蘇 劼，馬龍祥，汪 樂，李弘毅

(1.無(wú)錫地鐵集團(tuán)有限公司，江蘇無(wú)錫 214100； 2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 610031； 3.中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，南京 210014)

引言

隨著我國(guó)軌道交通的快速發(fā)展，全國(guó)各地地鐵里程迅速增長(zhǎng)。地鐵在為城市居民帶來(lái)諸多便利的同時(shí)，其列車運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)周邊環(huán)境也產(chǎn)生了一定的負(fù)面影響[1-3]。因此，如何減少地鐵列車引起的環(huán)境振動(dòng)已成為地鐵設(shè)計(jì)中備受重視的環(huán)節(jié)[4-5]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者對(duì)不同軌道配置條件下的地鐵振動(dòng)特性進(jìn)行了研究。王志強(qiáng)等[6]針對(duì)GJ-Ⅲ型扣件地鐵區(qū)段開展了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，分析采用不同減振措施后地鐵的振動(dòng)特性及相應(yīng)減振措施的減振效果，發(fā)現(xiàn)GJ-Ⅲ型扣件相對(duì)于DTVI2型扣件具有顯著減振效果；馮青松等[7]對(duì)普通扣件和減振扣件下列車運(yùn)行引發(fā)的地表振動(dòng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬分析，研究減振扣件的減振效果發(fā)現(xiàn)，采用減振扣件后，道床振動(dòng)峰值降低且低頻頻段偏移，隧道壁上減振扣件在卓越頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)振動(dòng)放大現(xiàn)象；李克飛等[8]對(duì)鋼彈簧浮置板軌道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，得出鋼彈簧浮置板軌道對(duì)低頻段振動(dòng)衰減較高頻段更差的結(jié)論；劉維寧等[9]對(duì)Ⅲ型與Ⅳ型軌道減振器扣件軌道的振動(dòng)加速度進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)他們的響應(yīng)在300 Hz附近有明顯放大現(xiàn)象，且車軌共振明顯；翟輝等[10]通過有限元模擬研究了地鐵鋼彈簧浮置板段列車運(yùn)行產(chǎn)生的地表低頻響應(yīng)，得出了地表低頻豎向振動(dòng)隨距離增加衰減，且在軌道結(jié)構(gòu)自然頻率處取得最大值的結(jié)論。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者及相關(guān)工程人員對(duì)城市軌道交通中普遍使用的各種減振軌道的減振性能均開展了相關(guān)研究，卓有成效，為相關(guān)減振軌道的應(yīng)用積累了大量經(jīng)驗(yàn)。無(wú)錫地鐵在現(xiàn)今普遍使用的壓縮型扣件基礎(chǔ)上，較為廣泛地采用了一種我國(guó)自主研發(fā)的整體硫化壓縮型減振扣件[11]作為環(huán)境振動(dòng)敏感區(qū)段的地鐵減振措施。雖然目前已有大量關(guān)于普通壓縮型減振扣件地鐵區(qū)段環(huán)境振動(dòng)的研究，且對(duì)其減振性能已有較為深入的認(rèn)識(shí)，但仍然缺乏針對(duì)無(wú)錫地鐵新型整體硫化壓縮型減振扣件應(yīng)用情況下地鐵區(qū)段環(huán)境振動(dòng)特性的定量研究。在此背景下，針對(duì)無(wú)錫地鐵整體硫化壓縮型減振扣件軌道段，應(yīng)用基于周期-無(wú)限結(jié)構(gòu)理論的車軌動(dòng)力耦合模型[12]及軌道-隧道-地層耦合系統(tǒng)的2.5維數(shù)值模型，系統(tǒng)分析了地鐵列車在其上運(yùn)行時(shí)誘發(fā)軌道、隧道及大地的振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律，進(jìn)而明確了整體硫化壓縮型減振扣件地鐵段的列車振動(dòng)傳播特性。研究成果可為新型整體硫化壓縮型減振扣件在地鐵減振中的應(yīng)用提供一定參考。

