減振墊浮置道床加嵌套式減振扣件的組合減振應(yīng)用研究

孫大新 李現(xiàn)博 劉鐵旭

(1.北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，100037，北京；2.北京市軌道結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心， 100037，北京；3.城市軌道交通綠色與安全建造技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，100037，北京 ∥ 第一作者,高級(jí)工程師)

減振設(shè)計(jì)是城市軌道交通軌道專業(yè)的關(guān)鍵工作之一。由于受城市規(guī)劃及線路周邊條件的制約較大，城市軌道交通往往具有曲線數(shù)量多、曲線半徑小和減振地段多等特點(diǎn)。

隨著城市軌道交通的迅速發(fā)展，近幾年的軌道減振技術(shù)，已經(jīng)基本形成中等減振、高等減振和特殊減振的分級(jí)減振格局[1]。在特殊減振領(lǐng)域，鋼彈簧浮置板軌道減振效果優(yōu)異[2-5]，但其占用軌道結(jié)構(gòu)高度較大，對(duì)土建施工偏差的適應(yīng)性較差，當(dāng)?shù)罔F隧道出現(xiàn)較大施工偏差時(shí)，無法鋪設(shè)鋼彈簧浮置板軌道。此種情況下，通常是采用降低減振等級(jí)、鋪設(shè)高等減振如減振墊道床的方案進(jìn)行替代，但減振效果將降低4～6 dB；若遇線路下穿居民樓等減振要求高的地段，則仍無法滿足環(huán)境要求。本文結(jié)合在實(shí)際工程中遇到的軌道結(jié)構(gòu)高度不足的情況，采用了減振墊浮置道床加嵌套式減振扣件的組合減振方案。經(jīng)仿真計(jì)算及實(shí)際測試，其減振效果達(dá)到16 dB，已基本達(dá)到特殊減振措施的減振要求。

1 工程概況

某地鐵工程的區(qū)間隧道敏感點(diǎn)距離線路9.7 m，環(huán)評(píng)報(bào)告預(yù)測振動(dòng)超標(biāo)5.8 dB，二次結(jié)構(gòu)噪聲超標(biāo)7.0 dB(A)[6]，要求鋪設(shè)鋼彈簧浮置板。但在盾構(gòu)施工過程中，該范圍內(nèi)有長55 m的線路出現(xiàn)較大線型偏差；經(jīng)調(diào)線調(diào)坡后，軌道實(shí)際鋪設(shè)高度為599 mm，中線水平偏差60 mm(見圖1)。敏感點(diǎn)區(qū)域的其他基本情況見表1。

表1 某地鐵區(qū)間隧道敏感點(diǎn)區(qū)域基本情況

圖1 土建偏差后軌道相對(duì)位置關(guān)系

由圖1可看出，即使將隔振器橫向間距縮小到1 700 mm，隔振器與隧道壁仍有明顯的沖突，因此無法鋪設(shè)鋼彈簧浮置板。

2 替代方案

在無法鋪設(shè)鋼彈簧浮置板的條件下，如何選擇替代方案成為本工程的重點(diǎn)。替代方案除可適應(yīng)本工程的鋪設(shè)條件外，減振效果也應(yīng)盡量接近鋼彈簧浮置板。

從減振效果的角度來看，僅次于鋼彈簧浮置板的高等減振措施是隔離式減振墊浮置板道床。而減振墊浮置板的減振能力一般為10～12 dB,鋼彈簧浮置板減振能力一般不小于16 dB的要求，因此，本工程采用減振墊浮置道床加嵌套式減振扣件的組合減振方案來彌補(bǔ)減振能力的差距。

2.1 組合減振方案

組合減振方案替代了原設(shè)計(jì)采用的鋼彈簧浮置板和普通扣件，其減振墊鋪設(shè)于基底層與混凝土道床之間。該地基的靜力彈性模量為0.010 N/mm3。

嵌套式減振扣件是一種新型的減振扣件，采用子、母鐵墊板分體扣壓，使板下彈性墊板不受預(yù)壓，彈性不受損失?？奂Q向靜剛度為11～15 kN/mm,動(dòng)靜比不大于1.35。與同類型其他減振扣件相比，其主要特點(diǎn)是扣件高度、釘孔距和普通扣件完全相同，可與普通扣件實(shí)現(xiàn)通用互換；其較小的扣件高度使其在本工程條件下具有其他扣件所不具備的優(yōu)勢。

對(duì)于水平偏差及軌道結(jié)構(gòu)高度較小等問題，根據(jù)需要可適當(dāng)減薄道床與基底厚度，以及采用薄型短軌枕、增設(shè)道心配重凸臺(tái)等措施進(jìn)行處理(詳見圖2)。

圖2 組合減振方案的道床設(shè)計(jì)斷面

2.2 組合減振方案的道床動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算

采用大型有限元軟件建立車輛-軌道-隧道空間耦合模型(見圖3)，分析組合減振方案的動(dòng)力學(xué)指標(biāo)及減振效果。

圖3 車輛-軌道-隧道空間耦合模型

1) 車體豎向加速度。圖4為車體豎向加速度時(shí)程曲線。從圖4可以看到，車體振動(dòng)加速度最大值A(chǔ)max為0.936 m/s2，滿足車體振動(dòng)加速度限值為1.0 m/s2(即0.1g，g為重力加速度)[8]的要求。

