400 km/h高速鐵路車致環(huán)境振動預(yù)測方法和控制技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望

代 豐 楊吉忠 馮讀貝 陳以庭

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

伴隨城市規(guī)模擴(kuò)張和城際聯(lián)通流動，根據(jù)《交通強(qiáng)國建設(shè)綱要》對城區(qū)1 h通勤交通圈發(fā)展目標(biāo)要求[1]，越來越多的城際高速鐵路在中心城區(qū)設(shè)站，高速鐵路線路也不可避免地穿越城區(qū)建筑物密集區(qū)域，相應(yīng)線路敷設(shè)方式逐漸成為高速鐵路規(guī)劃建設(shè)面臨的難題。

既有京津城際鐵路、膠濟(jì)客運(yùn)專線等運(yùn)營情況表明，高速鐵路穿越中心城區(qū)，將引起嚴(yán)重的車致環(huán)境振動問題。由軌道不平順激發(fā)的輪軌動荷載使車輛-軌道系統(tǒng)產(chǎn)生振動，高幅振動經(jīng)由軌下基礎(chǔ)向大地傳播，對沿線居民生活、建筑設(shè)施及精密設(shè)備使用產(chǎn)生影響。我國多條穿越中心城區(qū)高速鐵路由于未能掌握其環(huán)境振動特性和傳遞規(guī)律，出于保守設(shè)計(jì)考量不得不采取降速方式，如京張高速鐵路進(jìn)城段、京廣高速鐵路石家莊段、濟(jì)青高速鐵路青島段均降速至200 km/h及以下[2]，且在近振動敏感點(diǎn)線路區(qū)段，實(shí)際運(yùn)營速度均小于設(shè)計(jì)速度，嚴(yán)重影響城際高速鐵路通行效率。

成渝中線作為更高速度等級軌道交通示范線路，是以成都、重慶中心城市間直達(dá)城際客流為主、兼顧區(qū)際長途客流的更高標(biāo)準(zhǔn)高速交通線路。按照成渝中線“深入城區(qū)、快進(jìn)快出”的規(guī)劃方針[3]，線路不可避免地穿越居民生活區(qū)和建筑密集區(qū)，而隨著人們環(huán)保意識的增強(qiáng)和現(xiàn)代化工業(yè)進(jìn)程的發(fā)展，400 km/h高速列車運(yùn)行產(chǎn)生的高幅寬頻環(huán)境振動問題不容忽視，高要求的鐵路車致環(huán)境振動控制已成為400 km/h高速鐵路規(guī)劃和建設(shè)面臨的一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。

1 問題提出

在線路規(guī)劃階段，沿線居民對振動環(huán)評結(jié)果尤為關(guān)注，科研院所的室內(nèi)精密儀器對環(huán)境振動限值的極高要求與線路規(guī)劃的矛盾也逐漸凸顯，如成都某精密設(shè)備所在單位要求車致振動響應(yīng)滿足VC-C等級，成渝中線線路初步方案距離該中心僅50 m，線位方案可否滿足環(huán)境振動限值要求赫然成為制約高速鐵路選線的重要因素。初步設(shè)計(jì)方案中的距離線路中心50 m處振動預(yù)測結(jié)果如表1所示，縱向和豎向振動加速度在 0.062 5 gal限值附近，三向振動速度均超出12.5 um/s的限值要求，可見50 m范圍內(nèi)振動加速度和速度無法滿足精密設(shè)備的場地要求。成渝兩地作為歷史文化名城，其歷史文物建筑的微振動保護(hù)也對線路近距離穿越提出了極高要求。

表1 距離線路中心50 m處振動預(yù)測結(jié)果表

高速鐵路車致環(huán)境振動反映了振動激擾強(qiáng)度與敏感目標(biāo)承受振動能力之間的關(guān)系，涉及預(yù)測、評估和控制3個(gè)階段。預(yù)測是對振動傳至受振體能量強(qiáng)度的定量推測，評估旨在合理量化敏感目標(biāo)承受振動的能力與預(yù)測值比較，控制是采取措施以降低振動激擾強(qiáng)度或提高敏感目標(biāo)承受振動能力，而預(yù)測在鐵路環(huán)境振動影響研究中具有舉足輕重的作用[4]，對控制起到指導(dǎo)性作用。因此，準(zhǔn)確預(yù)測更高速度鐵路系統(tǒng)產(chǎn)生的環(huán)境振動量值和幅頻特性，采取適宜的相應(yīng)控制技術(shù)，對于紓解成渝中線線位方案難確定的問題，確保沿線居民振動舒適性、建筑設(shè)施安全性和精密設(shè)備使用性具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

