時(shí)速80 km/h地鐵地下線梯形軌枕軌道現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析

劉 力， 張勝龍， 王文斌*， 李玉路， 趙夢(mèng)拴

(1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司城軌軌道交通中心， 北京 100081； 2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司， 北京 100081)

城市軌道交通具有緩解城市擁堵，充分發(fā)揮城市土地資源的一種重要交通工具[1]。近年來，中國多個(gè)城市得到迅猛發(fā)展。但是隨之而來的振動(dòng)噪聲問題也一直困擾著城市居民[2]。為此中外學(xué)者研制出一系列減振措施[3-4]，軌道處減振措施主要有減振扣件、梯形軌枕減振道床、減振墊減振道床和鋼彈簧浮置板減振道床[5]等。梯形軌枕作為一種中等減振軌道，能夠一定程度緩解地鐵運(yùn)營引起的振動(dòng)噪聲問題，在中國得到廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試是研究地鐵運(yùn)營引起的振動(dòng)問題最直接、有效的手段，有學(xué)者對(duì)梯形軌枕進(jìn)行了一系列的測(cè)試研究。葛輝等[6]通過對(duì)時(shí)速120 km/h的梯形軌枕和彈性長(zhǎng)枕進(jìn)行測(cè)試，對(duì)兩者的減振效果進(jìn)行了對(duì)比。鄧玉姝等[7]對(duì)高架橋梯形軌枕振動(dòng)和噪聲進(jìn)行了測(cè)試和仿真計(jì)算。曾向榮等[8]對(duì)160 km/h的梯形軌枕的安全性和平穩(wěn)性進(jìn)行了在線測(cè)試。前人從不同方面對(duì)梯形軌枕進(jìn)行了研究，但是關(guān)于地下線梯形軌枕減振效果和位移進(jìn)行測(cè)試的研究尚鮮見報(bào)道。

以北京地鐵某號(hào)線梯形軌枕為例，對(duì)地鐵地下線普通整體道床和梯形軌枕道床(圖1)進(jìn)行加速度和動(dòng)位移測(cè)試，分析對(duì)比地鐵列車經(jīng)過時(shí)兩種軌道的動(dòng)力響應(yīng)和梯形軌枕的減振效果，為梯形軌枕理論研究和應(yīng)用提供依據(jù)。

圖1 梯形軌枕道床Fig. 1 Ladder sleeper ballast bed

1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

測(cè)試選取北京地鐵某號(hào)線，單洞單線，列車為地鐵B型車，6節(jié)編組，車速為80 km/h，測(cè)試分為普通整體道床和梯形軌枕道床兩個(gè)斷面，兩種道床形式均采用DTVIII扣件，普通道床斷面加速度測(cè)點(diǎn)包括鋼軌、道床和隧道壁。梯形軌枕道床斷面加速度測(cè)點(diǎn)包括鋼軌、道床和隧道壁，位移測(cè)點(diǎn)包括鋼軌垂向、鋼軌橫向和道床垂向。鋼軌、道床和隧道壁加速度測(cè)點(diǎn)分別采用200g、50g、5g量程朗斯加速度傳感器，鋼軌和道床位移采用東方所應(yīng)變式位移傳感器，有效量程±10 mm，具體測(cè)點(diǎn)布置位置如圖2所示，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)照片如圖3所示。

圖 2 各斷面位移測(cè)點(diǎn)示意Fig. 2 Each section displacement measuring point

圖3 位移測(cè)點(diǎn)Fig. 3 Displacement measuring point

測(cè)試采用自動(dòng)觸發(fā)方式，收集地鐵列車經(jīng)過測(cè)試斷面時(shí)引起的各測(cè)點(diǎn)的加速度和位移，測(cè)試時(shí)間為1 d，將該天內(nèi)所有經(jīng)過的地鐵列車數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集。

2 測(cè)試結(jié)果與分析

對(duì)普通道床斷面和梯形軌枕道床斷面的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，評(píng)價(jià)梯形軌枕工作性能。

