减振板式无砟轨道减振性能试验研究

张欢

（中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081）

轨道结构是直接承受列车荷载的重要线路结构。深入研究其振动传递机理，有针对性地提出减振措施，对于目前我国大量建设和运营的高速铁路至关重要。减振板式无砟轨道可减轻列车荷载对下部基础的冲击，延长线路使用寿命，有效保护环境，减轻高速列车通过时对沿线居民生产和生活的影响［1-2］。本文选取我国广深港高速铁路狮子洋隧道，开展减振板式无砟轨道试验研究。

1 工程概况

狮子洋隧道长10.8 km，设计时速350 km，是目前国内最长、标准最高的水下隧道，同时也是世界上速度目标值最高的水下隧道［3］。该隧道地质条件较差，主要穿越软土层和砂层。为减少高速列车对软土和砂层段隧道基础的影响，无砟轨道结构须采取减振措施。

该隧道内CRTSⅠ型减振板式无砟轨道采用预应力混凝土平板［4］，在底座和CA砂浆之间设置厚27 mm的弹性橡胶减振垫层。横向上每块轨道板两侧底座上设置一对减振垫挡台，纵向上在隧道沉降缝和橡胶减振垫层刚度变化处断开并搭接，其余地段为连续铺设。

减振垫层为隔离式减振垫，由覆盖层、编织层、夹层和阻尼层4部分组成，并通过减振垫层下的圆台状橡胶弹簧提供弹性。减振垫层设置4种刚度，分别为0.10，0.08，0.06，0.04 N/mm2，

2 减振性能试验

2.1 试验方法

选取未设置减振垫层的无砟轨道地段作为对比工况。在设置不同刚度减振垫层地段分别测试动车组以不同速度通过时CA砂浆充填层应变、轨道板与底座间位移、无砟轨道结构和隧道各部位的振动加速度等参数。

测试方法为：①CA砂浆充填层应变采用应变式传感器直接或组成桥路测试，测试期间传感器须粘贴于被测物体表面。②钢轨、轨道板、底座、仰拱和隧道边墙的振动加速度采用压电式加速度传感器测试。测试期间传感器须粘贴于被测物体表面，隧道边墙加速度传感器须安装在距地面约1.5 m处的边墙竖直段。③钢轨垂向和横向位移采用应变式位移传感器测试，传感器采用塞尺进行现场标定。测试期间传感器须预压于被测物体表面。

2.2 试验结果与分析

2.2.1 CA砂浆充填层应变

动车组以不同速度通过CRTSⅠ型板式无砟轨道测点时，刚度0.04 N/mm2减振地段和非减振地段CA砂浆充填层应变实测数据统计结果见图1。

图1 CA砂浆充填层应变

由图1可见：减振地段CA砂浆充填层的垂向压应变和纵向拉应变最大值分别为51.2×10-6和297.6×10-6；非减振地段CA砂浆充填层的垂向压应变和纵向拉应变最大值分别为2.8×10-6和4.4×10-6。减振地段CA砂浆充填层的垂向压应变和纵向拉应变均大于非减振地段，但未超过CA砂浆充填层的容许应变。

2.2.2 轨道板与底座间位移

动车组以不同速度通过CRTSⅠ型板式无砟轨道测点时，轨道板与底座间垂向位移实测数据统计结果见图2。

图2 轨道板与底座间位移

由图2可以看出：①减振垫层刚度为0.10，0.08，0.06，0.04 N/mm2时，轨道板与底座间垂向位移最大值分别为0.29，0.67，0.63，0.86 mm；非减振地段轨道板与底座间垂向位移最大值为0.07 mm。②轨道板与底座间垂向位移最大值和平均值均与减振垫层刚度有关，刚度越大位移越小；减振地段轨道板与底座间垂向位移明显大于非减振地段。③减振地段轨道板与底座间横向位移较垂向位移小，减振垫层刚度为0.10，0.04 N/mm2时其横向位移最大值分别为0.04，0.10 mm。轨道板与底座间横向位移随胶垫刚度减小总体上呈增大趋势，但其量值较小满足相关规范要求［5］，轨道板横向稳定性较好。

2.2.3 1/3倍频程分析

倍频程表示的是相应倍频带内的振动能之和，一般采用1/3倍频程评价一个完整倍频程内的振动平均幅值［6-7］。为进一步分析不同刚度橡胶减振垫层的减振效果，对动车组以200，310 km/h的速度通过时，CRTSⅠ型板式无砟轨道轨道板、底座和隧道仰拱、隧道边墙振动加速度信号进行1/3倍频程分析，结果见图3和图4。

