成都市域快軌減振措施效果分析

謝玉梅，賀玉龍，徐 鴻，程宇杰，周文祥

（1.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，成都 611756；2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司生態(tài)環(huán)境設(shè)計(jì)研究院，成都 610031）

1 研究背景

截至2022 年年底，我國(guó)內(nèi)地累計(jì)運(yùn)營(yíng)城市軌道交通線路10 287.45 km，成都市城市軌道交通運(yùn)營(yíng)線路長(zhǎng)度達(dá)652.04 km[1]。與此同時(shí)，環(huán)境振動(dòng)污染日益突出，已經(jīng)對(duì)沿線人們的日常生活造成了諸多不便，投訴事件時(shí)有發(fā)生。

目前，多位學(xué)者對(duì)地鐵環(huán)境振動(dòng)開展了研究。韋凱等[2]利用室內(nèi)試驗(yàn)與模擬探討規(guī)范中減振墊浮置板軌道減振效果評(píng)價(jià)的合理性。曾飛[3]分析了適用于市域鐵路的減振措施。韓藝翚[4]通過實(shí)測(cè)對(duì)比了地鐵5 種減振措施的減振效果。于坤宏[5]通過對(duì)多個(gè)城際鐵路的環(huán)評(píng)預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值對(duì)比分析得知，城際鐵路的振動(dòng)源強(qiáng)偏低。金浩[6]探究了新型隔振材料—橡膠混凝土面支撐浮置板軌道的動(dòng)力特性。Zhang[7]分別實(shí)測(cè)南昌地鐵1 號(hào)線和上海地鐵11 號(hào)線，研究了地鐵隧道的列車振動(dòng)特性。陳俊豪[8]通過實(shí)測(cè)時(shí)速130 km/h 的城際鐵路的隧道鋼軌、道床板和隧道壁振動(dòng)，分析得出振動(dòng)能量在各個(gè)位置的主要頻段。

市域快軌的運(yùn)行速度遠(yuǎn)高于地鐵的運(yùn)行速度，但現(xiàn)階段對(duì)于市域快軌減振措施的減振效果研究較少。本文選取成都新建市域快軌18 號(hào)線某圓形盾構(gòu)隧道，對(duì)不同減振措施的振動(dòng)加速度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，分析不同減振措施的減振效果，以期為今后市域快軌的減振措施選型提供借鑒。

2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

2.1 測(cè)試條件

成都市域快軌18 號(hào)線車輛全長(zhǎng)188.42 m，寬3 000 mm，高3 842 mm，8A 編組，時(shí)速達(dá)到140 km/h，列車的受電方式為AC25 kV。18 號(hào)線參數(shù)如表1 所示。

表1 成都市域快軌18 號(hào)線參數(shù)Table 1 Parameters of Chengdu Metro Line 18

隧道結(jié)構(gòu)為圓形盾構(gòu)隧道，內(nèi)徑7.5 m，外徑8.3 m，管片厚度0.4 m，直線段地下線。隧道所處地層為富水砂卵石層與泥巖。

2.2 測(cè)試儀器

采用8 通道信號(hào)采集儀INV3060A，采集列車通過隧道壁時(shí)的垂向振動(dòng)加速度，傳感器選用壓電式加速度傳感器，型號(hào)為L(zhǎng)C0115T，量程為1 g，靈敏度5 000 mV/g，頻率范圍為0.1～1 500 Hz(±10%)。

2.3 測(cè)試斷面

現(xiàn)場(chǎng)共測(cè)試6 個(gè)斷面，分別是雙層非線性減振扣件(簡(jiǎn)稱“雙非扣件”)、減振墊浮置板、鋼彈簧浮置板及各自對(duì)應(yīng)的普通道床。測(cè)試斷面線路條件基本相同且距離相近，均為直線段圓形盾構(gòu)隧道。軌道參數(shù)如表2 所示。

