高速列车诱发桥隧段线路振动特性试验研究

李 平，罗信伟

(广州地铁设计研究院有限公司，广东 广州 510010)

近年来，快速轨道交通的发展给人们出行和运输带来了极大的便利，但列车运行所产生的振动和噪声不但会影响轨道交通系统的设备、旅客和工作人员，而且会对附近敏感建筑物的正常使用以及居民的正常工作和生活产生不利影响[1-5]。因此，随着列车运行速度越来越高，其所带来的振动及噪声问题也越来越引起人们的关注[6]。本文以实际工程为依托，结合工程沿线地质条件，开展高速列车作用下桥梁和隧道地段线路振动特性的现场测试，分析高架线和地下线的振源特点、轨道结构与下部基础的振动特性、对应的环境振动以及其衰减规律，可为今后控制既有线路环境振动和预测新建线路环境振动提供依据。

1 试验段工程概况

选择广深港高速铁路光明城高架段以及武广高速铁路金沙洲隧道段进行现场测试。

广深港高速铁路[7]是京广高速铁路至香港延伸线的组成部分，也是珠江三角洲城际快速轨道交通网的骨干部分。其中光明城高架段总共13 km，跨越公明、光明2个办事处，贯穿辖区内西田、李松蓢、楼村、圳美、迳口5个社区，抵达凤凰社区，沿途有万亩荔枝林、大屏障山、楼村回归亭、大宝鸽场、光明高尔夫球会、牛山科技公园以及规模不断扩大的光明高新园区北片区，设有凤凰、水田等特大桥。

武广高速铁路金沙洲隧道[8]北起佛山市里水镇洲村，南至南海市黄歧镇沙溪村，沿线地质条件复杂，围岩较差，横穿西环高速公路、建设大道、河流以及地表建筑物，隧道(含明洞)长 3 982 m。全隧道位于直线上，隧道纵坡为V形坡，分别位于长 2 354 m、坡度20‰的下坡段和长 2 000 m、坡度20‰的上坡段。除隧道进口为小丘陵外，隧道洞身最大埋深约25 m。区间地貌属珠江冲积平原，地形平坦开阔，水塘沟渠星罗棋布，地层表层为第四系全新统冲积层，厚15～25 m，主要组成为淤泥质粉质黏土、粉砂；下伏基岩为粉砂岩、碳质灰岩、长石石英砂岩等。

2 测试内容及测试方案

2.1 测试内容

在高速铁路列车正常运行情况下，分别在高架段和隧道段进行测试，测试内容主要为振动的振源及环境振动衰减特性。测试物理量包括：轨道板(道床板)垂向振动加速度、高架桥面垂向振动加速度(高架桥段)、隧道壁垂向振动加速度(隧道段)、环境地面垂向振动加速度(高架桥段、隧道段)。另外，通过在各测试断面的钢轨上布置位移传感器测量钢轨垂向动态位移，间接获得列车通过速度。

2.2 测试断面

本次测试共包含4个断面，高架段断面分别位于直线段和曲线段，隧道段2个断面均位于直线段，见表1。对于高架段，断面1位于凤凰特大桥，属于直线段，墩高25 m，地表覆盖坡洪积粉质黏土，桥墩周围有较厚回填土；断面2位于水田特大桥，属于曲线段，曲线半径 7 000 m，墩高30 m，地表覆盖淤泥质黏土，桥墩周围分布有菜地。对于隧道段，断面1距隧道出口300 m，轨面埋深15 m，地质情况主要是淤泥质粉质黏土、粉砂；断面2在隧道中部，轨面埋深35 m，地质情况为碳质灰岩、粉砂、淤泥质粉质黏土。

表1 测试断面概况

2.3 测点布置

2.3.1 高架段测点布置

1)高架段振源测点布置

对于轨道附近振源，选择测点位于轨道板中部横截面，分别在轨道板横向端部布置1个垂向加速度传感器，在距离轨道中心线1.5 m的高架桥面上布置1个垂向加速度传感器，另外在钢轨轨脚处布置1个钢轨垂向位移传感器。测点具体布置如图1所示。直线段和曲线段传感器布置一致。

图1 高架段振源测点布置

2)高架段地面环境振动测点布置

对于高架段地面环境振动共设4个测试断面，分别为直线段断面1附近的桥墩断面和跨中断面以及曲线段断面2附近的桥墩断面和跨中断面。桥墩断面墩脚处为第1个点，依次设置6个测点Tp1—Tp6，距左线中心线水平距离分别为0，7.5，15.0，30.0，45.0，60.0 m;跨中断面的6个测点平行对齐于桥墩断面的6个测点。每个测点布置1个加速度传感器，以获得垂向的振动情况，共24个测点。测点布设具体位置如图2所示。

图2 高架段地面环境振动测点布置

2.3.2 隧道段测点布置

1)隧道段振源测点布置

对于轨道附近振源，选择测点位于道床板中部横截面，分别在道床板横向端部布置1个垂向加速度传感器，在距离钢轨顶面1.25 m高度的隧道壁上布置1个 垂向加速度传感器，另外在钢轨轨脚处布置1个钢轨垂向位移传感器。测点具体布置如图3所示。

图3 隧道段振源测点布置

图4 隧道段地面环境振动断面1测点布置(单位：m)

2)隧道段地面环境振动测点布置

对于隧道段地面环境振动共设有2个测试断面，分别与振源测点断面一致。对于断面1，隧道顶面右线中心线上方开始为第1个点，依次设置6个测点Tp1′—Tp6′，距右线中心线水平距离分别为0，7.5，15.0，30.0，45.0，60.0 m。每个测点布置1个加速度传感器，以获得垂向的振动情况。断面1测点布设具体位置如图4 所示。由于断面2的现场有障碍物隔断且其60 m测点距离高速公路近，为减小高速公路振动对60 m 测点的影响，断面2环境振动测试范围为45 m，6个测点距右线中心线水平距离分别为0，7.5，15，22.5，30，45 m。隧道段地面环境振动测试共布置12个测点。