图3 动车组时速200 km时1/3倍频程振动加速度级

图4 动车组时速310 km时1/3倍频程振动加速度级

由图3和图4可见：①振动加速度级自上而下衰减，由轨道板传至底座有一定程度衰减，底座至隧道边墙衰减不明显；②轨道板振动加速度级随速度增加有增大的趋势，且高频段更明显；③与非减振地段相比，减振地段轨道板各频段振动加速度级均有增大趋势，500 Hz以下频段更明显；④动车组时速310 km时底座、隧道仰拱和边墙振动加速度级在300 Hz以上频段比非减振地段小，且橡胶减振垫层刚度0.04 N/mm和0.06 N/mm2地段底座和隧道仰拱的振动加速度级较小，高频成分的振动抑制效果较强。减振型CRTS I型板式无砟轨道的减振垫层刚度可采用0.04 N/mm和0.06 N/mm2。

2.2.4 插入损失

振动加速度的有效值是衡量加速度强度的统计指标，它表示振动加速度在单位时间的平均功率［8-9］。采用加速度有效值计算的振动加速度级更为准确，并以此计算减振地段相对于非减振地段的插入损失。插入损失为无减振装置与有减振装置情况下的振动加速度级之差［10］。

动车组以不同速度通过时无砟轨道轨道板、底座和隧道仰拱、边墙插入损失统计结果见图5。

图5 无砟轨道和隧道各部位插入损失随动车组速度变化曲线

由图5可见：①随着列车速度的提高，轨道板、底座、隧道仰拱和边墙的插入损失均有不同程度的变化。这是因为列车以不同速度通过时无砟轨道和隧道各部位不同频段振动加速度级不同。②轨道板插入损失随减振垫层刚度降低而减小，当减振垫层刚度为0.04 N/mm2时，轨道板插入损失在列车不同速度级均为负值，表明此地段轨道板振动加速度级大于非减振地段。③减振垫层刚度为0.08 N/mm2时，底座插入损失较小，减振效果不明显；减振垫层刚度为0.04 N/mm2时，底座插入损失最大值为22 dB，减振效果明显。④不同刚度减振垫层地段隧道仰拱处均有减振效果，插入损失最大值为26dB。⑤减振垫层刚度为0.04N/mm2和0.06 N/mm2时隧道边墙处均有减振效果，插入损失最大值为20 dB，但是减振垫层刚度为0.04 N/mm2时轨道板的振动加速度级有所增大。

2.2.5 传递损失

传递损失采用各层窄带谱中振动加速度总级值之差来计算，可直观反映振动能量在无砟轨道至隧道各层间的衰减。统计结果见图6。

图6 无砟轨道至隧道各层间传递损失随动车组速度变化曲线

由图6可见：①减振垫层刚度为0.04 N/mm2和0.06 N/mm2地段轨道板至底座传递损失均大于非减振地段，最大值为35.3 dB；②底座至仰拱的传递损失较离散，与列车速度、轨道整体刚度等有关；③时速310 km时减振垫层刚度0.06 N/mm2地段仰拱至边墙的传递损失略大于非减振地段。

3 结论

通过板式无砟轨道减振性能试验得出以下主要结论：

1）减振地段CA砂浆充填层的垂向压应变和纵向拉应变均大于非减振地段，但未超过CA砂浆充填层的容许应变。

2）轨道板与底座间垂向位移最大值和平均值均与减振垫层的刚度有关，刚度越大位移越小；减振地段轨道板与底座间垂向位移明显大于非减振地段。减振地段轨道板与底座间横向位移较垂向位移小，满足相关规范要求。

3）动车组时速310 km时，300 Hz以上频率成分的振动受到抑制，且减振垫层刚度0.04 N/mm2和0.06 N/mm2地段底座和仰拱的振动加速度级较小。

4）减振垫层刚度为0.04 N/mm2和0.06 N/mm2时隧道边墙处均有减振效果，插入损失最大值为20 dB，但减振垫层刚度为0.04 N/mm2时轨道板振动加速度级有所增大。

5）减振垫层刚度为0.04 N/mm2和0.06 N/mm2地段轨道板至底座传递损失均大于非减振地段，最大值为35.3 dB；时速310 km时减振垫层刚度0.06 N/mm2地段仰拱至边墙的传递损失略大于非减振地段。

综合考虑，减振型CRTSⅠ型板式无砟轨道的减振垫层刚度以0.06 N/mm2为宜。