2.1 加速度

加速度主要從時(shí)域、頻域和最大Z振級(jí)等角度進(jìn)行分析，全方位描述梯形軌枕的減振效果。

2.1.1 時(shí)域

加速度時(shí)域數(shù)據(jù)為地鐵列車經(jīng)過引起的測(cè)點(diǎn)處的加速度隨時(shí)間變化的值，普通道床斷面各測(cè)點(diǎn)加速度時(shí)域值如圖4所示，梯形軌枕斷面各測(cè)點(diǎn)加速度時(shí)域值如圖5所示。

圖4 普通整體道床各測(cè)點(diǎn)垂向加速度時(shí)程圖Fig. 4 Time history diagram of vertical acceleration of each point in ordinary ballast bed

圖5 梯形軌枕道床各測(cè)點(diǎn)垂向加速度時(shí)程圖Fig. 5 Time history diagram of vertical acceleration of each points in ladder sleeper ballast bed

取列車經(jīng)過時(shí)10 s數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分別計(jì)算兩斷面各加速度測(cè)點(diǎn)的有效值，如表 1所示。

從圖4、圖5、表1中可以看出，所有測(cè)點(diǎn)振動(dòng)均

表1 時(shí)域有效值對(duì)比Table 1 Comparison of effective values in time domain

成梭形，反應(yīng)列車駛近和駛遠(yuǎn)的過程。普通道床斷面鋼軌、道床和隧道壁振動(dòng)幅值分別為80、5、1 m/s2，有效值為14.1、0.48、0.069 m/s2，在列車輪軌經(jīng)過時(shí)有稍微振動(dòng)增大毛刺，鋼軌到道床振動(dòng)有效值衰減96.6%，道床到隧道壁振動(dòng)有效值衰減85.6%。梯形軌枕道床斷面鋼軌、道床和隧道壁振動(dòng)幅值分別為100、3、0.07 m/s2，有效值為18.1、0.62、0.016 m/s2，輪軌經(jīng)過時(shí)的振動(dòng)增大毛刺不明顯，鋼軌到道床振動(dòng)有效值衰減96.6%，道床到隧道壁振動(dòng)有效值衰減97.4%。梯形軌枕道床鋼軌和道床處振動(dòng)加速度大于普通整體道床，隧道壁處振動(dòng)加速度小于普通整體道床，說明梯形軌枕有一定減振效果，隔振墊將道床鋼軌與隧道基地隔離，阻止振動(dòng)能量直接向下傳播，所以梯形軌枕道床鋼軌和道床的振動(dòng)要大于普通整體道床，測(cè)試結(jié)果與減振軌道設(shè)計(jì)原理相符,值的說明的是鋼軌附近的振動(dòng)與輪軌關(guān)系的好壞有關(guān)，隨著輪軌關(guān)系的惡化鋼軌處振動(dòng)將會(huì)增加。

2.1.2 頻域

1/3倍頻程譜能夠描述不同頻率下振動(dòng)物理量的大小，能夠反映某一頻段內(nèi)的振動(dòng)能量的有效值[9]，在地鐵環(huán)境振動(dòng)領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛[10-11]。將兩測(cè)試斷面各測(cè)點(diǎn)加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行1/3倍頻程加速度譜分析，如圖6所示。

圖6 各加速度測(cè)點(diǎn)1/3倍頻程加速度級(jí)圖Fig. 6 Acceleration level diagram of 1/3 octave frequency

兩種道床斷面振動(dòng)能量衰減趨勢(shì)相似，從鋼軌、道床到隧道壁振動(dòng)均呈現(xiàn)衰減趨勢(shì)，鋼軌振動(dòng)能量最大且頻域越高能量越大，與其自身剛度大有關(guān)。道床振動(dòng)能量相對(duì)于鋼軌有所減低，隧道壁振動(dòng)能量相對(duì)于鋼軌和道床最低。將兩測(cè)試斷面隧道壁測(cè)點(diǎn)1/3倍頻程譜做差如圖7所示。

圖7 隧道壁加速度測(cè)點(diǎn)1/3倍頻程插入損失Fig. 7 1/3 octave insertion loss at the acceleration measurement point of the tunnel wall

