地铁常用减振轨道振动特性及减振效果对比研究

涂勤明

（广州地铁设计研究院股份有限公司，广州 510010）

城轨列车导致的沿线建筑物振动和噪声问题越来越引起关注，减振降噪成为城市轨道交通的一项主要研究内容［1］。目前地铁常用的减振轨道包括中等减振扣件轨道、梯形轨枕轨道、钢弹簧浮置板轨道等。

文献［2］在地铁典型路段进行现场试验，根据地铁引起的地面振动实况研究其振动特性及传播规律；文献［3］对地铁弹性扣件进行落轴冲击仿真分析，研究了3种典型扣件的减振性能；文献［4］在成都地铁对3 种扣件系统（GJ-Ⅲ，GJ-I，DTVI2）线路的轨道动态变形及振动进行了现场试验，对比分析了轨道变形、轨道振动、道床与隧道壁振动；文献［5-6］通过车辆-轨道-构造物系统化减振的论证，分析新减振理念的特征和必要性，并利用模拟计算和现场测试验证了梯形轨枕在减振降噪方面的使用价值；文献［7-10］运用动力学原理分析了浮置板轨道的隔振原理，根据国内外应用实例及实测结果验证了浮置板轨道的减振降噪效果。文献［11］实测了120 km/h 速度下地铁扣件节点处钢轨垂向位移，研究了行车速度及轨道不平顺对地铁扣件节点垂向位移的影响。

本文依托广州地铁，对中等减振扣件轨道、梯形轨枕轨道、钢弹簧浮置板轨道、普通整体道床轨道路段4 种不同类型的轨道进行环境振动现场实测，对比研究3种常用减振轨道的减振特性和效果。

1 测点布置及测试仪器

在广州地铁选取线路埋深、坡度基本相同的4 个直线路段作为测试路段，其轨道类型分别为普通整体道床轨道、中等减振扣件轨道、梯形轨枕轨道、钢弹簧浮置板轨道。在4 个测试路段分别选1 个断面布设测点，见图1。其中，在钢轨、道床、隧道壁3个部位各布置2 个振动加速度测点，分别测试3 个部位的垂向、横向振动加速度；在左右股钢轨上各布置2 个位移测点，分别测试钢轨垂向位移和轨头横向位移。

图1 测点布置

测试仪器包括加速度传感器、位移传感器、数据采集仪及电脑等。其中加速度传感器为CF0162 压电式电压型加速度传感器，测试频响范围为0.3～5 000 Hz。根据列车通过时振动响应大小的不同，钢轨、道床、隧道壁的加速度传感器量程分别为500g，50g，2g（g为重力加速度）。

2 测试评价标准

我国在ISO 2631 系列规范的基础上，结合大量国内科研成果，制定了GB/T 13441 系列标准。作为我国环境振动研究行业规范的指导性准则，GB/T 13441 系列标准制定了严密的振动评价体系和指标，适用于不同范围或情况，对不同方向、不同频率的振动规定了不同的计权系数。

对隧道内振动数据进行分析时，根据规范［12］选用GB/T 13441 系列标准中垂直方向（Z向）的计权方式，修正后的振级即为Z振级，其计算公式为

式中：VLZ为振动计权加速度级（Z振级）；Li为每个频率的振动加速度级；ai为各频带的计权因子。

目前最常用的是以1～80 Hz 频率的Z振级插入损失ΔL作为减振措施的评价量，其计算公式为

式中：VLZ1，VLZ2分别为无减振措施、有减振措施时的Z振级。

3 振动加速度测试及分析

根据文献［12-13］及现场实际情况，统计20 趟地铁列车通过各测点时的振动加速度数据并进行时域和频域分析。地铁列车通过普通整体道床轨道、中等减振扣件轨道、梯形轨枕轨道、钢弹簧浮置板轨道的测点时平均速度分别为83，67，86，79 km/h。

3.1 时域分析

3.1.1 振动加速度

以各测点20 趟地铁列车通过时振动加速度最大值的平均值作为该测点的振动加速度，见表1。

表1 列车通过时不同类型轨道的振动加速度m·s-2

从表1可以看出：①普通整体道床轨道、梯形轨枕轨道、钢弹簧浮置板轨道钢轨的振动加速度相差不大，中等减振扣件轨道明显偏小。这是因为中等减振扣件轨道测点的地铁列车运行速度较小，导致其钢轨振动加速度尤其是钢轨横向振动加速度偏小。②中等减振扣件轨道的道床振动加速度小于普通整体道床轨道，而梯形轨枕轨道、钢弹簧浮置板轨道明显大于普通整体道床轨道。③钢弹簧浮置板轨道的隧道壁振动加速度明显小于另外3种轨道类型。

3.1.2Z振级

以各测点20趟地铁列车通过时1～80 Hz的Z振级平均值作为该测点的Z振级，见表2。

表2 列车通过时不同类型轨道的Z振级 dB

从表2可以看出：①3种减振轨道的钢轨Z振级均比普通整体道床轨道略小。②3 种减振轨道的道床板Z振级均大于普通整体道床轨道，其中钢弹簧浮置板轨道最大，中等减振扣件轨道最小。③3 种减振轨道的隧道壁Z振级均小于普通整体道床轨道，其中中等减振扣件轨道最大，钢弹簧浮置板轨道最小。因此，减振效果最好的是钢弹簧浮置板轨道，其次是梯形轨枕轨道，最后是中等减振扣件轨道。

