苏州轨道交通2号线轨道减振措施性能测试分析

李双袁国清李成侯晋施毅

苏州轨道交通2号线轨道减振措施性能测试分析

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（1.苏州大学城市轨道交通学院，215131，苏州；2.上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室，200240，上海；3.苏州市轨道交通集团有限公司，215004，苏州//第一作者，教授）

在苏州轨道交通2号线隧道内采用III型轨道减振器扣件、中量级钢弹簧浮置板道床以及重型钢弹簧浮置板道床等3种减振措施的代表断面上，采用落锤法测量钢轨、轨枕、道床及隧道侧壁测点的振动时域信号，计算得到各断面上测点的传递函数，并评价分析了这3种减振措施的性能。选取对列车振动较敏感的轨道下穿居民小区路段进行地面振动测试，分析了地下列车运行对居民生活的振动影响。研究结果表明，苏州轨道交通所采取的大埋深及重型钢弹簧浮置板道床等减振措施是卓有成效的。

城市轨道交通；环境振动；轨道减振器；钢弹簧浮置板

First-author′s addressSchool of Urban Rail Transportation，Soochow University，215131，Suzhou，China

城市轨道交通的快速发展在为人们生活提供方便的同时，也会带来一定的环境振动污染问题［1-2］。为此，在规划、设计与环评阶段对轨道交通所致的环境振动进行较为准确的预测［3-7］，进而对振动敏感路段施加合适的减振方式［8-9］，已成为城市轨道交通建设的工作重心和研究热点。

本文对苏州轨道交通2号线地下轨道所采取的3种减振措施进行振动测试，计算各种减振轨道结构的振动传递函数，对比分析各种减振措施的性能；然后对设置钢弹簧浮置板道床路段的居民小区进行振动测试，将列车运行引起的振动与环境振动进行对比，分析振动特性及减振效果。研究结果为后续线路的振动预测与减振设计提供参考。

1 隧道内振动传递函数测试

落锤法是研究轨道结构的动力特性、评价和优化轨道刚度匹配和构件性能的常用方法，具有方法简单、可操作性强、测试结果离散性小等优点［5-7］。在苏州轨道交通2号线上，针对隧道内采用的3种减振措施，选择的测试断面与轨道结构为：盘蠡路站DK20+880-DK21+420路段III型轨道减振器扣件、盘蠡路站DK20+180-DK20+ 550路段重型钢弹簧浮置板道床、山塘街站ZDK14+350-ZDK14+530路段中量级钢弹簧浮置板道床。采用落锤法测得钢轨、轨枕、道床以及隧道侧壁（3个方向）的振动时域信号，得到各断面从钢轨至轨枕、道床以及隧道侧壁的传递函数，用于评价减振性能。

定义：列车上行方向为+X方向、轨面向上为+Z方向，另外一个方向用右手法则确定。

落锤法：在距离轨面0.5 m高处，用绳子悬挂一个1 kg的钢球，让其自由落体敲击轨面，同时采集各测点的振动响应；每次测试时间10 s，每个断面测量4次。

采用高灵敏度加速度传感器及16通道的Mueller-BBM振动噪声测试分析系统，测试的采样频率是2 048 Hz，有效分析频率为800 Hz。实验测点分布如图1所示，其中采集仪与4个测点传感器有线连接。

图1 地下轨道断面落锤法测点分布图

1.1 III型轨道减振器断面

钢轨测点的4次落锤测试的时域信号相似，如图2所示。各测点的加速度频谱如图3所示。

图2 钢轨测点的时域加速度

图3 Ⅲ型轨道减振器断面各测点的加速度频谱

将Ⅲ型轨道减振器断面各测点加速度信号Y（ω）提取出来，再用传递函数计算获得钢轨X（ω）至其它测点的传递函数。对这些传递函数做1/3倍频谱，并截取＜400 Hz的频谱。为了便于分析，将无量纲的传递函数H取对数20 log H，其幅值单位转换成dB（如图4所示）。

从图4中可以看出，钢轨的振动信号传递到其它测点时，在低频（＜10 Hz）有一定程度的放大，其中轨枕测点在3.15 Hz传递函数为15.3 dB；在＞40 Hz的频段，轨枕与道床测点都有20 dB的衰减，侧壁测点衰减最大可达到40 dB。

1.2钢弹簧浮置板道床断面

图4 Ⅲ型轨道减振器断面钢轨测点至各测点的传递函数

测试得到各测点的振动加速度频谱（限于篇幅不再列出），计算得到钢轨振动到各测点的传递函数分别如图5和图6所示。

1.3 对比分析

图5 中级钢弹簧浮置板道床断面钢轨测点至各测点的传递函数

主要关心从钢轨测点振动信号传递到隧道侧壁Z方向在40～125 Hz频段内的传递函数。将3种减振措施的传递函数绘制成图（见图7）。从图7中可以看出，钢轨至侧壁测点Z方向的振动衰减量，重型钢弹簧浮置板道床断面最大、中量级钢弹簧浮置板道床次之、III型轨道减振器扣件断面最小。其中，重型钢弹簧浮置板道床断面侧壁测点受到环境和工频信号的掩盖，所以在50 Hz处出现突变。整体而言，在40～125 Hz频段重型钢弹簧浮置板道床断面比III型轨道减振器扣件断面的推动衰减量要大，大于4 dB。

图6 重型钢弹簧浮置板道床断面钢轨测点与各测点的传递函数

图7 3种减振措施断面钢轨测点至隧道侧壁测点Z方向的传递函数

2 地面振动测试

针对苏州轨道交通2号线正下方穿过的居民区，选择银桥新村作为测量点，分析重型钢弹簧浮置板道床的减振效果。该小区下面的轨道埋深14 m，小区在2号线上的位置如图8所示。