梯形軌枕道床在隧道壁處各頻率斷內(nèi)振動(dòng)能量均小于普通整體道床。其中100 Hz以內(nèi)減振效果略高于100 Hz以上減振效果。

2.1.3 Z振級(jí)

根據(jù)《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 10070—1988)和《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)測(cè)量方法》(GB 10071—1988)，鐵路交通引起的環(huán)境振動(dòng)采用鉛垂向Z振級(jí)最大值VLZmax進(jìn)行評(píng)價(jià)。隧道壁振動(dòng)雖然為襯砌結(jié)構(gòu)振動(dòng)，用最大Z振級(jí)作為減振效果評(píng)價(jià)指標(biāo)仍有較大意義[12]。

Z振級(jí)實(shí)質(zhì)為加速度級(jí)在Z方向的計(jì)權(quán)。加速度級(jí)按GB 10071—1988規(guī)定的方法，采用各中心頻率的有效值(RMS)，按式(1)計(jì)算。頻率為1～80 Hz。

VL=20lg(a/aref)

(1)

式(1)中:VL為振級(jí)，dB；a為振動(dòng)加速度的有效值，m/s2；aref為基準(zhǔn)振動(dòng)加速度，取aref=1×10-6m/s2。

根據(jù)式(1)計(jì)算出普通整體道床隧道壁最大Z振級(jí)為77.1 dB，梯形軌枕減振道床最大Z振級(jí)為65.2 dB，減振效果為11.9 dB。

2.2 位移

軌道動(dòng)位移是城市軌道交通列車運(yùn)行中的一項(xiàng)重要指標(biāo)，軌道剛度過低會(huì)引起動(dòng)位移過大，列車平穩(wěn)性降低，鋼軌播磨[13-14]等一系列問題。目前，中國各方也在編寫相應(yīng)規(guī)范對(duì)不同軌道結(jié)構(gòu)軌道動(dòng)位移限值進(jìn)行規(guī)定。梯形軌枕軌道各測(cè)點(diǎn)在列車經(jīng)過時(shí)的動(dòng)位移時(shí)程如圖8所示。

圖8 動(dòng)位移時(shí)程圖Fig. 8 Dynamic displacement time history

因?yàn)榈罔F列車荷載直接通過輪對(duì)作用在鋼軌上，所以鋼軌垂向位移能夠清晰地反映列車輪對(duì)的作用過程，在輪軌的作用向下鋼軌垂向產(chǎn)生向下規(guī)律性位移，最大值為0.34 mm；因?yàn)闇y(cè)試斷面為直線段，所以鋼軌橫向位移呈左右對(duì)稱搖擺，并未向一側(cè)偏移，最大值為0.13 mm；由于鋼軌的緩沖作用，列車荷載傳遞到道床上僅能體現(xiàn)相鄰較遠(yuǎn)輪對(duì)之間的作用過程，道床垂向位移最大值為1.21 mm；道床橫向位移為左右搖擺，最大值為0.081 mm。

3 結(jié)論

通過對(duì)北京地鐵某線梯形軌枕在80 km/h地鐵列車運(yùn)行下進(jìn)行加速度和動(dòng)位移測(cè)試，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析得出以下結(jié)論。

(1)普通道床斷面鋼軌、道床和隧道壁振動(dòng)有效值為14.1、0.48、0.069 m/s2，梯形軌枕斷面對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)有效值為18.1、0.62、0.016 m/s2，地鐵梯形軌枕道床相對(duì)于普通整體道床鋼軌和道床振動(dòng)加速度有效值有所增加，隧道壁振動(dòng)加速度有效值降低，與減振軌道設(shè)計(jì)原理相符。

(2)從1/3倍頻程譜看出梯形軌枕斷面隧道壁處振動(dòng)加速度相對(duì)于普通整體道床斷面在1～1 000 Hz 內(nèi)均有一定減振效果，兩斷面最大Z振級(jí)差值11.9 dB。

(3)梯形軌枕道床在地鐵列車作用下鋼軌垂向、鋼軌橫向、梯軌垂向、梯軌橫向最大動(dòng)位移分別為0.34、0.13、1.21、0.081 mm，比較安全。