圖4 車體豎向加速度時(shí)程曲線

2) 輪軌垂向力。由仿真計(jì)算結(jié)果可知，輪軌垂向力為60～80 kN。由靜態(tài)垂向力為70 kN可以得出，其垂向力沖擊系數(shù)較小，為1.08左右。

3) 脫軌系數(shù)。由仿真計(jì)算結(jié)果可知，輪軌橫向力最大值為29.38 kN，最大脫軌系數(shù)為0.379(見圖5)。該脫軌系數(shù)小于GB/T 5599—2019《機(jī)車車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定與試驗(yàn)鑒定規(guī)范》規(guī)定的0.8[9]的限值要求。

圖5 脫軌系數(shù)時(shí)程曲線

4)輪重減載率。由圖6可知，輪重減載率最大為0.059，滿足GB/T 5599—2019《機(jī)車車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定與試驗(yàn)鑒定規(guī)范》規(guī)定的0.6的限值要求。

圖6 輪重減載率時(shí)程曲線

5) 振動(dòng)加速度及減振效果。在減振墊道床和短軌枕基礎(chǔ)上鋪設(shè)嵌套式減振扣件或普通扣件的鋼軌和隧道壁的振動(dòng)加速度級(jí)對(duì)比如圖7和圖8所示。通過頻域分析可見，鋼軌振動(dòng)加速度在160 Hz時(shí)有較明顯的振動(dòng)峰值，嵌套減振扣件與普通扣件的峰值頻率基本相同。但在實(shí)車振動(dòng)測試中，在400 Hz以下并未發(fā)現(xiàn)鋼軌有明顯的振動(dòng)峰值。與鋪設(shè)普通扣件的橡膠減振墊相比，組合減振方案減振效果在6.07 dB左右。

圖7 鋼軌振動(dòng)加速度級(jí)對(duì)比

圖8 隧道壁振動(dòng)加速度級(jí)對(duì)比

3 實(shí)車減振效果測試

為進(jìn)一步驗(yàn)證組合減振方案的減振效果，進(jìn)行了實(shí)車測試[10]，主要測試不同斷面鋼軌、道床和隧道壁的豎向振動(dòng)加速度。測試中選擇了3處分別鋪設(shè)減振墊浮置道床、橡膠減振墊道床和普通道床地段進(jìn)行同條件對(duì)比。這3處地段的線路條件和車速基本相同，全部位于半徑為350 m的曲線上，實(shí)際車速為60 km/h。其中，隧道壁豎向振動(dòng)加速度測試結(jié)果如圖9所示。

圖9 實(shí)測隧道壁豎向振動(dòng)加速度級(jí)對(duì)比

經(jīng)對(duì)測試結(jié)果進(jìn)行換算，與普通道床相比，橡膠減振墊道床可減振12.8 dB(Z振級(jí))；采用嵌套式減振扣件的減振墊浮置道床可減振16.9 dB(Z振級(jí))。實(shí)車測試時(shí)車輛在小半徑曲線的車速偏低，對(duì)減振效果稍有影響。

4 結(jié)語

本文通過仿真分析，對(duì)某地鐵工程采用嵌套式減振扣件與減振墊相匹配的組合減振方案進(jìn)行了行車安全性和穩(wěn)定性等多項(xiàng)指標(biāo)的計(jì)算；仿真計(jì)算結(jié)果中各項(xiàng)指標(biāo)均可滿足規(guī)范要求。

通過實(shí)車測試，采用嵌套式減振扣件的組合減振方案的隧道壁處減振效果可達(dá)16.9 dB(Z振級(jí))。

關(guān)于輪軌力及安全性指標(biāo)的實(shí)車測試目前尚未進(jìn)行，與仿真計(jì)算結(jié)果的符合程度尚有待驗(yàn)證。但本工程從試運(yùn)行到通車至今，已實(shí)際運(yùn)營超過2年，采用組合減振地段的行車平穩(wěn)，未見輪軌異常磨耗以及居民因環(huán)境振動(dòng)而投訴。這基本可以說明，采用組合減振方案的效果良好。

20世紀(jì)90年代，國內(nèi)某地鐵曾發(fā)生過減振扣件和彈性短軌枕兩種減振措施組合使用而導(dǎo)致振動(dòng)增加的情況，因此行業(yè)內(nèi)一般認(rèn)為2種不同形式的減振措施不宜組合在一起使用。但本工程的組合減振方案，采用的是兩種不同原理和不同等級(jí)減振措施的組合，其中減振扣件主要靠扣件彈性進(jìn)行減振，其固有頻率一般在31.5～40.0 Hz，主要降低高頻振動(dòng)；橡膠減振墊主要是靠彈性進(jìn)行隔振,其固有頻率一般在14 Hz左右，主要降低低頻振動(dòng)。本工程組合減振方案中2種措施的固有頻率相差較多，相互之間可起到補(bǔ)償作用，不易引起振動(dòng)疊加。類似措施在香港地鐵馬鞍山線上已有良好的應(yīng)用。本工程作為國內(nèi)近些年實(shí)施的首例組合減振項(xiàng)目，對(duì)減振組合進(jìn)行了初步的嘗試，可為后續(xù)處理類似問題提供思路。

此外，本文重點(diǎn)對(duì)豎向動(dòng)力學(xué)指標(biāo)做了一些仿真計(jì)算和測試，但對(duì)橫向位移、橫向剛度匹配和適應(yīng)性等未進(jìn)行深入探討，后續(xù)將陸續(xù)開展這方面的對(duì)比研究。