3.2 频域分析

3.2.1 1/3倍频程分析

对各测点测得的振动加速度进行1/3 倍频程分析，得到该测点的振动加速度级频谱，见图2。

图2 不同类型轨道振动加速度1/3倍频程频谱

从图2 可以看出：①在1～800 Hz 频域，3 种减振轨道的钢轨垂向加速度级均小于普通整体道床轨道，且钢弹簧浮置板轨道小于中等减振扣件轨道；在100～160 Hz 频域，梯形轨枕轨道和普通整体道床轨道接近。②在1～800 Hz 频域，3 种减振轨道的钢轨横向加速度级均小于普通整体道床轨道；在80～400 Hz频域，梯形轨枕轨道和普通整体道床轨道接近。③在1～800 Hz频域，钢弹簧浮置板轨道的道床板垂向加速度级明显大于普通整体道床轨道；在1～400 Hz 频域，中等减振扣件轨道、梯形轨枕轨道扣件轨道均大于普通整体道床轨道，而在400～800 Hz频域均小于普通整体道床轨道。④在1～800 Hz频域，钢弹簧浮置板轨道的道床板横向加速度级明显大于普通整体道床轨道；中等减振扣件轨道小于普通整体道床轨道；梯形轨枕轨道与普通整体道床轨道差别不大。⑤在1～800 Hz 频域，3 种减振轨道的隧道壁垂向、横向加速度级均明显小于普通整体道床轨道。因此，钢弹簧浮置板轨道减振效果最好。

3.2.2 插入损失

一般采用隧道壁的插入损失来评价轨道的减振性能。3种减振轨道的隧道壁垂向插入损失见图3。

图3 不同轨道类型隧道壁垂向插入损失

从图3 可以看出：在1～25 Hz 频域，3 种减振轨道的隧道壁垂向插入损失均保持平稳；在25～160 Hz 频域，3 种减振轨道的隧道壁垂向插入损失出现不同程度的下降，其中钢弹簧浮置板轨道下降幅度最大、梯形轨枕轨道次之、中等减振扣件轨道下降幅度最小；在160～800 Hz频域，中等减振扣件轨道的插入损失基本保持平稳，而梯形轨枕轨道和钢弹簧浮置板轨道的插入损失先上升然后下降。因此，在低频段3 种减振轨道减振效果均保持平稳，钢弹簧浮置板轨道优于另外2种减振轨道；在高频段梯形轨枕轨道、钢弹簧浮置板轨道减振性能明显优于中等减振扣件轨道。

4 钢轨动态变形测试及分析

地铁列车通过各测点时，位移传感器测得左右股钢轨垂向位移和轨头横向位移，得出钢轨垂向位移（负号表示向下）和轨距变化的最大值，见表3。

表3 列车通过时不同类型轨道的钢轨动态变形 mm

从表3 可以看出：①中等减振扣件轨道的钢轨垂向位移比普通整体道床轨道大62.36%，梯形轨枕轨道和钢弹簧浮置板轨道比普通整体道床轨道分别小5.75%，14.37%。②中等减振扣件轨道、梯形轨枕轨道、钢弹簧浮置板轨道的轨距变化分别比普通整体道床轨道大66.21%，26.94%，12.29%。显然，中等减振扣件轨道的钢轨动态变形增大明显。这是由于其减振效果主要是通过减振扣件实现，而减振扣件的刚度比普通扣件刚度小，导致钢轨动态变形增大。

5 结论

本文在广州地铁选取4种轨道类型分别为中等减振扣件轨道、梯形轨枕轨道、钢弹簧浮置板轨道、普通整体道床轨道的路段进行了环境振动现场实测，对比分析了地铁列车通过时4种轨道的钢轨、道床、隧道壁振动加速度（垂向、横向）及钢轨动态变形（垂向、横向）。结论如下：

1）普通整体道床轨道、梯形轨枕轨道、钢弹簧浮置板轨道钢轨的振动加速度相差不大，中等减振扣件轨道因其通过车速偏小而钢轨振动加速度明显偏小；中等减振扣件轨道的道床振动加速度小于普通整体道床轨道，另外2 种减振轨道明显大于普通整体道床轨道；钢弹簧浮置板轨道的隧道壁振动加速度明显小于其他轨道；

2）从Z振级角度看，钢弹簧浮置板轨道减振效果最好，其次是梯形轨枕轨道，中等减振扣件轨道最差。

3）从1/3 倍频程分析看，钢弹簧浮置板轨道减振效果明显好于另外2种减振轨道。

4）从隧道壁垂向插入损失看，在低频段3 种减振轨道减振效果均保持平稳，钢弹簧浮置板轨道优于另外2 种减振轨道；在高频段，梯形轨枕轨道、钢弹簧浮置板轨道减振性能明显优于中等减振扣件轨道。

5）中等减振扣件轨道的钢轨动态变形明显大于其他轨道。