖

2 實驗數據分析

2.1 Z振級VLZ及插入損失

Z 振級（VLZ）指列車經過測量斷面時測得的Z振級，是目前最為常用的一個評價指標[9]。對于列車運行引起的環境振動，不同速度下列車速度修正公式為[10]：

式中：v0為源強的參考速度，單位為km/h；v為列車運行速度，單位為km/h。

取20 趟列車通過測試斷面時所測量到的數據進行分析統計，得到兩種扣件形式下各測試斷面隧道壁測點的VLZ值及其振動差值DVLZ，見表2。

從表2可以看出，車速修正為同一速度后，中等減振扣件斷面的Z振級要小于普通扣件斷面的Z振級，兩者差值達到8.92 dB，減振效果達到8 dB以上，說明中等減振扣件對隧道壁的減振效果是明顯的。

表2 中等減振扣件斷面和普通扣件斷面隧道壁VLZ及其振動差值DVLZ

2.2 0～80 Hz頻率1/3倍頻程分析

分別對中等減振扣件和普通扣件斷面測點進行1/3倍頻程分析，得到0～80 Hz頻率范圍內的加速度級的分頻振級[11]。

（1）鋼軌振動分析結果

將中等減振扣件斷面和普通扣件斷面的鋼軌1/3倍頻程豎向和橫向加速度級分別進行對比，如圖7和圖8所示。

圖7 鋼軌豎向1/3倍頻程加速度級對比圖

圖8 鋼軌橫向1/3倍頻程加速度級對比圖

從圖7 可知，中等減振扣件斷面的鋼軌豎向加速度級在斷面YDK8+870 處小于兩個普通扣件斷面；在斷面YDK8+670處小于普通扣件斷面YDK3+960，但大于普通扣件斷面YDK8+50。其原因是在普通扣件斷面YDK8+50 處列車行駛速度較中等減振扣件斷面低，所以普通扣件斷面YDK8+50處的振動較小。從總體來看，對于鋼軌豎向加速度級，中等減振扣件的減振效果較好。

從圖8可知，在0～80 Hz頻率范圍內，兩個中等減振扣件斷面的鋼軌橫向加速度級均小于兩個普通扣件斷面的鋼軌橫向加速度級。所以對于鋼軌橫向加速度級，中等減振扣件的減振效果要優于普通扣件。

（2）道床振動分析結果

將中等減振扣件斷面和普通扣件斷面的道床1/3倍頻程豎向和橫向加速度級分別進行對比，如圖9和圖10所示。

圖9 道床豎向1/3倍頻程加速度級對比圖

圖10 道床橫向1/3倍頻程加速度級對比圖

從圖9可知，在0～80 Hz頻率范圍內，中等減振件斷面的道床豎向加速度級在斷面YDK8+670處顯著小于兩個普通斷面的道床豎向加速度級。雖然受到剛度以及約束的影響，中等減振扣件鋼軌振級與普通扣件相差不大，但是由于其隔振墊層消耗了輪軌之間的大量振動能量，因而達到了優異的減振效果。從總體來看，對于道床豎向加速度級，中等減振扣件的減振效果要優于普通扣件斷面。

從圖10 可知，在0～80 Hz 頻率范圍內，對于中等減振扣件斷面道床橫向加速度級，其振級明顯小于普通扣件，可見中等減振扣件可以有效地對道床的振動進行隔振，由于中等減振扣件主要消耗的是鋼軌振動的能量，因此道床板處的振動會顯著降低。總體來說，對于道床橫向加速度級，中等減振扣件的減振效果要優于普通扣件。

（3）隧道壁振動分析結果

將中等減振扣件斷面和普通扣件斷面的隧道壁1/3倍頻程豎向和橫向加速度級分別進行對比，如圖11和圖12所示。

圖11 隧道壁豎向1/3倍頻程加速度級對比圖

圖12 隧道壁橫向1/3倍頻程加速度級對比圖

從圖11 可知，在0～80 Hz 頻率范圍內，中等減振扣件斷面的隧道壁豎向加速度級在斷面YDK8+670處均小于兩個普通斷面的隧道壁豎向加速度級；在斷面YDK8+870 處，僅在40 Hz 頻率段略高于普通扣件斷面YDK8+50隧道壁豎向加速度級，在其他頻率處均小于兩個普通扣件斷面的隧道壁豎向加速度級。從總體來看，對于隧道壁豎向加速度級，中等減振扣件的減振效果要優于普通扣件斷面。

從圖12 可知，在0～80 Hz 頻率范圍內，中等減振扣件斷面隧道壁橫向加速度級在斷面YDK8+670處基本小于兩個普通扣件斷面的隧道壁橫向加速度級；在斷面YDK8+870處，僅在31.5 Hz～40 Hz頻率范圍內基本大于兩個普通扣件斷面，而在其他頻率處小于兩個普通扣件斷面。總體來說，對于隧道壁橫向加速度級，中等減振扣件的減振效果要優于普通扣件。

