地铁提速对减振垫浮置板轨道振动特征的影响分析

杨麒陆1,2,豆银玲1,2,王 平1,2

(1.高速铁路线路工程教育部重点实验室,成都 610031； 2.西南交通大学土木工程学院,成都 610031)

摘 要：为研究地铁列车提速对减振垫浮置板轨道的振动特征的影响,对比分析地铁列车行车速度为80 km/h和120 km/h工况下减振垫浮置板轨道时域和频域的实测结果。分析结果表明：行车速度对减振垫浮置板轨道结构垂向位移的影响不大；行车速度为120 km/h的工况下钢轨、浮置板、隧道的振动加速度1/3倍频程的峰值较行车速度为80 km/h的工况下的峰值分别有6.2、2.8、0.5 dB的增大；分频段分析各测点振动加速度综合振级,结果显示：在0～20 Hz与20～80 Hz频段内,只有钢轨的振动加速度综合振级增长超过5%,浮置板与隧道振级变化均小于2.5%,在80～120 km/h速度范围内,行车速度的提高对减振垫浮置板轨道隧道振动的影响并不明显。

关键词：减振垫浮置板轨道；频域；振动加速度；行车速度

Abstract： The measured time-domain and frequency-domain results of metro rubber pad floating slab track (RPFST) at the train speed of 80km/h and 120 km/h are analyzed to investigate the influence of metro train speed increasing on vibration characteristics of RPFST. The results show that the increase of train speed has little influence on vertical displacement of RPFST. The peak values of 1/3 frequency interval of vibration acceleration of rail, floating slab and tunnel at the speed 120 km/h have the increment of 6.2, 2.8 dB and 0.5 dB respectively compared with those at the speed of 80 km/h. The analysis of the integrated vibration level of each test point in RPFST shows that in the 0～20 Hz and 20～80 Hz frequency band, only the rail acceleration integrated vibration level is increased by more than 5%, and the vibration level changes of the floating slab and tunnel are less than 2.5%. In the 80～120 km/h speed range, the increment of train running speed has no obvious influence on tunnel vibration with RPFST.

Key words： Rubber pad floating slab track; Frequency domain; Vibration acceleration; Trains speed

近年来，国内逐步开通了时速120 km的地铁线路，很多城市已建成的时速较低的地铁线路也为提速预留了空间，然而国内对时速120 km地铁引起的环境振动问题的研究较少，且对不同行车速度造成的环境振动的差异性研究也较为缺乏。

国铁时速120 km线路已开行多年，且在既有线路提速方面积累了丰富经验[1-3]，但国铁多为有砟轨道结构，其经验不能直接用于采用无砟轨道结构的地铁线路。

我国高铁多采用无砟轨道结构，国内学者对高铁在多频段内引起的环境振动问题进行了相关研究[5，6]，然而高铁时速多在250 km以上，且高铁与地铁的轨道不平顺差异较大[7-9]，对高铁的研究经验可借鉴但也不能直接用于地铁。可见对提速后地铁引起的环境振动问题的研究凾待展开。

以国内陆铁广泛采用的减振垫浮置板轨道结构为例，采用高灵敏度的位移及加速度传感器对广东某城市地铁减振垫浮置板轨道进行现场测试，在时域内，比较提速前后减振垫浮置板轨道各结构垂向位移与振动加速度幅值的差异；在频域内，分析提速对地铁运营引起的减振垫浮置板轨道在各频段内振动特征的差异(尤其是引起环境振动的20～80 Hz频段和对建筑物及部分精密仪器有影响的0～20 Hz频段)。

1 广东某城市地铁现场测试

减振垫浮置板轨道相对于采用其他减振措施的轨道结构，具有减振效果好，施工误差包容性强，成本低廉等优点，目前，该轨道结构已经在北京，广州，深圳等城市开始使用[10]。广东某城市地铁隧道内减振垫浮置板轨道的测点位置(里程)为YDK24+30，具体测点布置情况如下。

减振垫浮置板轨道的测点布置如图1所示[11]。

图1 测点布置示意(单位：mm)