3 测试结果及分析

运行列车为高速铁路实际运营车辆，运行速度为正常运营速度，每个测试断面记录10列高速列车通过时的有效测量数据[9]。高架段断面1的列车运行速度为300 km/h，高架段断面2、隧道段断面1和隧道段断面2的列车运行速度均为290 km/h。

3.1 高架段和隧道段振源特性分析

高速列车通过时，高架段和隧道段振源测试结果见表2，桥面和隧道壁Z振级见表3。

表2 振源测试结果

表3 桥面和隧道壁Z振级 dB

由表2可知，高架段断面1和断面2的轨道板最大加速度分别为6.28，9.23 m/s2，振动加速度级分别为119，121 dB；桥面最大加速度分别为1.07，2.57 m/s2，振动加速度级分别为103，105 dB。虽然高架桥曲线段行车速度较直线段低10 km/h，但曲线段振源振动强度明显高于直线段，主要是因为列车经过曲线段时，轮缘贴靠钢轨运行，导致轮轨接触为多点接触，轮轨关系更为复杂，进而导致轮轨力增加，最终导致轨道结构振动更为剧烈。另外通过频域分析可知，轨道板振动频率主要集中在200～1 000 Hz，桥面振动频率主要集中在80～160 Hz,400～630 Hz。隧道段断面1和断面2的道床板最大加速度分别为5.78，5.86 m/s2，振动加速度级分别为129，131 dB，振动频率主要集中在200～500 Hz；隧道壁的最大加速度分别为2.37，2.54 m/s2，振动加速度级分别为91，92 dB，振动频率主要集中在50～125 Hz。

由表3可知，对于高架段断面1和断面2，在1～80 Hz内计权的桥面Z振级分别为91，92 dB，在4～200 Hz 内计权的桥面Z振级均为93 dB。对于隧道段断面1和断面2，在1～80 Hz内计权的隧道壁Z振级分别为75，76 dB，在4～200 Hz内计权的隧道壁Z振级分别为79，80 dB。列车运行所产生的桥面Z振级远高于隧道壁Z振级。

3.2 高架段和隧道段地面振动及传播特性分析

环境振动采用垂直方向计权因子修正后的Z振级用VLZ表示[10-11]。高速列车在高架段和隧道段运行所诱发的环境振动Z振级见表4。

由表4可知，直线段桥墩断面环境振动高于桥梁跨中断面0～7 dB；曲线段桥墩断面环境振动高于桥梁跨中断面1～12 dB。虽然曲线段行车速度较直线段低10 km/h，但是曲线段环境振动Z振级依然高于直线段环境振动0～6 dB，且在桥墩断面更加明显。隧道段断面1的环境振动Z振级比断面2高3～13 dB，主要是由于断面1轨面埋深比断面2浅，导致断面1振动衰减路径小于断面2。高架段断面1和断面2、隧道段断面1和断面2的最大环境振动Z振级分别为84，90，66，57 dB，最大相差33 dB，即列车在高架桥上运行所诱发的环境振动远高于隧道区间的环境振动。

一般情况下，环境振动随距离呈对数关系衰减。因此，可采用统计回归方法拟合得到环境振动Z振级随距振源距离的衰减公式

VLZ=Ar+Blgr+C

式中：r为距振源距离;A,B,C为系数。

不同断面环境振动衰减公式系数见表5。高速列车在高架段和隧道段运行时部分断面的环境振动频谱特性如图5所示。

由图5可知，环境振动主要为200 Hz以下的低频振动，且主频集中在20～80 Hz。随着距振源距离增加，高频成分衰减速度大于低频成分。对于隧道而言，不同埋深下地面环境振动主频有所差别，总体上埋深越大，主频越低。

表5 环境振动衰减公式系数

图5 部分断面环境振动频谱特性

4 结论

本文以广深港高速铁路光明城高架段和武广高速铁路金沙洲隧道段为试验对象，结合沿线实际地质条件，开展高速铁路振源以及环境振动测试，研究振源特点和环境振动衰减规律，主要结论如下：

1)高架段轨道板振动主要集中在200～1 000 Hz，振动加速度级为119～121 dB，桥面振动主要集中在80～160,400～630 Hz，振动加速度级为103～105 dB，且曲线段振源振动强度明显高于直线段。隧道段道床板振动主要集中在200～500 Hz，振动加速度级为129～131 dB；隧道壁振动主要集中在50～125 Hz，振动加速度级为91～92 dB。

2)直线段桥墩断面环境振动高于桥梁跨中断面0～7 dB，曲线段桥墩断面环境振动高于桥梁跨中断面1～12 dB。虽然曲线段行车速度较直线段低10 km/h，但曲线段环境振动依然高于直线段环境振动0～6 dB，且在桥墩断面更加明显。而隧道段断面1的环境振动Z振级比断面2高3～13 dB；高架段断面环境振动Z振级高于隧道段断面最大达到33 dB。

3)随着距轨道中心线距离增加，环境振动逐渐减小；对于桥梁段，距离轨道中心线大于15 m后衰减速度降低，而对于隧道段，距离轨道中心线15 m以后可能出现振动骤降。

4)高速列车诱发环境振动主要为200 Hz以下，且主频集中在20～80 Hz；随着距轨道中心线距离增加，高频成分衰减速度大于低频成分。对于隧道而言，其埋深越大，主频越低。

5)列车在高架桥上运行所诱发的环境振动远高于隧道段，且幅值较大，建议在城市高架段采取一定的减振措施控制环境振动。