多等级减振预制道床减振效果及振动位移研究

尹学军，兰慧峰，李会超，刘永强，李国玉，秦明君，洪 彧

（1.青岛科而泰环境控制技术有限公司，山东青岛 266101；2.青岛地铁集团有限公司，山东青岛 266108；3.西南交通大学土木工程学院，成都 610031）

减振预制浮置道床在轨道交通减振领域已被广泛应用，许多专家学者对减振垫浮置板系统作了大量的研究[1-5]。研究表明，预制道床具有铺设精度高、进度及质量易控制、劳动强度小、后期维护方便等优点，所以道床全面预制化已成为国内轨道交通建设的发展趋势，并在上海、深圳、苏州等地广泛应用。通过大量工程经验可知，预制道床中的钢弹簧浮置板虽然减振效果较好，但是具有铺设成本较高、位移较大以及失效后安全性较差[6-7]等缺点，而目前减振垫预制道床技术存在减振等级固定、失效后无法更换等缺点。

为解决现有减振垫道床减振效果差、减振等级单一固定，以及线路运行后减振等级无法升级和再调平困难等问题，本文提出了基于多孔自由式复合减振垫的多等级减振通用预制道床技术(见图1)，并将该技术应用于青岛新建地铁4 号线张彭区间地铁项目。经过相关测试，该多等级减振预制道床具有较好的减振效果，同时可根据项目具体情况需要对减振等级进行调整，真正实现了精准调平、线路运行前后的减振等级可调、减振垫更换方便以及铺设成本降低。由于道床和基底板均为预制生产，这样大大提高了现场的施工效率及施工质量，缩短了工期，节省了大量人工成本。为使表述简洁，将“多等级减振通用预制道床的高等减振道床”简称为“高等减振道床”；“多等级减振通用预制道床的中等减振道床”简称为“中等减振道床”；“长枕埋入式现浇混凝土普通整体道床”简称为“普通道床”。各层级减振参数设计见表1。

表1 各层级减振参数设计Table 1 Design of vibration reduction parameters at each level

1 试验条件说明

1.1 轨道

本次试验选取的地铁线路区间隧道内铺设60 kg/m钢轨，扣件为DTVI2型，测试区间左线高等减振道床铺设长度为153.6 m(曲线段)，中等减振道床铺设长度为148.8 m(直线段)。浮置板道床厚度均为260 mm，宽度均为2.3 m，标准板长度为4.7 m，普通道床与浮置板道床在区间内的分布情况如图2 所示。

图2 多等级减振预制道床与普通道床分布情况Figure 2 Distribution of prefabricated and ordinary multi-class vibration damping ballast beds

1.2 断面及测点选择

根据《浮置板轨道技术规范》(CJJ/T 191—2012)[8]要求，选取线路条件(包括地址条件、线路曲线半径、钢轨类型、轨道不平顺、隧道壁断面、隧道埋深、路基或桥梁结构等)、钢轨和扣件类型应与浮置板轨道相同或相似的普通道床地段作为参考系，应借助参考系相同测点的测量结果，通过比较得出浮置板轨道的减振效果。综合考虑以上因素及要求，为得到客观性评价，最终决定选取8 组断面进行测试，测试断面情况见表2。

表2 测试断面情况Table 2 Test section

隧道内振动及位移测试同时进行，振动加速度传感器安装高度在轨面1.25 m 处隧道壁位置及道床板中心边侧位置，位移传感器安装在板端部位置(见图3)，位移测试断面选取断面2、断面4 和断面6 分别进行测试。多等级减振通用预制道床振动及位移测点现场布置见图4，普通道床测点布置与多等级减振通用预制道床一致。

图3 浮置板道床过车振动及位移响应测点布置Figure 3 Schematic of measuring points for vibration and displacement response of floating plate ballast bed

图4 测试现场测点布置Figure 4 Layout of measuring points at the test site

1.3 车辆

测试的运营车辆为B1 型电客车，6 节编组，4 动2拖，总长118 m，设计轴重14 t，车辆的长、宽、高分别为19、2.8 和3.8 m，区间内列车设计时速为80 km/h，实际测试时列车以70 km/h 左右速度通过所有测试断面。

1.4 测试设备

本次试验主要采用北京某振动与噪声技术研究所研制的INV3062-C1(L)型信号采集处理分析系统。INV9828 型加速度传感器，采样频率为1 280 Hz；DH920型电涡流位移传感器，采样频率为25.6 Hz，所有检测设备鉴定证书均在有效期内。

2 评价指标及数据分析

2.1 评价指标

根据《浮置板轨道技术要求》(CJJ/T 191—2012)要求，减振效果的评价指标计算的量应为浮置板轨道与普通道床轨道比较分频振级均方根的差值ΔLa，频率考虑范围为4～200 Hz，计算公式如式(1)所示：

式中，VLq(i)是选择没采取浮置板的地段为参考系，其轨旁测点垂向振动加速度在1/3 倍频程第i个中心频率的分频振级，dB；VLh(i)是选择采取浮置板的地段为参考系，其轨旁测点垂向振动加速度在1/3 倍频程第i个中心频率的分频振级(dB)。