表2 軌道參數(shù)Table 2 Orbital parameters

2.4 測(cè)點(diǎn)布置

每個(gè)斷面測(cè)試隧道壁的垂向振動(dòng)加速度，測(cè)點(diǎn)位于距離軌頂面1.5 m 的隧道壁上。每一組普通道床與減振措施斷面同區(qū)間同步進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試采集全天數(shù)據(jù)，選取10 組代表性數(shù)據(jù)，以減少隨機(jī)誤差，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試如圖1 所示。測(cè)試按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行[9-15]。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試Figure 1 Field test

2.5 評(píng)價(jià)指標(biāo)

評(píng)價(jià)量為單次列車通過時(shí)間內(nèi)的最大Z振級(jí)(VLZmax)，減振效果評(píng)價(jià)量為減振軌道與普通整體道床對(duì)比段隧道壁VLZmax的差值ΔVLZmax。

為對(duì)不同測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析，利用《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 城市軌道交通》(HJ453—2018)[10]中的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行修正。由于在測(cè)試過程中，選取條件相似的路段同區(qū)間同步進(jìn)行測(cè)試，故軸重、簧下質(zhì)量、輪軌條件、隧道形式、距離衰減、建筑物類型和行車密度均一致，故列車振動(dòng)修正公式計(jì)算如式(1)所示。

式中，VLZmax為修正后的VLZmax，dB；VLZ0max為列車運(yùn)行振動(dòng)源強(qiáng)，dB；CV為振動(dòng)修正，按式(2)計(jì)算。

式中，V為列車通過減振斷面的運(yùn)行速度，km/h；V0為源強(qiáng)的列車參考速度，km/h。

3 測(cè)試結(jié)果分析

3.1 市域快軌振動(dòng)源強(qiáng)

本次測(cè)試成都市域快軌18 號(hào)線市域A 型車的振動(dòng)源強(qiáng)為69.6 dB(列車運(yùn)行速度96 km/h)，大大低于環(huán)評(píng)階段采用的源強(qiáng)87.2 dB(列車運(yùn)行速度60 km/h)，也低于成都市目前A 型車和B 型車的實(shí)測(cè)振動(dòng)源強(qiáng)，見表3。

表3 成都市軌道交通地下線典型振動(dòng)源強(qiáng)Table 3 Typical vibration source intensities of Chengdu rail transit underground lines

出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要有：①該市域快軌軌面靜態(tài)平順度參照高鐵標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行CPIII 標(biāo)準(zhǔn)，軌面的平順度遠(yuǎn)超一般的地鐵線路；②此線剛投入運(yùn)營(yíng)，輪軌條件好，不存在鋼軌波磨現(xiàn)象；③此線的盾構(gòu)隧道比其他地鐵線路的隧道內(nèi)徑大，成都地鐵其他線路盾構(gòu)隧道內(nèi)徑5.4 m，而18號(hào)線盾構(gòu)隧道內(nèi)徑7.5 m；④此線的盾構(gòu)隧道管片更厚，18 號(hào)線管片厚度0.4 m，其他線路管片厚度0.3 m，屬于重型隧道結(jié)構(gòu)，有利于減振。

3.2 雙非扣件與普通道床段結(jié)果分析

選取10 組代表性直線段圓形盾構(gòu)隧道數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以消除隨機(jī)干擾。雙非扣件段與普通道床段隧道壁典型時(shí)域曲線分別如圖2、圖3 所示。

杏子就去了公社衛(wèi)生院，這回不是她一個(gè)人，招財(cái)找支書扯了個(gè)謊，說公社里要開會(huì)，也去了，不過沒有同行，杏子走前頭，他走后頭。還是那位眼鏡醫(yī)生，怎么又來了，哪里不舒服嗎？杏子搖搖頭，說我不想生，想打掉。眼鏡醫(yī)生問，帶單位證明了嗎？杏子又搖搖頭。眼鏡醫(yī)生說，不論是刮宮還是引產(chǎn)，都得有單位證明的，你快回去開一個(gè)吧！