根据《苏州市轨道交通2号线工程环境影响报告书》，银桥新村为2-7层砖混结构的住宅楼，属Ⅱ类建筑物，其环境振动执行标准为：昼间不大于70 dB，夜间不大于67 dB。如果不采取减振措施，该处振动预测值为78 dB，超标量为：昼间8 dB，夜间11 dB。环评建议减振措施为：设置420 m（双线长度）钢弹簧浮置板道床，减振目标值-20 dB，措施后振动预测值58 dB，达标。

选择垂直轨道中心线5 m（1号测点）、10 m（2号测点）、20 m（3号测点）、40 m（4号测点）处的4个测点，测点分布如图8所示。测试采集时间共1 800 s，如图9所示。

图8 银桥新村位置及地面测点布置

图9 银桥新村各测点时域图

从整个时域图中加速度的幅值变化，几乎无法分辨列车通过时段，说明重型钢弹簧浮置板道床起到了很好的隔振作用。根据苏州轨道交通1号线的振动实测情况，列车通过时间约为10 s，如图10所示。

图10 苏州轨道交通1号线列车通过时的钢轨振动加速度

本次截取某趟列车通过时加速度最大的中间3.5 s时段（472.0～475.5 s）进行分析，各测点的振动频谱如图11所示。

选取无列车通过时，信号较稳定的时间段（600～700 s）的3号测点时域信号作为环境振动信号，环境振动频谱如图12所示。

图11 银桥新村列车通过时段的地面振动频谱

图12 银桥新村环境振动频谱

苏州轨道交通1号线地面振动测试结果表明，列车运行传到地面的振动能量集中在50～80 Hz，因此这一频段是需要重点关注的。

对照图11和图12可以看出，1号测点有效地捕捉到了列车通过时的振动信号，主要峰值在50～80 Hz之间，而且列车通过时的振动区别于环境振动的频段集中在400 Hz以下；相对于环境振动而言，其它测点的峰值并不明显，只是在300 Hz左右出现小的凸起，这说明在埋深较大且远离列车行进方向的情况下，地面振动信号快速衰减。

将列车通过时段各测点振动换算成平均Z振级和最大Z方向振级并绘制成图（见图13）。从图13可以看出，随着距离线路越远，振动刚开始明显下降，后面降低得少。列车通过时，距离轨道中心线5 m处测点的平均振动级比环境振动仅仅高出0.4 dB，说明列车通过时的振动基本上被环境振动掩盖；环境振动的最大振级比列车通过时的最大振级要大，这说明小区内环境振动干扰才是主要的振动源。且所有的Z振级都不超过64 dB，这说明在列车试运行的工况下，银桥新村居民区的振动是达标的（白天＜70 dB，夜间＜67 dB）；列车通过时传递到地面振动能量主要集中在低频，典型列车通过时的振动频谱（1号测点）的峰值在50～80 Hz频段。大于80 Hz之后的频段幅值急剧减小，达到环境振动量级。

图13 银桥新村环境振动与列车通过时各测点Z方向振级对比

3 结论

通过对苏州轨道交通2号线的3种轨道减振结构的振动传递函数测试、轨道下穿居民小区的地面测试和分析表明：

（1）从振动传递函数来看，低频段（特别是＜10 Hz）的振动从钢轨传递至轨枕、道床及隧道壁时，有不同程度的放大；在居民关心的40～80 Hz频段，3种减振器都有良好的效果；钢轨至隧道侧壁Z方向的振动衰减量，重型钢弹簧浮置板道床断面最大、中量级钢弹簧浮置板道床次之、III型轨道减振器扣件断面最小。

（2）在＞40 Hz的频段，钢轨至隧道侧壁的振动信号快速衰减，钢弹簧浮置板道床结构的衰减量最大可达到60 dB。整体而言，重型钢弹簧浮置板道床断面在40～125 Hz频段要比III型轨道减振器扣件断面的振动衰减量大4 dB以上。

（3）3种轨道减振结构的特征频率都不相同，III型轨道减振器扣件断面在200 Hz处出现单峰、重型钢弹簧浮置板道床断面在224 Hz处出现单峰、中量级钢弹簧浮置板道床断面在192 Hz和242 Hz出现两个单峰。落锤法能激励起后两个断面轨道多阶固有频率。

（4）对于轨道下穿居民小区，地下轨道交通激励振动与环境振动几乎没有差别，说明苏州轨道交通所采取的大埋深和重型钢弹簧浮置板道床等减振措施是卓有成效的。

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Damping Performance Test Analysis on Suzhou Metro Line 2

LI Shuang，YUAN Guoqing，LI Cheng，HOU Jin，SHI Yi

On the representative sections of Suzhou metro Line 2，type III vibration damper，middle-weight steel spring floating slab track and heavy-weight steel spring floating slab track are adopted.Monkey hammer method is used to obtain the vibration time domain signals at rail measuring points，on sleeper，ballast bed and tunnel sidewall respectively.The vibration transfer function between rail points of each section is calculated，performances of the above three vibration mitigation measures are evaluated.Besides，the sensitive residential areas above the tunnel are chosen as the object to test ground vibration，vibration effect over residents daily life caused by train operation is analyzed.The research shows that measures such as the large tunnel burial depth and the heavy-weight steel spring floating slab track taken by Suzhou rail transit are very effective.

urban rail transit；environment vibration；vibration damper；steel spring floating slab track

UZ13.2+4；U213.3

10.16037/j.1007-869x.2017.08.006

2015-08-06）