1 無(wú)錫地鐵整體硫化壓縮型減振扣件

減振軌道在我國(guó)已有二十余年的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，目前，為滿足高等和特殊減振需求采用道床減振，而對(duì)于中等減振則采用扣件減振[13]。我國(guó)常用的地鐵減振扣件分為剪切型扣件與壓縮型扣件。剪切型扣件利用橡膠的剪切變形為扣件系統(tǒng)提供彈性，具有良好的減振效果，但容易導(dǎo)致鋼軌發(fā)生不同程度的異常波磨，進(jìn)而引起輪軌系統(tǒng)強(qiáng)烈振動(dòng)及車輛與軌道零部件的疲勞破壞[14-16]。與剪切型扣件相對(duì)應(yīng)，壓縮型扣件利用橡膠的壓縮變形為扣件系統(tǒng)提供彈性，已取得一定的減振效果，能較好地避免地鐵運(yùn)營(yíng)中鋼軌異常波磨的產(chǎn)生[16]。我國(guó)DT系列與GJ-Ⅲ型等未經(jīng)整體硫化的普通壓縮型減振扣件[17-18]以及LORD扣件等整體硫化的壓縮型減振扣件[18]均得到了較多應(yīng)用。相較于普通壓縮型減振扣件，整體硫化壓縮型減振扣件采用整體硫化彈性鐵墊板結(jié)構(gòu)，將彈性鐵墊板中大部分橡膠與空氣隔離，不僅具有彈性均勻、軌道平順性好、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，還能為扣件系統(tǒng)提供更好的彈性，從而更為有效及穩(wěn)定地降低列車運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生的振動(dòng)與噪聲[19]。因此，整體硫化壓縮型減振扣件在我國(guó)地鐵線路中具有良好的應(yīng)用前景。

目前，我國(guó)地鐵中應(yīng)用的整體硫化壓縮型減振扣件仍以美國(guó)LORD扣件為主，而無(wú)錫地鐵在滿足與部分軌道部件互換通用的前提下，為緩解鋼軌磨損并提高軌道平順性，較為廣泛地使用了一種我國(guó)自主研發(fā)的新型整體硫化壓縮型減振扣件。該新型整體硫化壓縮型減振扣件豎向剛度12 kN/mm，阻尼系數(shù)3×104N·s/m，其現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況如圖1[11]所示。關(guān)于該新型整體硫化壓縮型減振扣件應(yīng)用效果的定量研究還十分缺乏，因此，有必要對(duì)其應(yīng)用的地鐵環(huán)境振動(dòng)特性進(jìn)行專門研究。

圖1 無(wú)錫地鐵研發(fā)的整體硫化壓縮型減振扣件[11]

2 依托工程概況及動(dòng)力計(jì)算模型

以無(wú)錫地鐵某區(qū)段為依托工程，研究地鐵整體硫化壓縮型減振扣件段的環(huán)境振動(dòng)特性。該區(qū)段隧道埋深20 m，管片內(nèi)徑2.7 m，外徑3.1 m，左右線中心距離17 m，地層自上到下依次為①1雜填土、③1黏土、③2粉質(zhì)黏土夾砂質(zhì)粉土、⑤1粉質(zhì)黏土、⑥1黏土、⑥2黏土和⑦1粉質(zhì)黏土。隧道埋置于⑥1黏土層中，地層及隧道結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)見表1。區(qū)段運(yùn)行列車為6節(jié)編組B型車，運(yùn)行速度為60 km/h。

為實(shí)現(xiàn)研究目的，同時(shí)兼顧計(jì)算效率，按以下兩步驟分析地鐵整體硫化壓縮型減振扣件段的環(huán)境振動(dòng)特性。首先，建立地鐵車輛與整體硫化壓縮型扣件軌道的垂向動(dòng)力耦合模型，并輸入軌道不平順，以解算出地鐵車輛在軌道上運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的輪軌力；然后，建立研究區(qū)段軌道-隧道-地層耦合系統(tǒng)的2.5維數(shù)值模型，并輸入第一步求得的輪軌力，將其施加于軌道上，以求解軌道-隧道-地層耦合系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)，從而獲得運(yùn)行列車引發(fā)環(huán)境振動(dòng)的量值及傳播規(guī)律。

