小半徑曲線鋼軌波磨對振動和二次噪聲影響試驗研究

邵 壯，郭 驍，吳思行

（中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055）

1 引言

鋼軌波磨經常出現在小半徑曲線地段[1]；鋼軌波磨嚴重增加行車產生的軌道振動，是軌道典型病害[2]之一。列車經過波磨地段時，輪軌動力有顯著的提高[3]；較大的輪軌動力會加劇鋼軌波磨的劣化[4]。由于列車運營速度在同一區間往往保持一致，特定波長的波磨和列車速度耦合作用會對軌道產生某種特定頻率[5]的振動。長此以往，小半徑曲線地段產生的波磨逐漸加劇，輪軌動力產生的振動對于地面建筑振動和室內二次噪聲有著極為不利的影響[6]。

文獻[7-9]分別從軌道結構、輪軌摩擦自激、力學參數方面對小半徑曲線鋼軌波磨進行研究，提出鋼軌波磨的產生機理。文獻[10]研究鋼軌波磨對輪軌動力響應的影響，揭示鋼軌波磨與輪軌動力增加的規律。文獻 [11-12]通過數值仿真和現場測試，對地鐵車輛經過時引起地面振動和室內二次噪聲的規律進行詳細的闡述。

綜上所述，小半徑曲線段鋼軌波磨引起的輪軌動力、軌道振動、地面振動和二次噪聲都是軌道工程研究的重點課題。因此，有必要針對地鐵小半徑曲線段鋼軌波磨對地面振動和二次噪聲的影響進行研究。本文采用現場實車測試的方法，在地鐵某鋼軌波磨的曲線段開展地下和地上測試，通過對比不同行車速度下鋼軌打磨前后振動和室內二次噪聲數據變化，研究小半徑曲線段鋼軌波磨對振動和二次噪聲的影響。

2 線路概況及測試概況

2.1 線路概況

本試驗開展于某小半徑曲線波磨嚴重地段。該區段為地下線，曲線半徑R= 400 m，線路設置為雙線，線間距15 m；其中車輛上行方向與目標建筑物的距離最近，垂直距離為24.3 m。目標建筑物與線路的平面關系如圖 1所示。

在本線路該區段的隧道內，鋼軌存在較嚴重的波磨，同時還出現扣件彈條飛出、軌面剝離等部分病害，如圖2所示。這說明現場線路條件較差，列車通過該地下區段可能引發的振動較強。據調研，在線路運營期間，經常出現較明顯的噪聲并伴有可感知的周期性持續振動。

2.2 測試設備

本試驗采用INV3062V型8通道數據采集儀配合振動和噪聲傳感器進行測試和數據采集、存儲。傳感器型號、參數及所用位置如表1所示。

表1 傳感器型號及參數

2.3 測點布置

隧道內振動測點分別在鋼軌、道床和隧道壁布置；地上振動測點分別在房間中部、墻外0.5 m位置和墻外5 m位置布置；地上噪聲測點布置于房間內，距離地面1.2 m，測試時保持房屋門窗緊閉。隧道內測點布置示意如圖3所示。地上室內和室外振動測點布置示意如圖4所示，分為振動測點1～測點3。

3 鋼軌打磨前后隧道內振動分析

（1）表2給出了實施鋼軌打磨前后，在列車運行速度分別為40 km/h、50 km/h和60 km/h時，隧道內各測點振動加速度峰值。由表2可知，隨著行車速度的降低，鋼軌、道床和隧道壁振動加速度的峰值逐步降低。在相同行車速度的條件下，鋼軌打磨后的振動加速度峰值明顯小于鋼軌打磨前。在鋼軌打磨后，根據不同速度的測試結果統計計算，鋼軌振動峰值降低約413 ～503 m/s2，約45%～62%，道床板振動峰值降低約3.23 ～11.62 m/s2，約26%～53%，隧道壁振動峰值降低0.267～1.251 m/s2，約23%～55%。

表2 鋼軌打磨前后隧道內振動加速度峰值

（2）表3給出了鋼軌實施打磨前后，在列車運行速度分別為40 km/h、50 km/h和60 km/h時，隧道內各測點的最大Z振級。由表3可知，在不同行車速度等級下，鋼軌打磨后各測點的最大Z振級均有較大程度的降低。行車速度等級越高時，鋼軌打磨對隧道內的振動抑制越顯著。在行車速度為60 km/h時，鋼軌打磨降低隧道內鋼軌、道床板和隧道壁的振動量級分別為4.716 dB、9.936 dB和9.324 dB。

表3 鋼軌打磨前后隧道內最大Z振級（VLzmax）

4 鋼軌打磨前后地面和室內振動分析

（1）表4給出了實施鋼軌打磨前后，在列車運行速度分別為40 km/h、50 km/h和60 km/h時，測點1（室內）、測點2和測點3的振動加速度峰值。由表4可知，隨著列車行車速度的提高，地面振動測點的振動加速度峰值有增大的趨勢。當行車速度為60 km/h時，鋼軌打磨前測點1振動加速度最大，為0.635 m/s2；當行車速度為50 km/h時，鋼軌打磨后測點2振動加速度最小，為0.053 m/s2；地面振動加速度雖然隨著行車速度的提高有逐漸增大的趨勢，但這一規律并不完全成立。例如，鋼軌打磨后3個測點在車速40 km/h 時的振動加速度反而均大于車速50 km/h時，前者（車速40 km/h時）分別為0.127 m/s2、0.062 m/s2、0.060 m/s2，而后者（車速50 km/h時）分別為0.110 m/s2、0.053 m/s2、0.058 m/s2。另外，打磨前3個測點在低車速下的振動均小于高車速下的振動；這說明在地鐵波磨較嚴重的地段，限速措施并不一定會起到良好的效果，消除鋼軌波磨是降低地面振動更有效的措施。