圖2 雙非扣件段隧道壁典型時(shí)域曲線Figure 2 Typical time-domain curve of double-layer nonlinear vibration reduction fastener

圖3 普通道床段隧道壁典型時(shí)域曲線Figure 3 Typical time-domain curve of ordinary integral ballast bed

由圖2～3 可知，直線段雙非扣件測(cè)試斷面和普通道床測(cè)試斷面的隧道壁垂向振動(dòng)加速度峰值分別為0.236 m/s2和0.256 m/s2，有效值分別為0.040 1 m/s2和0.045 8 m/s2。

雙非扣件段與普通道床段隧道壁典型1/3 倍頻程曲線如圖4 所示。

圖4 雙非扣件與普通道床段隧道壁1/3 倍頻程Figure 4 Double-layer nonlinear fastener and ordinary integral ballast bed, one-third octave

由圖4 可知，雙非扣件段和普通道床段隧道壁測(cè)點(diǎn)的垂向加速度頻譜峰值主要分布在50～63 Hz。雙非扣件的減振范圍為5～40 Hz 和80～200 Hz；在6.3～25 Hz 和63～125 Hz 減振效果明顯；在12.5 Hz減振效果最好，達(dá)到了17.3 dB。但是在1～5 Hz 存在振動(dòng)放大現(xiàn)象。

雙非扣件段隧道壁的VLZmax為63.4 dB，普通道床段隧道壁的VLZ0max為69.6 dB。普通道床段列車運(yùn)行速度為96 km/h，雙非扣件段列車運(yùn)行速度為109 km/h。由式(2)，普通道床段的速度修正量為1.1 dB，修正后普通道床段的VLZmax為70.7 dB，因此，雙非扣件的減振效果為7.3 dB。

3.3 減振墊浮置板與普通道床段結(jié)果分析

減振墊浮置板與普通道床段典型時(shí)域曲線分別如圖5、圖6 所示。減振墊浮置板和普通道床測(cè)點(diǎn)的隧道壁垂向振動(dòng)加速度峰值分別為0.014 6 m/s2、0.261 m/s2，有效值分別為0.002 89 m/s2、0.051 6 m/s2。

圖5 減振墊浮置板段隧道壁典型時(shí)域曲線Figure 5 Typical time-domain curve of shock-absorbing pad-floating plate

圖6 普通道床段隧道壁典型時(shí)域曲線Figure 6 Typical time-domain curve of ordinary integral ballast bed

減振墊浮置板段與普通道床段隧道壁典型1/3 倍頻程曲線如圖7 所示。減振墊浮置板段和普通道床段隧道壁的垂向加速度頻譜峰值主要分布在63 Hz 附近。減振墊浮置板道床的減振范圍為31.5～200 Hz；在160 Hz 減振效果最好，達(dá)30 dB。但是在1～5 Hz 有振動(dòng)放大的效果。

圖7 減振墊浮置板與普通道床段隧道壁1/3 倍頻程Figure 7 One-third octave band between floating plate of vibration damping pad and ordinary integral track bed

普通道床段的列車運(yùn)行速度為106 km/h，減振墊浮置板段的列車運(yùn)行速度為107 km/h。減振墊浮置板段隧道壁的VLZmax為49.9 dB，普通道床段隧道壁的VLZ0max為66.0 dB。由式(2)，普通道床段的速度修正值為0.1 dB，普通道床速度修正后的VLzmax為66.1 dB。減振墊浮置板的減振效果為16.2 dB。

3.4 鋼彈簧浮置板與普通道床段結(jié)果分析

鋼彈簧浮置板與普通道床段隧道壁典型時(shí)域曲線分別如圖8、圖9 所示，鋼彈簧浮置板測(cè)試斷面和普通道床測(cè)試斷面的隧道壁垂向振動(dòng)加速度峰值分別為0.010 2 m/s2、0.333 m/s2，有效值分別為0.002 01 m/s2、0.072 9 m/s2。