地鐵車輛在減振軌道上運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的輪軌力采用基于周期-無(wú)限結(jié)構(gòu)理論的車軌動(dòng)力耦合模型來(lái)計(jì)算，軌道不平順采用美國(guó)5級(jí)譜進(jìn)行模擬。具體地，由于整體硫化壓縮型減振扣件軌道為整體道床軌道，采用以扣件間距L為周期的單層離散支撐軌道模型來(lái)模擬，其中，鋼軌被模擬為無(wú)限長(zhǎng)Euler梁，整體硫化壓縮型減振扣件被模擬為彈簧-阻尼元件。地鐵列車的每節(jié)車輛采用由車體、2個(gè)轉(zhuǎn)向架、4個(gè)輪對(duì)及連接它們的彈簧阻尼元件組成多剛體模型來(lái)模擬，共具有10個(gè)自由度。據(jù)此所建立的車軌動(dòng)力耦合模型如圖2所示。

圖2 普通整體道床單層軌道對(duì)應(yīng)的車軌動(dòng)力耦合模型

另一方面，軌道-隧道-地層系統(tǒng)則被視作沿線路縱向不變的一致性系統(tǒng)，采用2.5維數(shù)值方法進(jìn)行模擬。其中，鋼軌被視作Euler梁，采用2.5維解析法進(jìn)行模擬，道床-隧道-地層系統(tǒng)被視作黏彈性空間體，采用2.5維有限元法進(jìn)行模擬，動(dòng)力計(jì)算邊界采用2.5維人工黏彈性邊界，鋼軌與道床-隧道-地層系統(tǒng)通過扣件的力學(xué)平衡及位移協(xié)調(diào)條件進(jìn)行耦合。與車軌動(dòng)力耦合模型中采用離散支撐的彈簧阻尼單元模擬扣件不同，在2.5維模型中，扣件被模擬為連續(xù)支撐的彈簧阻尼單元，其相應(yīng)參數(shù)可由單個(gè)扣件參數(shù)除以扣件間距得到。限于篇幅，此處不再對(duì)2.5維數(shù)值方法進(jìn)行贅述，其相關(guān)計(jì)算原理可參考文獻(xiàn)[20-21]。

針對(duì)研究區(qū)段所建立的2.5維軌道-隧道-地層耦合模型如圖3所示。該模型在寬度上取120 m，深度方向上取80 m，列車荷載在右側(cè)隧道進(jìn)行加載。此外，在研究地鐵誘發(fā)振動(dòng)在大地中的傳播時(shí)，著重研究右側(cè)隧道(列車荷載加載側(cè)隧道)右側(cè)大地范圍內(nèi)的傳播規(guī)律，因此，模型在右隧道右側(cè)的區(qū)域更為寬闊。右隧道中線距模型左右邊界的距離分別為48.5 m和71.5 m。

圖3 軌道-隧道-地層耦合模型(單位：m)

3 振動(dòng)響應(yīng)分析

為研究地鐵列車運(yùn)行引發(fā)的振動(dòng)傳播規(guī)律，對(duì)線路同一橫斷面上鋼軌、道床、隧道壁及地表不同位置處的豎向振動(dòng)加速度響應(yīng)進(jìn)行研究。其中，鋼軌響應(yīng)以右隧道(加載隧道)右軌為例進(jìn)行分析，道床拾振點(diǎn)選取在道床頂面的中心位置處，隧道壁拾振點(diǎn)選取在隧道壁右側(cè)距道床1.5 m高的位置，而地表拾振點(diǎn)則在右隧道正上方地表位置向右50 m范圍內(nèi)每隔5 m選取1個(gè)。各拾振點(diǎn)的位置示意如圖4所示。

圖4 拾振點(diǎn)示意(單位：m)