表4 鋼軌打磨前后地面和室內振動加速度時程峰值

（2）表5給出了實施鋼軌打磨前后，在列車運行速度分別為40 km/h、50 km/h和60 km/h時，隧道內各測點的最大Z振級。由表5可知，鋼軌打磨前地面振動的最大Z振級處于較高水平，鋼軌打磨后地面振動最大Z振級有顯著的降低。行車速度為40 km/h時，3個測點在鋼軌打磨后振動最大Z振級分別降低了10.55 dB，9.51 dB和6.94 dB；行車速度為60 km/h時，3個測點在鋼軌打磨后振動最大Z振級分別降低了14.06 dB，15.16 dB和12.7 dB。

（3）由表5可知，在鋼軌打磨前，室內外各振動測點的最大Z振級在40～60 km/h 3個階段分別提高了約2.5～3 dB和3～4 dB。在鋼軌打磨后，室內外各振動測點的最大Z振級在車速為40 km/h和50 km/h時處于相近的水平，平均小于車速為60 km/h時約2～3.5 dB。在鋼軌波磨段，打磨措施對于降低地面振動的最大Z振級指標有極明顯的效果，單純采取限速措施在鋼軌波浪形磨耗較嚴重時才能起到降低約3 dB /（10 km/h）的效果。當鋼軌不存在較明顯波浪形磨耗時，限速措施對于降低地面振動的效果不明顯。

表5 鋼軌打磨前后地面和室內最大Z振級（VLzmax）

（4）根據GB 10070-1988《城市區域環境振動標準》[13]，交通干線道路兩側區域地面振動晝間限值75 dB，夜間限值72 dB。鋼軌打磨前后，不同速度條件下測點1（室內）振動的超標量如表6所示。由表6可知，在鋼軌打磨前，測點1（室內）振動加速度的最大Z振級在3個行車速度條件下均存在不同程度的超標，速度越高，超標量越大，最大超標量為15.71 dB。在鋼軌打磨后，測點1（室內）振動加速度的最大Z振級均不超晝間標準，在行車速度為60 km/h時，超夜間標準 1.65 dB。

表6 鋼軌打磨前后室內振動超標量（VLzmax） dB

5 鋼軌打磨前后室內二次噪聲分析

（1）表7給出了實施鋼軌打磨前后，在列車運行速度分別為40 km/h、50 km/h和60 km/h時，隧道內各測點的二次噪聲最大A聲壓級。由表7可知，當行車速度由60 km/h降低到50 km/h時，室內二次噪聲降低了5.68 dB；當行車速度由50 km/h降低到40 km/h時，室內二次噪聲降低了0.91 dB。3個速度等級下，鋼軌打磨后室內二次噪聲降低值分別為13.06 dB、13.1 dB和16.99 dB，說明鋼軌打磨對于降低室內二次噪聲有顯著作用，限速措施對于降低室內二次噪聲的作用相對較弱。

表7 鋼軌打磨前后室內二次噪聲最大A聲壓級（LAeq）

（2）根據GB 10070-1988《城市區域環境振動標準》，交通干線道路兩側區域室內二次噪聲晝間限值45 dB，夜間限值42 dB。鋼軌打磨前后，不同速度條件下室內二次噪聲的超標量如表8所示。由表8可知，在鋼軌打磨前，地面建筑室內二次噪聲在3個行車速度條件下均超過晝間和夜間標準，最大超標量為11.52 dB；在鋼軌打磨后，地面建筑室內二次噪聲在所測試工況中均不超標。

表8 鋼軌打磨前后室內二次噪聲超標量 dB

6 結論

本文在列車通過速度分別為40 km/h、50 km/h和60 km/h的條件下，分別測試了鋼軌打磨前后隧道內振動和地面建筑的振動和二次噪聲，結論如下。

（1）鋼軌打磨前后，在行車速度為40 km/h、50 km/h、60 km/h時，隧道壁振動分別降低約2.4 dB、5.1 dB、9.3 dB；地面振動分別降低約9.0 dB、11.7 dB、14.0 dB；室內二次噪聲分別降低約13.1 dB、13.1 dB、17.0 dB。說明當速度等級越高時，鋼軌打磨對于降低振動和噪聲的效果越明顯。

（2）鋼軌打磨前，行車速度為40 km/h、50 km/h、60 km/h時，室內振動分別超晝間標準7.27 dB、9.44 dB、12.71 dB，超夜間標準10.27 dB、12.44 dB、15.71 dB；室內二次結構噪聲分別超晝間標準1.93 dB、2.84 dB、8.52 dB，超夜間標準4.93 dB、5.84 dB、11.52 dB。說明鋼軌波磨情況的長期存在，勢必造成地面建筑振動和二次噪聲超標的情況出現。

（3）鋼軌打磨后，室內最大Z振級僅在行車速度為60 km/h時超標1.65 dB，室內二次噪聲在3個速度下均不超標，說明鋼軌打磨和限制行車速度對于降低地面建筑振動和二次噪聲有顯著的效果。在某些工況下，可通過鋼軌打磨和列車限速措施配合使用來抑制振動和噪聲超標問題。

（4）綜合本文的測試成果，當鋼軌存在嚴重波磨時，降低行車速度并未對抑制振動和噪聲起到良好效果，而鋼軌打磨后，地面振動和室內二次噪聲指標出現了顯著的降低。這說明保持良好的軌道狀態是降低地鐵引起環境振動和噪聲的根本所在，限制行車速度只能暫時緩解振動和噪聲超標問題。