测点1位于钢轨底部，该测点设置有1个位移传感器和1个加速度传感器，位移传感器位于扣件处和钢轨跨中位置，用于测量扣件处及跨中处钢轨垂向位移，其量程为±10 mm，综合精度0.1%；加速度传感器布置在钢轨跨中处，用于测量钢轨垂向加速度，其量程为0.000 05g～1 000g；测点2距浮置板沿线路方向中心线965 mm，这里也设置了1个位移传感器和1个加速度传感器，加速度传感器量程为0.000 05g～50g，用于测量浮置板垂向加速度；测点3设置在距轨面水平线1 250 mm的隧道壁上，该处只设置了量程为0.000 05g～10g的加速度传感器，用于测量隧道的垂向加速度，现场布置情况如图2所示。

图2 测点现场布置

2 现场测试结果评价

2.1 钢轨与浮置板垂向位移实测结果

据设计资料，该地铁采用的是地铁B型车，6节编组，列车全长122.2 m，设计轴重不大于140 kN。

减振垫浮置板轨道主要由钢轨、浮置板、减振垫、道床基底4部分构成。实验中，利用位移传感器分别测试速度80 km/h及120 km/h下钢轨相对浮置板的垂向位移与浮置板垂向位移，如图3、图4所示。

图3 钢轨相对于浮置板的垂向位移

图4 橡胶隔振垫浮置板垂向位移

结果显示：行车速度为80 km/h和120 km/h时钢轨相对浮置板的最大垂向位移分别为0.429 mm和0.505 mm，120 km/h速度下钢轨相对浮置板的最大垂向位移值要比80 km/h速度下的值大17.72%；浮置板的最大位移分别为0.72 mm和0.73 mm，120 km/h速度下钢轨垂向位移值要比80 km/h速度下的值大1.39%。

由实测结果可得如下结论。

(1)行车速度并非减振垫浮置板轨道钢轨与浮置板垂向位移的主要影响因素。

(2)减振垫浮置板轨道结构钢轨与浮置板垂向位移均满足《浮置板轨道技术规范》限值要求[11](钢轨垂向位移不超过4 mm，浮置板垂向位移不超过3 mm)，减振垫刚度设置处于安全范围，且减振垫刚度还存在可下调空间。

2.2 钢轨、浮置板、隧道振动加速度实测结果

现场测试阶段，对通过减振垫浮置板轨道测试断面的至少20列列车引起的轨道各部分加速度时程进行记录，选择其中6组效果较好的数据进行分析，由于篇幅有限，仅给出测试断面上各轨道部分的典型加速度时域图。

(1)钢轨加速度时程(图5)

图5 钢轨加速度时程

(2)浮置板加速度时程(图6)

图6 橡胶隔振垫浮置板垂向振动加速度时程

(3)隧道加速度时程(图7)

对比测试断面上各测点加速度时程，得到结果如表1所示。

图7 隧道垂向振动加速度

表1 各测点振动加速度幅值m/s2

工况钢轨浮置板隧道80km/h229.720.90.0361120km/h396.424.00.0492

行车速度为120 km/h的工况下钢轨、浮置板、隧道的振动加速度幅值较行车速度为80 km/h的工况下的幅值分别有72.6%、14.8%、36.3%的增幅，可见行车速度的提高会加剧减振垫浮置板轨道各部分的振动，其中对钢轨振动幅值的加剧最为明显。

3 频域内轨道结构垂向振动加速度分析

3.1 轨道结构1/3倍频程谱值

以下统一采用1/3倍频来分频段分析车速变化对减振垫浮置板轨道频域随机响应的影响规律。通过对振动加速度采样信号进行快速傅里叶变换，得到频域内结构振动加速度值，然后利用1/3倍频处理方法得到各轨道结构振动加速度1/3倍频程的谱值[13]，如图8所示。

图8 垂向振动加速度1/3倍频程谱

由图8可知，对减振垫浮置板轨道来说，随着行车速度的提高，钢轨垂向振动加速度在全频段增大，但在低频范围内(400 Hz以下)增大值略大于中高频，在780～1 600 Hz范围内(是高频振动产生噪声的主要部分)，其峰值增大了6.2 dB；提速对浮置板垂向振动加速度略有影响，主要在700～1 600 Hz范围内，其峰值增大了2.8 dB；但是对隧道垂向振动加速度几乎没有影响。