圖5給出了鋼軌、道床及隧道壁拾振點(diǎn)的1/3倍頻程譜及不同點(diǎn)間的振動(dòng)傳遞損失，包括道床相對(duì)于鋼軌以及隧道壁相對(duì)于道床的分頻振級(jí)傳遞損失。

圖5 隧道內(nèi)拾振點(diǎn)1/3倍頻程譜及分頻振級(jí)傳遞損失

由圖5可以發(fā)現(xiàn)，運(yùn)行列車產(chǎn)生的1～100 Hz頻段內(nèi)的振動(dòng)，從鋼軌到道床，再到隧道壁呈逐漸衰減趨勢(shì)，其中，鋼軌拾振點(diǎn)的振動(dòng)加速度級(jí)量值在74.6～114.3 dB內(nèi)，而道床及隧道壁的振動(dòng)加速度級(jí)量值分別在37.3～80.7 dB及24.8～72.7 dB內(nèi)。振動(dòng)在從鋼軌至道床的傳遞過程中，分頻振級(jí)傳遞損失在中心頻率5 Hz達(dá)到最大值54.6 dB，且各頻段的傳遞損失都在30 dB以上；而振動(dòng)在從道床傳遞至隧道壁過程中發(fā)生的分頻振級(jí)傳遞損失在中心頻率100 Hz達(dá)到最值20.3 dB，且1～2 Hz與63～100 Hz頻段的傳遞損失也都在10 dB以上。

表2給出了鋼軌、道床及隧道壁拾振點(diǎn)的最大Z振級(jí)VLzmax及道床與隧道壁拾振點(diǎn)相對(duì)于鋼軌的最大Z振級(jí)傳遞損失ΔVLzmax。從表2也可以看出，經(jīng)過整體硫化壓縮型減振扣件對(duì)振動(dòng)的衰減后，道床及隧道壁的振動(dòng)響應(yīng)相較于鋼軌都會(huì)有大幅衰減，他們相對(duì)于鋼軌的最大Z振級(jí)傳遞損失分別達(dá)34.4 dB及42.9 dB。

表2 不同拾振點(diǎn)最大Z振級(jí)及相對(duì)鋼軌的傳遞損失

圖6給出了運(yùn)行列車引起的地表典型位置拾振點(diǎn)的加速度響應(yīng)時(shí)程及頻譜。從圖6可以看出：運(yùn)行列車誘發(fā)的地表加速度響應(yīng)時(shí)程圖像呈梭形，即隨著列車駛近、到達(dá)及駛離拾振點(diǎn)的過程，地表加速度響應(yīng)總體呈先增大后減小的趨勢(shì)；在地表0，25，50 m處加速度響應(yīng)時(shí)程的峰值分別為0.015 3，0.014 8，0.006 1 m/s2，表現(xiàn)出較為明顯的隨距離衰減的趨勢(shì)；地表加速度響應(yīng)主要集中在20～80 Hz頻段，且由輪軌共振頻率決定的響應(yīng)頻譜峰值均出現(xiàn)在30～50 Hz頻段內(nèi)。

圖6 地表典型位置處加速度時(shí)程及頻譜

圖7給出了地表不同位置拾振點(diǎn)的1/3倍頻程譜。從圖7可以看出：地鐵列車在整體硫化壓縮型扣件軌道上運(yùn)行誘發(fā)的地表加速度響應(yīng)主要集中在20～80 Hz頻段，且地表各拾振點(diǎn)加速度響應(yīng)1/3倍頻程譜的峰值在中心頻率40 Hz左右取得最大值，這也與上述地表響應(yīng)頻譜圖表現(xiàn)出的規(guī)律相吻合；在1～1.6 Hz頻段，由于這部分頻率成分的地表振動(dòng)主要源于列車準(zhǔn)靜態(tài)荷載的作用，因此，他們隨著距離的增大有明顯衰減，振動(dòng)加速度級(jí)衰減可達(dá)24.6 dB；在1.6～6.3 Hz頻段，地表振動(dòng)響應(yīng)隨距離增大的變化并不明顯，振動(dòng)幾乎無(wú)衰減；而在16～25 Hz頻段及79～100 Hz頻段，地表振動(dòng)響應(yīng)隨距離增加呈現(xiàn)出先增大后衰減的規(guī)律，且相應(yīng)加速度級(jí)分別在地表30 m及40 m處達(dá)到最大值；在其他頻段，地表振動(dòng)響應(yīng)隨距離增加在總體上呈現(xiàn)出振蕩型式的衰減。此外，從圖7中還可以發(fā)現(xiàn)，在40～100 Hz頻段，地表振動(dòng)響應(yīng)在距隧道中線40 m范圍內(nèi)衰減較為緩慢，振動(dòng)衰減量值極為有限，但從距隧道中線40 m地表到距隧道中線50 m地表，振動(dòng)卻有較大衰減，振動(dòng)加速度級(jí)衰減量值最大可達(dá)12.3 dB。