2 研究現(xiàn)狀

高速鐵路車致環(huán)境振動激勵(lì)和傳播機(jī)理復(fù)雜，受車輛、軌道、線下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、周圍土體、建筑物結(jié)構(gòu)型式及其相互作用等諸多因素影響。國內(nèi)外就軌道交通環(huán)境振動預(yù)測方法，主要分經(jīng)驗(yàn)預(yù)測方法和理論預(yù)測方法兩類。

2.1 鐵路環(huán)境振動經(jīng)驗(yàn)預(yù)測方法

在工程前期規(guī)劃及可行性研究階段，基于實(shí)測數(shù)據(jù)或理論計(jì)算結(jié)果得到的經(jīng)驗(yàn)公式被廣泛用于國內(nèi)外鐵路環(huán)境振動預(yù)測中。然而，各國技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中環(huán)境振動經(jīng)驗(yàn)預(yù)測方法主要基于普速鐵路和城軌交通的振動特性，尚無針對高速鐵路環(huán)境振動經(jīng)驗(yàn)的預(yù)測模型。國際上普遍采用的是基于鏈?zhǔn)剿p公式和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫的經(jīng)驗(yàn)預(yù)測公式法，代表模型有美國聯(lián)邦交通局提出的第2階段整體評價(jià)模型和中國HJ 453-2018《環(huán)境影響評價(jià)技術(shù)導(dǎo)則城市軌道交通》中的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚5]。需注意的是，該方法中修正項(xiàng)取值就有限個(gè)經(jīng)驗(yàn)樣本回歸擬合，在預(yù)測復(fù)雜地層和復(fù)雜結(jié)構(gòu)振動傳遞特性上存在較大局限。

2.2 鐵路環(huán)境振動理論預(yù)測方法

鐵路環(huán)境振動強(qiáng)度取決于振源特性、傳遞途徑及受振結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有研究一般通過將車輛-軌道和地層-結(jié)構(gòu)視為2個(gè)可解耦的子系統(tǒng)，并在不同的分析域中求解，由車輛-軌道模型計(jì)算得到列車荷載施加到地層-結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)，或是采用多體動力學(xué)軟件與有限元耦合分析。

鐵路環(huán)境振動預(yù)測的核心在于計(jì)算振動在地層中的傳遞及地表或結(jié)構(gòu)內(nèi)的振動響應(yīng)。由于移動列車荷載作用下振動在地層中的傳遞是一個(gè)三維問題，且考慮到軌道、路基、橋梁等線下基礎(chǔ)的幾何不規(guī)則性，地層振動傳遞模型將土體假設(shè)為具有粘性阻尼的均勻彈性半空間或分層結(jié)構(gòu)的均勻彈性半空間，利用動力時(shí)域/頻域解析法或數(shù)值法，研究列車移動荷載作用下地層的振動響應(yīng)。為了解決三維模型引起的大尺度多網(wǎng)格計(jì)算耗時(shí)問題，既有研究對地層振動三維預(yù)測模型進(jìn)行優(yōu)化，假設(shè)軌道和土層沿縱向均勻分布，沿線路方向進(jìn)行Fourier變換轉(zhuǎn)換到頻率-波數(shù)域中，形成2.5維計(jì)算方法[6]，或引入周期性理論，沿線路方向采用Floquet變換，將三維問題映射到單位厚度的周期單元中求解。經(jīng)典的解析法和半解析法如PiP模型[7]和薄層法亦可用于鐵路環(huán)境振動預(yù)測。

上述預(yù)測模型在計(jì)算效率及解決工程實(shí)際問題時(shí)精確度較經(jīng)驗(yàn)預(yù)測方法取得極大進(jìn)展，但對土體介質(zhì)振動傳遞規(guī)律和影響因素考慮不足，既有研究均采用瑞利阻尼或單一阻尼比代入模型計(jì)算。阻尼對土體介質(zhì)振動波傳遞和衰減影響顯著，且土體單元阻尼比和動彈性模量具有頻變特性。簡化阻尼設(shè)置將導(dǎo)致預(yù)測模型動力計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況有所偏差，特別是在鐵路車致環(huán)境振動問題中表現(xiàn)明顯。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對于荷載頻率對不同類型土體的阻尼比影響開展了多項(xiàng)研究，均采用動三軸試驗(yàn)分析15Hz以內(nèi)荷載頻率對典型砂土、黏土或黃土動彈性模量和阻尼比影響[8]，結(jié)果表明，土體阻尼比和動彈性模量受激振頻率影響，但不同土體反映不同的變化趨勢，業(yè)內(nèi)對此尚未形成統(tǒng)一規(guī)律共識。并且，既有研究的目標(biāo)頻率較低，尚未見15 Hz以上頻率對土體動力參數(shù)的影響研究，更未見考慮土體頻變特性的鐵路環(huán)境振動預(yù)測方法研究。