可见随着振源距离的增大，在减振垫浮置板轨道中，车速的增大对地铁运营引起的轨道结构振动加速度的影响越来越小，到一定距离以后，几乎没有影响。

3.2 多频段内振动加速度分析

地铁方便人们生活的同时，其引起环境振动问题也愈发受到社会关注[14]。相关研究发现，地铁引起地面振动的主要响应频段为20～80 Hz，而0～20 Hz的低频振动则会对地面建筑和部分精密设备造成影响[15，16]。

据《城市区域环境振动标准》，计算振动加速度级[15]

式中，V为振动加速度级，dB；a为振动加速度有效值，m/s2；a0为基准加速度，其值为10-6m/s2。

统计各轨道结构在0～20，20～80，0～2 500 Hz内振动加速度的综合振级[15]，如图9、图10所示。

图9 80 km时速垂向振动加速度综合振级

图10 120 km时速垂向振动加速度综合振级

两种速度下各频段内减振垫浮置板轨道各测点的综合振级如表2所示。

表2 各测点振动加速度综合振级 dB

工况0～20Hz20～80Hz0～2500Hz速度/(km/h)钢轨浮置板隧道80113.9180.1540.6120120.7180.3339.6580120.93110.3653.02120128.65111.4152.3080136.22110.2244.59120144.67114.4646.75

通过对两种速度下各测点间振动加速度级的对比可以发现如下结果。

(1)由图9、图10及表2可以看出，随着行车速度的提高：钢轨振动加速度级在全频段内都有明显增大，0～20 Hz内振动加速度综合振级的增幅为5.96%，20～80 Hz范围内的增幅为6.38%，0～2 500 Hz范围内的增幅为6.20%；列车提速对浮置板的影响远小于钢轨，浮置板的振动加速度综合振级在0～20、20～80 Hz频段内的增幅均小于1%，但在0～2 500 Hz有3.85%的增幅；对于隧道而言，振动加速度在各频段内的综合振级对行车速度的变化也不敏感，振动加速度综合振级在0～20、20～80 Hz频段内的变化均小于2.5%，在0～2 500 Hz有4.84%的增幅。

(2)不难发现，在0～20 Hz与20～80 Hz两个频段内，行车速度的提高对钢轨振动加速度综合振级的提高最为明显，但对浮置板及隧道综合振级的影响较小；在0～2 500 Hz的频段内，行车速度的提高对钢轨、浮置板和隧道振动加速度综合振级都有明显的提高。

4 结论

(1)行车速度对减振垫浮置板轨道结构垂向位移的影响不大；减振垫浮置板轨道结构的钢轨与浮置板垂向位移均满足我国《浮置板轨道技术规范》限值要求，且减振垫刚度还存在可下调空间。

(2)行车速度为120 km/h的工况下钢轨、浮置板、隧道的振动加速度1/3倍频程谱峰值较行车速度为80 km/h的工况下的峰值分别有6.2、2.8、0.5 dB的增大。可见行车速度的提高会加剧减振垫浮置板轨道各部分的振动，其中对钢轨振动的影响最为明显。

(3)在80～120 km时速范围内，当行车速度提高时，虽然在全频段(0～2 500 Hz)减振垫浮置板轨道各结构的振动加速度综合振级有明显增长，但在对地面影响较大的0～20 Hz和20～80 Hz频段内，提速对浮置板及隧道的综合振级影响并不明显。

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Analysis of Subway Speed-increasing Influence on Vibration Characteristics of Damping Pad Floating Slab Track

YANG Qi-lu1,2, DOU Yin-ling1,2, WANG Ping1,2

(1.Key Laboratory of High-speed Railway Engineering, Ministry of Education, Chengdu 610031, China; 2.School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

通信作者：豆银玲(1993—)，女，河南商丘人，硕士研究生，E-mail：[e-mail]。

中图分类号：U231

文献标识码：A

DOI：10.13238/j.issn.1004-2954.2017.10.003

收稿日期：2017-01-03；

修回日期：2017-01-19

基金项目：国家杰出青年科学基金项目(51425804)

作者简介：杨麒陆(1992—)，男，四川成都人，硕士研究生，E-mail：[e-mail]。

文章编号：1004-2954(2017)10-0011-04