圖7 地表不同拾振點(diǎn)1/3倍頻譜

圖8給出了采用整體硫化壓縮型減振扣件時(shí)，地表最大Z振級(jí)隨距離的變化情況。

圖8 地表各拾振點(diǎn)最大Z振級(jí)

從圖8可以看出：在研究工況下，運(yùn)行地鐵列車誘發(fā)距加載隧道中線50 m范圍內(nèi)地表的最大Z振級(jí)量值在55.5～61.3 dB內(nèi)；隨著距離增加，地表最大Z振級(jí)總體呈衰減趨勢(shì)，但在距加載隧道中線40 m范圍內(nèi)表現(xiàn)得不明顯，在距加載隧道中線10 ～35 m內(nèi)存在較為顯著的放大區(qū)，地表最大Z振級(jí)在35 m處最大，量值達(dá)61.3 dB；使用整體硫化壓縮型減振扣件后，在距離加載隧道中線大于40 m的地表范圍，地表最大Z振級(jí)隨著距加載隧道距離的增大有較為顯著的衰減。需說(shuō)明的是，對(duì)比GB 10070—1988《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)城市不同區(qū)域最大Z振級(jí)限值的要求可知，使用整體硫化壓縮型減振扣件能滿足一般地鐵區(qū)段的減振需求。

4 結(jié)論

針對(duì)我國(guó)自主研發(fā)的新型整體硫化壓縮型減振扣件在無(wú)錫地鐵中的應(yīng)用效果問題，通過建立車軌動(dòng)力耦合模型及軌道-隧道-地層耦合系統(tǒng)的2.5維數(shù)值模型，對(duì)其應(yīng)用情況下列車運(yùn)行引發(fā)的軌道、隧道及大地振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了研究，揭示了該種新型扣件的減振性能，明確了其應(yīng)用時(shí)地鐵環(huán)境振動(dòng)的量值特征及傳播特性。通過研究，得到以下結(jié)論。

(1)使用新型整體硫化壓縮型減振扣件后，地鐵列車運(yùn)行引起的地表垂向加速度響應(yīng)頻譜峰值出現(xiàn)在30～50 Hz頻段內(nèi)。

(2)在采用新型整體硫化壓縮型減振扣件的情況下，運(yùn)行列車誘發(fā)的振動(dòng)在從鋼軌至道床傳遞過程中，各頻段分頻振級(jí)傳遞損失均在30 dB以上，且分頻振級(jí)傳遞損失最大值可達(dá)54.6 dB，而最大Z振級(jí)的傳遞損失也可達(dá)34.4 dB。

(3)在地鐵隧道埋深20 m且采用新型整體硫化壓縮型減振扣件的情況下，運(yùn)行地鐵列車誘發(fā)距隧道中線50 m范圍內(nèi)地表的振動(dòng)響應(yīng)在總體上隨距離增加而衰減，雖然衰減量值較為有限，但在該內(nèi)，地表最大Z振級(jí)量值在55.5～61.3 dB內(nèi)，均處于較小的量值水平。

(4)新型整體硫化壓縮型減振扣件具有良好的減振性能，能滿足一般地鐵區(qū)段的減振需求，在地鐵線路中具有良好的應(yīng)用前景。