2.3 鋼軌動態變形測試結果

（1）中等減振扣件斷面

地鐵列車通過測試斷面時，在中等減振扣件測試斷面測得的鋼軌位移典型實測數據波形如圖13所示，可見列車通過測點的時間約為6.5 s 左右，鋼軌軌頭橫向位移在所測的位移中最大，鋼軌豎向位移次之，鋼軌軌底橫向位移最小。通過位移圖可以十分清晰地看到列車一共有12個輪對，即6節車廂，以此即可對列車的行駛速度進行計算。圖中位移為正值的部分表明列車在經過測點的過程中鋼軌發生了劇烈往復振動，進而導致位移值呈現周期性。

圖13 中等減振扣件斷面各測點鋼軌位移時程圖

取10趟列車經過時鋼軌測點處動態變形最大值如表3所示。

根據圖13 以及表3 可以看出，中等減振扣件斷面處兩鋼軌豎向均呈下沉狀態，下沉量最大值在0.436 mm 速度級；在斷面YDK8+870 處，僅在40 Hz頻率處略高于普通扣件斷面YDK8+50 隧道壁豎向加速度級，在其他頻率處均小于兩個普通扣件斷面的隧道壁豎向加速度級0.587 mm，兩側鋼軌下沉量最大值和平均值分別為0.535 mm和0.503 mm，基本保持一致，下沉均勻；兩側鋼軌軌頭橫向位移相差較大，軌頭橫向位移最大值分別在0.261 mm 速度級；在斷面YDK8+870 處，僅在40 Hz 頻率處略高于普通扣件斷面YDK8+50隧道壁豎向加速度級，在其他頻率處均小于兩個普通扣件斷面的隧道壁豎向加速度級0.430 mm 以及0.654 mm 速度級；在斷面YDK8+870處，僅在40 Hz頻率處略高于普通扣件斷面YDK8+50隧道壁豎向加速度級，在其他頻率處均小于兩個普通扣件斷面的隧道壁豎向加速度級0.769 mm，軌頭橫向位移最大值和平均值分別為0.329 mm和0.721 mm；兩側鋼軌軌底橫向位移最大值均較小，平均值分別為0.081 mm和0.070 mm。

表3 中等減振扣件斷面鋼軌位移/mm

（2）普通扣件斷面

地鐵列車通過測試斷面時，在普通扣件測試斷面測得的鋼軌位移典型實測數據波形如圖14所示。可見列車通過測點的時間約為7 s左右，表明兩個測試地段列車的車速相近，其中鋼軌軌頭橫向位移在所測的位移中最大，鋼軌豎向位移次之，鋼軌軌底橫向位移最小。通過位移圖可見，對于普通扣件地段，鋼軌與軌道板之間的相對位移更小，說明普通扣件的剛度更大，這也是普通扣件減振效果不佳的重要原因。

圖14 普通扣件斷面各測點鋼軌位移時程圖

取10 趟列車經過時鋼軌測點處動態變形最大值如表4所示。

根據圖14 以及表4 可以看出，普通扣件斷面處兩鋼軌豎向均呈下沉狀態，下沉量最大值在0.324 mm～0.483 mm 之間，兩側鋼軌下沉量最大值和平均值分別為0.349 mm和0.434 mm；兩側鋼軌軌頭橫向位移相差較大，軌頭橫向位移最大值分別在0.403 mm～0.506 mm 以及0.180 mm～0.271 mm 之間，軌頭橫向位移最大值和平均值分別為0.461 mm 和0.228 mm，兩側橫向位移相差略大；兩側鋼軌軌底橫向位移最大值均較小，但鋼軌軌底一側內移、一側外移，其平均值分別為-0.093 mm和0.132 mm。

表4 普通扣件斷面YDK8+50鋼軌位移/mm

（3）對比分析

根據10 趟列車經過兩種扣件斷面時鋼軌測點處動態變形最大值的平均值進行統計，以平均值加減2.5倍的標準差為量值進行計算，對比分析結果如表5所示。

從表5 可以看出，中等減振扣件的鋼軌豎向位移、軌頭橫向位移、軌距變化量（“-”表示軌距減小，“+”表示軌距增大）比普通扣件的有所增加，但是其軌距變化量最大值小于3 mm，并且與普通扣件相差不大，說明減振扣件在提升減振效果的同時，也能滿足列車安全、穩定的運營要求。

表5 兩種扣件鋼軌動態變形對比

3 結語

（1）車速修正為同一速度后，通過對比兩種扣件設置情況下隧道壁的振動效果，可以發現中等減振扣件斷面的Z 振級要小于普通扣件斷面的Z 振級，兩者差值達到8.92 dB，減振效果達到8 dB以上，說明中等減振扣件能有效降地鐵低列車通過所引起的隧道壁的振動。

（2）相近速度情況下，中等減振扣件斷面的鋼軌豎向加速度級小于普通扣件斷面的鋼軌豎向加速度級，表明其能促進鋼軌振動能量消耗。

（3）中等減振扣件斷面的鋼軌、道床以及隧道壁的加速度級顯著小于普通扣件斷面，可見對于鋼軌、道床以及隧道壁的加速度級，中等減振扣件的減振效果要優于普通扣件。

（4）根據鋼軌動態變形測試結果可知，雖然中等減振扣件的鋼軌豎向位移、軌頭橫向位移、軌距變化量比普通扣件的有所增加，但是其增加值均在允許范圍內，可以滿足列車安全運營的要求。

（5）本研究對于中等減振扣件的設計以及地鐵線路扣件安全性能評估具有參考與借鑒意義。