圖8 鋼彈簧浮置板段隧道壁典型時(shí)域曲線Figure 8 Typical time-domain curve of steel spring floating plate

鋼彈簧浮置板段與普通道床段隧道壁典型1/3 倍頻程曲線如圖10 所示，鋼彈簧浮置板段和普通道床段測(cè)點(diǎn)的垂向加速度頻譜峰值主要分布在50～63 Hz。鋼彈簧浮置板在5～200 Hz 范圍均有減振效果；在20～200 Hz 范圍減振效果明顯，在63 Hz 減振效果最好，達(dá)到了25 dB。鋼彈簧浮置板的固有頻率為4 Hz，在1～5 Hz 有振動(dòng)放大的現(xiàn)象。

圖10 鋼彈簧浮置板與普通道床段1/3 倍頻程Figure 10 Steel spring floating plate and ordinary integral ballast bed, one-third octave

鋼彈簧浮置板的隧道壁的VLZmax為44.7 dB，普通道床的隧道壁的VLZ0max為62.0 dB。普通道床的運(yùn)行速度為103 km/h，鋼彈簧浮置板的運(yùn)行速度為139 km/h。由于此處的測(cè)點(diǎn)相距較遠(yuǎn)，且列車處于加速階段，故速度相差較遠(yuǎn)，所以需要進(jìn)行速度修正。由式(2)，普通道床的速度修正值為2.4 dB，修正后普通道床速度VLZmax為64.4 dB，鋼彈簧浮置板的減振效果為19.7 dB。

綜上所述，不同減振措施實(shí)際減振效果如表4 所示。

表4 不同減振措施的減振效果Table 4 Vibration reduction with vibration reduction measures

4 地面環(huán)境振動(dòng)測(cè)試

地面環(huán)境振動(dòng)測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)如圖11 所示。

圖11 地面測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)Figure 11 Ground-test site map

4.1 雙非扣件與普通道床段地面振動(dòng)分析

地面測(cè)點(diǎn)條件：富水砂卵石地層，鄰近道路，來往車輛多為小汽車；雙非扣件段埋深30 m，普通道床段埋深24 m。雙非扣件與普通道床段地面測(cè)試1/3 倍頻程分析如圖12 所示，地面雙非扣件段測(cè)點(diǎn)和普通道床段測(cè)點(diǎn)的垂向加速度頻譜峰值主要分布在50～63 Hz。雙非扣件段地面振動(dòng)的減振范圍為8～25 Hz、50～160 Hz；在50～160 Hz 的減振效果明顯，在63 Hz 減振效果最好，達(dá)到了20 dB。但是在2～3 Hz、32～45 Hz有振動(dòng)放大現(xiàn)象。雙非扣件段地面振動(dòng)的VLZmax為47 dB，普通道床段地面振動(dòng)的VLZmax為53 dB。經(jīng)計(jì)算，埋深修正量影響較小，故不考慮埋深影響。

圖12 雙非扣件與普通道床段地面測(cè)點(diǎn)1/3 倍頻程曲線Figure 12 One-third-octave curve of double-layer nonlinear damping fasteners and ground measuring points of ordinary integral ballast bed

4.2 減振墊浮置板與普通道床段地面振動(dòng)分析

地面測(cè)點(diǎn)條件：富水砂卵石地層，鄰近道路，來往車輛多為小汽車；減振墊浮置板斷面埋深24 m，普通道床段埋深21 m。減振墊浮置板道床與普通道床段地面振動(dòng)1/3 倍頻程曲線如圖13 所示。

圖13 減振墊浮置板與普通道床段地面測(cè)點(diǎn)1/3 倍頻程曲線Figure 13 One-third-octave curve of vibration damping pad floating slab track bed and ordinary integral track bed