2.3 鐵路環(huán)境振動控制措施

關(guān)于高速鐵路地面線和地下線的環(huán)境振動水平、響應(yīng)特性和衰減規(guī)律尚未形成系統(tǒng)性規(guī)律指標(biāo)，尚無高速鐵路車致環(huán)境振動系統(tǒng)性控制方法，而就研究成果相對完善的城市軌道交通環(huán)境振動控制技術(shù)而言，主要從振源和傳播途徑采取減振措施。振源減振措施主要采取兩種方法，一是在軌道系統(tǒng)增加粘彈性元件，隔離輪軌作用力向下部基礎(chǔ)傳遞，二是通過改善車輛、軌道及線下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，減少輪軌相互作用或抑制系統(tǒng)振動。傳播途徑減振措施主要通過在土層基礎(chǔ)設(shè)置隔振溝、隔振樁和隔振墻等阻斷振動波傳遞。城軌交通環(huán)境振動控制普遍依賴減振扣件、減振道床等軌道減振措施，但該類措施易增加線路波形磨耗，進(jìn)而增大線路及受振結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)，而對通過優(yōu)化線下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及傳播途徑上設(shè)置隔振溝等環(huán)境振動控制措施研究不足。并且，高速鐵路線路平順性指標(biāo)遠(yuǎn)高于普速鐵路和城市軌道交通，400 km/h高速鐵路車致環(huán)境振動控制技術(shù)應(yīng)在保證高速鐵路線路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，實(shí)現(xiàn)沿線環(huán)境振動控制的目的。

3 存在問題

慣常通過經(jīng)驗(yàn)法、半解析法、數(shù)值法等方法來預(yù)測鐵路環(huán)境振動雖已較為成熟，但均未考慮對土體振動傳遞與衰減具有重要影響的土動力學(xué)參數(shù)的頻變特性。由于土層及各部結(jié)構(gòu)材料差異，波動主頻范圍各不相同，應(yīng)結(jié)合地層材料特性在預(yù)測模型中考慮隨頻率變化的真實(shí)阻尼比和動彈性模量，以求對400 km/h高速鐵路車致環(huán)境振動進(jìn)行有效計(jì)算和準(zhǔn)確預(yù)測。

當(dāng)前，在有限元分析中考慮土體彈性模量和阻尼比的頻變特性有較大難度，通常采用瑞利阻尼來反映土體阻尼比隨頻率的變化，但是經(jīng)與實(shí)測數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，瑞利阻尼方式在低頻無法足量反映土體對振動的衰減能力，同時(shí)放大了土體對高頻振動的衰減效果，不精確的振動預(yù)測將直接影響建筑物減振設(shè)計(jì)方案。400 km/h高速鐵路系統(tǒng)具有頻率高、頻域?qū)挕⒄穹蟮奶攸c(diǎn)，應(yīng)精細(xì)考慮復(fù)雜的振動傳遞介質(zhì)土的非線性特征。

城市軌道交通車致環(huán)境振動普遍采取的軌道減振措施，此類措施存在的問題包括：一是易增加線路不平順性，二是對低頻減振效果不明顯，三是工程造價(jià)高，不適于對線路平順性指標(biāo)要求更高的高速鐵路環(huán)境振動控制。因此，建立針對不同線下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式且滿足不同環(huán)境條件和減振需求的智能化、定制化400 km/h高速鐵路車致環(huán)境振動系統(tǒng)控制技術(shù)是建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)、高等級綠色城際高速鐵路的客觀需求。

4 研究方向

成渝城市群地處“一帶一路”、長江經(jīng)濟(jì)帶的交匯點(diǎn)，是國家推進(jìn)新型城鎮(zhèn)化的重要示范區(qū)，400 km/h成渝中線高速鐵路承載成渝雙城經(jīng)濟(jì)圈交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的功能，對打造我國經(jīng)濟(jì)增長第四級、建設(shè)具有國際影響力的世界級城市群具有重要意義。以成渝中線高速鐵路為依托，開展400 km/h高速鐵路車致環(huán)境振動精細(xì)化預(yù)測方法和控制技術(shù)研究，為400 km/h高速鐵路建設(shè)適應(yīng)高質(zhì)量城市發(fā)展要求提供技術(shù)支撐和決策依據(jù)，建議從以下幾方面開展深入研究。