Z 计权传递损失计算采用了先计权后求差的环评计算评价方法[9]。首先分别计算道床和隧道壁的垂向振动Z振级，然后再对两者做差求得计权后的传递损失，见式(2)，Z 振级计权因子参考标准(ISO 2631—1：1997)[10]。

式中，VLt-w为同一断面道床与隧道壁之间Z 计权传递损失值(dB)；VLt为道床垂向Z 振级(dB)；VLw为隧道壁垂向Z 振级(dB)。位移测试结果的评价指标是过车时域数据的最大值。

位移测试数据分析时域数据峰值大小作为评价指标。为消除随机干扰，以下分析结果均按照每个测点选取20 组数据的算术平均值进行。

2.2 时域分析

列车经过各测试断面时，道床和隧道壁测点的典型加速度时程如图5～6 所示，由图中可以明显看出，高等、中等减振道床振动加速度的最大值是普通道床的19 倍，而相对应的隧道壁垂向振动加速度的最大值是普通道床的1/6。这是由于复合减振垫刚度较小导致多等级减振浮置板道床振动较为剧烈，同时其对过车振动又有较好的衰减作用。

图6 隧道壁垂向振动加速度典型时程曲线Figure 6 Typical time history curve of vertical vibration acceleration of tunnel wall

各测试断面测点的典型位移时程如图7～8 所示，20 组数据最大值平均值统计如表3 所示。可以得到，高等、中等减振道床地段轨道板垂向及横向位移均比普通道床大，且均不大于2 mm，满足《浮置板轨道技术规范》(CJJ/T 191—2012)中不大于3 mm 的要求。

表3 道床位移统计Table 3 Displacement statistics table of the ballast bed mm

图8 道床横向位移典型时程曲线Figure 8 Typical time history curve of the transverse displacement of the ballast bed

2.3 隧道壁分频振级差值分析

表4 和图9 分别为Z 计权后高等、中等减振道床和普通道床各断面隧道壁的垂向振级实测结果平均值统计表和1/3 倍频程振级频谱图。

表4 隧道壁垂向Z 振级统计Table 4 Statistics of vertical Z vibration levels of tunnel wall dB

图9 减振道床与普通道床隧道壁分频振级对比Figure 9 Comparison of frequency divided vibration levels for tunnel walls of damping track bed and ordinary track bed

由表4 和图9 可以得到，高等减振道床与普通道床相比，减振效果为13.9 dB，其中在20～200 Hz 频带范围内减振效果明显，分频振级最大值为49.9 dB(断面3)，位于80 Hz 中心频率处；中等减振道床与普通道床相比，减振效果为8.5 dB，其中在50～200 Hz频带范围内减振效果明显，分频振级最大值为54.4 dB(断面6)，位于63 Hz 中心频带处；同时由图9 可以得出，所有的普通道床断面隧道壁的分频振级最大值均位于63 Hz 中心频率处，最大值为64.8 dB(断面7)。

2.4 道床与隧道壁传递损失分析

经过分析得到，普通道床的4 个断面的传递损失基本一致，在此只选取普通道床断面2 进行分析，其他断面不再赘述。同样，高等、中等减振道床各选取断面4 和断面6 进行分析，另一断面不再赘述。表5给出了普通道床、高等减振道床、中等减振道床与对应隧道壁的垂向加速度分频振级传递损失比较结果。

表5 道床与隧道壁之间的传递损失值Table 5 Transfer loss values between track bed and tunnel wall dB

由表4、图10～11 可以得到，高等、中等减振道床的各分频振级传递损失效果分别是普通道床的3.6 倍和2.8 倍，可见该复合型减振垫具有较好的减振效果。

图10 同一断面道床与隧道壁Z 振级曲线Figure 10 Z-vibration level curve of track bed and tunnel wall at the same section

图11 多等级减振道床与普通道床插入损失曲线Figure 11 Insertion loss curve of multilayer damping track bed and ordinary track bed

实际工程中，可根据地铁线路过车振动大小及地铁线路与拟建建筑距离等影响因素，选择高等、中等减振预制道床进行设计安装。

3 结论

通过对青岛地铁4 号线张彭区间多等级减振预制道床与普通道床过车振动及位移测试分析，可以得到以下主要结论：

1) 在地铁车辆实际载客运行及速度70 km/h 左右时，高等、中等减振道床较普通道床减振效果(分频振级均方根差值平均值)分别为13.9 和8.5 dB；高等、中等减振道床断面道床与隧道壁之间的Z 振级传递损失值分别为45.8 和35.1 dB。

2) 多等级减振通用预制道床的高等减振道床、中等减振道床以及普通道床，过车时，垂向位移分别为2.298、0.265 和0.058 mm；横向位移分别为0.046、0.025 和0.019 mm，均满足《浮置板轨道技术规范》(CJJ/T 191—2012)中的要求。

3) 多等级减振通用预制道床减振效果明显，可根据不同需求自由选择减振等级，研究结果对减振通用预制道床的发展具有一定的指导意义。