由圖13 可知，地面減振墊浮置板段測(cè)點(diǎn)和普通道床測(cè)點(diǎn)地面振動(dòng)的垂向加速度頻譜峰值主要分布在40～50 Hz。減振墊浮置板在6～60 Hz、125～200 Hz范圍均有減振效果，其中在6～60 Hz 范圍減振效果明顯，在24 Hz 減振效果最好，達(dá)到了19 dB。在1～3 Hz有振動(dòng)放大的現(xiàn)象。減振墊浮置板的地面VLZmax為44 dB，普通道床的地面VLZmax為54.5 dB。經(jīng)計(jì)算，埋深修正量影響較小，故不考慮埋深影響。

4.3 鋼彈簧浮置板與普通道床段地面振動(dòng)分析

鋼彈簧浮置板斷面地面測(cè)點(diǎn)條件：泥巖，埋深24 m，鄰近道路，來往車輛多為大卡車。普通道床斷面地面測(cè)點(diǎn)條件：泥巖，埋深47 m，封閉道路，無來往車輛。鋼彈簧浮置板與普通道床段地面測(cè)點(diǎn)1/3 倍頻程如圖14 所示。

圖14 鋼彈簧浮置板與普通道床段地面測(cè)點(diǎn)1/3 倍頻程Figure 14 One-third-octave curve of steel spring floating plate and common integral track bed

由圖14 可知，鋼彈簧浮置板段地面測(cè)試斷面和普通道床段測(cè)試斷面的垂向加速度頻譜峰值主要分布在50 Hz 附近。鋼彈簧浮置板的減振范圍為2～10 Hz，在10～80 Hz 減振墊浮置板的VLZmax大于普通道床，但在1～2 Hz 有振動(dòng)放大的效果。鋼彈簧浮置板的地面VLZmax為43 dB，普通道床的地面VLZmax為42 dB。

由于兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的埋深差距較大，需要進(jìn)行修正之后再比較，利用《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 城市軌道交通》經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行埋深修正。地下線線路中心線正上方至兩側(cè)7.5 m 范圍內(nèi)：

式中，H為預(yù)測(cè)點(diǎn)地面至軌頂面的垂直距離，m；β為土層的調(diào)整系數(shù)，取0.25。

根據(jù)式(3)可得，鋼彈簧浮置板段的距離衰減CD為–6.04 dB，普通道床段的距離衰減CD為–8.47 dB。修正后，鋼彈簧浮置板段地面VLZmax為49.04 dB，普通道床段地面VLZmax為50.47 dB。

考慮埋深影響后，鋼彈簧浮置板的VLZmax略小于普通道床的VLZmax。除此之外，鋼彈簧浮置板地面測(cè)點(diǎn)還受到地面交通影響最終導(dǎo)致地面測(cè)點(diǎn)的VLZmax偏大。普通道床在經(jīng)過地層衰減后，衰減了15 dB，由于埋深大且無環(huán)境干擾，故衰減量較大。

5 結(jié)論

1) 成都市域快軌18 號(hào)線振動(dòng)源強(qiáng)為69.6 dB，低于成都市目前A 型車和B 型車的實(shí)測(cè)振動(dòng)源強(qiáng)。良好的軌面平順性與輪軌關(guān)系、重型隧道結(jié)構(gòu)有利于降低振動(dòng)源強(qiáng)。

2) 成都市域快軌18 號(hào)線雙非扣件的減振效果為7.3 dB，在6.3～25 Hz 和63～125 Hz 的減振效果明顯；減振墊浮置板道床的減振效果為16.2 dB，在31.5～200 Hz 的減振效果明顯；鋼彈簧浮置板的減振效果為19.7 dB，在20～200 Hz 的減振效果明顯。

3) 減振墊浮置板、雙非扣件對(duì)地面環(huán)境振動(dòng)也有明顯衰減作用，地面測(cè)點(diǎn)振動(dòng)符合標(biāo)準(zhǔn)。