(1)400 km/h高速鐵路車致環(huán)境振動基本特征

基于列車-軌道系統(tǒng)動力學(xué)、巖土動力學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)方法，結(jié)合有限元方法，通過建立適應(yīng)地面路基、地下隧道、高架橋梁的高鐵列車-軌道-線下基礎(chǔ)-大地-構(gòu)筑物多場耦合動力學(xué)模型庫，研究在路基、隧道、橋梁等不同結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)形式條件下，綜合考慮線路長波、短波不平順激勵(lì)影響的400 km/h高速鐵路環(huán)境振動在巖土體中的傳遞和衰減規(guī)律及其對沿線城市現(xiàn)狀建筑物、車站等振動敏感設(shè)施設(shè)備的影響規(guī)律，掌握400 km/h高速鐵路車致環(huán)境振動的基本特征。

(2)土體動阻尼比和動模量頻變特性及其對鐵路環(huán)境振動預(yù)測精度影響機(jī)制

采用高精度動三軸儀，研究標(biāo)準(zhǔn)砂土、粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粘土在200 Hz范圍內(nèi)循環(huán)荷載作用下土樣動力特性，探明土體動阻尼比、動彈性模量隨加載幅值、加載頻率、作用次數(shù)變化規(guī)律；采用一維等效線性化土體振動分析模型，研究不同頻率動阻尼比和動模量下土體表面振動加速度響應(yīng)，探究土體頻變動力參數(shù)影響鐵路環(huán)境振動預(yù)測的頻率范圍和量值大小。

(3)400 km/h高速鐵路車致環(huán)境振動精細(xì)化預(yù)測方法

研究400 km/h高速鐵路車致環(huán)境振動精細(xì)化預(yù)測模型，得到在鐵路車致環(huán)境振動多場耦合動力學(xué)模型中考慮土動力學(xué)計(jì)算參數(shù)動態(tài)更新的實(shí)現(xiàn)方法，提出針對不同線下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式的高速鐵路車致環(huán)境振動評估標(biāo)準(zhǔn)；基于精細(xì)化預(yù)測模型，研究分別考慮列車速度、車輛型式、軌道結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)影響因子的振源振級修正量，分別考慮垂直高度、水平距離、土層性質(zhì)影響因子的大地振級修正量，考慮構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)高度影響因子的受振體振級修正量，形成面向線路初步設(shè)計(jì)的高速鐵路車致環(huán)境振動快速預(yù)測方法。

(4)400 km/h高速鐵路車致環(huán)境振動控制技術(shù)

通過研究軌道結(jié)構(gòu)，線下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)平順度、結(jié)構(gòu)形式、基礎(chǔ)剛度及隔振溝、波阻塊、建筑隔振支座等措施對地面、隧道或高架高速鐵路環(huán)境振動的控制效果，以及面向鐵路沿線場地、既有建筑結(jié)構(gòu)、尚未建建筑結(jié)構(gòu)振動控制的針對線路設(shè)計(jì)、運(yùn)營不同階段的高速鐵路環(huán)境振動控制技術(shù)體系，提出確保鐵路沿線環(huán)境振動舒適性、安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性，分別針對高架、地面、地下高速鐵路在不同運(yùn)營階段的車致環(huán)境振動控制技術(shù)。

5 結(jié)論

本文針對400 km/h高速鐵路車致環(huán)境振動問題，總結(jié)了當(dāng)前環(huán)境振動預(yù)測方法和控制措施研究現(xiàn)狀及存在不足，給出了為滿足更高速度標(biāo)準(zhǔn)的鐵路環(huán)境振動預(yù)測方法和控制技術(shù)研究方向，得出主要結(jié)論如下：

(1)阻尼對土體介質(zhì)振動波傳遞和衰減影響顯著，瑞利阻尼方式在低頻無法足量反映土體對振動的衰減能力，同時(shí)放大了土體對高頻振動的衰減效果，400 km/h高速鐵路環(huán)境振動預(yù)測應(yīng)考慮振動傳遞介質(zhì)土的非線性特征。

(2)城市軌道交通環(huán)境振動采取的軌道減振措施，具有易增加線路不平順性、對低頻減振效果不明顯及工程造價(jià)高的特點(diǎn)，不適于對線路平順性指標(biāo)要求更高的高速鐵路環(huán)境振動控制。

(3)400 km/h高速鐵路環(huán)境振動預(yù)測和控制宜圍繞土體動阻尼比和動模量頻變特性及其對鐵路環(huán)境振動預(yù)測精度影響機(jī)制，鐵路環(huán)境振動多場耦合動力學(xué)模型土動力學(xué)計(jì)算參數(shù)動態(tài)更新實(shí)現(xiàn)方法，考慮振源、傳播途徑及受振體影響因素修正因子的鐵路環(huán)境振動精細(xì)化預(yù)測模型，面向不同線下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式和運(yùn)營條件在不同建設(shè)階段的鐵路環(huán)境振動控制技術(shù)方面開展深入研究。