城市轨道交通钢轨打磨措施的减振效果测试研究

张伯林，张宏亮，辛 涛，郑 军 ，王朋松

（1.南京地铁集团有限公司，江苏南京 210008；2.北京城建设计发展集团股份有限公司，北京 100037；3.北京市轨道结构工程技术研究中心，北京 100037；4.北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044）

1 研究背景

城市轨道交通具有方便、快捷、准时、运量大等优点，极大程度地缓解了城市交通拥挤现状，近年来在我国发展迅猛[1-4]。截至2020年12月31日，国内累计有45个城市建成城市轨道交通并投入运营，运营线路达到244条，总长度7 978.19 km[5]。城市轨道交通开通以来，由于轨道线路状态随着运营时间增长出现劣化，居民投诉城市轨道交通引起的振动与噪声问题陆续增多[6-8]。北京、上海、广州、南京等城市轨道交通都曾遭遇此类难题[9-10]。例如，北京地铁大兴线开通1 年后，高米店北站至高米店南站区间青岛嘉园小区居民投诉本线路运营后振动噪声影响了正常的工作及生活；上海地铁8 号线自2008年通车以来，列车运营产生振动和噪声影响了青云路、控江路地段居民正常生活秩序，导致群众上访投诉次数不断增加；广州地铁1号线1999 年开通后，长寿路站至陈家祠站隧道区间上的一座住宅楼楼内居民被振动与噪声侵扰。如何采取有效措施降低振动及噪声影响，成为城市轨道交通发展中亟待解决的问题。

文章以振动噪声过大引发居民投诉问题的某城市轨道交通区间为例进行分析，区间中振动噪声敏感点与线路关系如图1所示。经过对敏感点附近线路轨行区间进行踏勘调研，参照高速铁路相关技术标准[11]要求对钢轨进行打磨，并对钢轨打磨前后隧道内振动源强进行现场测试，分析评估钢轨打磨效果。

2 现状调研

调研发现，敏感点附近线路采用圆形盾构隧道，隧道内径为2 750 mm，外径为3 100 mm，如图2所示。

图1 敏感点与线路位置关系（单位：m）

轨道结构采用长枕式整体道床，敏感点区段双线均采用罗德（Lord）扣件，扣件间距为600 mm。左线平面线型为R1 200 m + 夹直线 30 m +R450 m，纵坡为8.4‰；右线平面线型为R1 500 m +夹直线 24 m +R450 m，纵坡为8.577 ‰。

此外，在R1 200 m的曲线段发现内外股钢轨存在波磨，波长为40 mm，如图3所示。

图2 隧道区间结构

图3 钢轨波磨

经调研确认，振动噪声过大与波磨密切相关，因此决定对钢轨采取打磨措施，并利用测试手段评估打磨减振效果。测试分为2个部分，包括轨面不平顺测试与振动源强测试。

在入户调研体验过程中，右线地铁列车通过时引起振动噪声相比左线大，因此以右线为例进行测试分析。

3 轨面不平顺测试及分析

采用轨道几何状态检测仪对打磨前后曲线段钢轨表面不平顺进行测量，并对测量结果进行频域分析，不平顺幅值及粗糙度如图4、图5所示。

图4 外股钢轨轨面不平顺

图5 内股钢轨轨面不平顺

根据数据显示，内股钢轨存在波长为20 mm与40 mm的明显波磨，不平顺幅值约为51μm。外股钢轨波磨不明显，不平顺幅值约为8μm。打磨后轨面波磨状况得到显著改善，内外股轨面不平顺幅值分别降低67%与50%。

4 振动源强测试及分析

为对打磨措施减振效果进行评估，在敏感点附近选取1个典型断面，进行打磨前后隧道内振动源强测试。

4.1 测点布置

按照GB 10071-88 《城市区域环境振动测量方法》[12]所规定的减振效果测量方法，测点设在隧道壁，振动传感器安装高度在道床板面以上1.25 ± 0.25 m范围内。除隧道壁测点外，另设钢轨、道床板2个参考测试点。测点布置如图6～图9所示。

（1）钢轨测点。左右钢轨均布置1个垂向传感器，置于外侧轨底，另在距离目标断面15 m处设置1个触发传感器。

图6 传感器测点布置示意图（单位：m）

图7 钢轨测点

图8 道床板测点

图9 隧道壁测点

（2）道床板测点。左右钢轨下面轨道板布置1个垂向传感器，置于钢轨外侧轨底；基础板边缘布置1个垂向传感器。

（3）隧道壁测点。隧道壁测点置于道床板面以上1.5 m处，布置1个纵向及1个垂向传感器。

4.2 时域分析

此次测试共采集191组列车通过数据，典型高峰时段振动加速度时程曲线如图10所示。

根据数据显示，振动沿钢轨、道床板、隧道壁不断衰减。打磨前钢轨、道床板、隧道壁振动加速度峰值范围为0 ～ 200 m / s2、0 ～20 m / s2、0～1.0 m / s2，打磨后，钢轨、轨道板、隧道壁振动加速度峰值范围为0～100 m / s2、0～1 m / s2、0 ～0.5 m / s2，轨道结构及隧道壁振动加速度水平显著下降。为对轨道结构振动衰减进行定量分析，选取20组数据将打磨前后钢轨、道床板及隧道壁振动加速度峰值及有效值均值分别统计，如表 1、表2所示。

图10 振动加速度时程曲线

图11 振动加速度级

表1 打磨前后加速度峰值 m/s2

表2 打磨前后加速度有效值 m/s2

表3 打磨前后Z振级 dB

根据数据显示，钢轨及隧道壁振动加速度峰值及有效值衰减均达到50%以上。道床板振动峰值衰减最为明显，达到97.2%，有效值衰减为35.7%，钢轨打磨取得良好的减振效果。

4.3 频域分析

对典型高峰时段振动加速度时程曲线进行频域变换得到振动加速度级，结果如图11所示。根据标准振动加速度级采用Z频率计权曲线，可以得到钢轨、道床板以及隧道壁的Z振级[13-15]。将20组数据Z振级平均值进行统计，如表3所示。

根据数据显示，打磨后钢轨、道床板、隧道壁振动加速度水平在整个频带范围内都有所降低，尤其是在243 Hz附近（对应40 mm波长）。钢轨、道床板、隧道壁的Z振级都降低4 dB以上，表明钢轨打磨可以有效降低隧道内振动源强。

5 结论

文章针对某城市轨道交通振动噪声影响问题，对敏感点所处区间进行现场踏勘调研，发现振动噪声过大与轨道波磨密切相关。通过对打磨前后钢轨表面不平顺状态、隧道内振动源强进行测试分析，证明钢轨打磨措施有效，研究成果可为类似工程提供借鉴，主要结论如下。

（1）钢轨打磨前，曲线内股钢轨表面存在波长为20 mm 与40 mm明显波磨，打磨后波磨状况得到显著改善，内外股钢轨轨面不平顺幅值分别降低67%与50%。

（2）钢轨打磨后，轨道结构及隧道壁振动加速度峰值及有效值大幅度降低，钢轨、道床板、隧道壁振动加速度峰值相比打磨前分别减少63.4%、97.2%、64.6%，有效值相比打磨前分别减少52.5%、35.7%、80.0%。

（3）钢轨打磨后，钢轨、道床板、隧道壁的Z振级均降低4 dB以上，钢轨打磨取得显著效果。