宁波轨道交通高架线路现场振动测试与分析

冯立力，许永富，尹铁锋，陈 涛，周俊宏



宁波轨道交通高架线路现场振动测试与分析

冯立力，许永富，尹铁锋，陈 涛，周俊宏

（宁波市轨道交通集团有限公司，宁波 315101）

通过对宁波轨道交通1号线一期工程高架线路进行现场振动测试，分析普通整体道床、梯形轨枕、减振垫道床3种不同轨道结构的振动传递规律和频谱特性，评价梯形轨枕和减振垫道床的减振效果。结果表明，对于桥面振动，跨中桥面明显大于梁端桥面；地面振动随水平距离的增大而衰减，衰减频段主要在20 Hz以上；梯形轨枕和减振垫道床对桥面、地面振动都有一定的减振效果，对梁端桥面的减振效果最明显；两种减振轨道对地面振动的减振效果相近。

城市轨道交通；高架线；梯形轨枕；减振垫道床；频谱特性；减振效果

城市轨道交通因其运量大、速度快、能耗低、占地省等特点，已成为大中城市居民出行的重要交通方式，有效解决了城市交通拥挤，最大化利用了城市土地资源。高架线路具有建设运营成本低、建设速度快、绿色节能等优点，因此被鼓励发展并得到了大量应用[1-2]。但随着城市轨道交通线网的不断扩展，以及人们生活质量的逐步提升，轨道交通运营产生的振动噪声给沿线居民的生活带来了许多不利的影响，这也成为了限制城市轨道交通（尤其是高架线路）发展的主要因素之一[3-5]。

轨道交通的振动是由运行车辆对轨道的冲击作用产生的，并通过结构传递到周围地层。桥梁结构振动和地面振动是轨道交通高架线路引起环境振动问题的两个重要原因。桥梁结构振动会引起结构噪声，具有衰减速度慢、传播距离远等特点，对高架沿线造成严重的噪声污染；地面振动可能诱发邻近建筑物的二次振动和噪声，对建筑物的结构安全和居民的日常生活产生巨大影响[6-9]。国际上已把振动列为七大环境公害之一[10]。

笔者通过对宁波轨道交通1号线一期工程高架线路现场振动测试，采集到实际运营阶段高架线桥面和地面的振动数据，分析普通整体道床、梯形轨枕、减振垫道床3种不同轨道结构的振动传递规律和频谱特性，评价梯形轨枕和减振垫道床的减振效果，以期为今后城市轨道交通高架线的轨道减振设计提供参考。

1 测试概况

1.1 测试仪器

本次振动测试采用的仪器设备主要有动态数据采集分析系统、振动传感器、积分放大器、内装IC压电加速度传感器、永磁传感器等，具体如表1所示；其中，内装IC压电加速度传感器的技术参数如表2所示。

表1 振动测试主要仪器设备

表2 内装IC压电加速度传感器技术参数

1.2 测试断面

本次振动测试选取宁波轨道交通1号线一期工程高架线路作为测试段，分别对无声屏障条件下的普通整体道床、梯形轨枕、减振垫道床3种不同轨道结构进行对比测试。

本次振动测试共选取了3个测试断面，具体里程和地质条件如表3所示。为保证对比测试的可靠性，测试断面线路均为直线段无缝线路、60 kg/m钢轨、WJ-2A扣件、无声屏障、30 m双线简支箱梁、梁高1.8 m，相应的轨道结构铺设里程均大于200 m，并且梁柱、支座和基础的结构尺寸以及地面状况等条件都基本相同。

表3 振动测试断面位置和地质条件

测试在实际运营阶段进行，采用实际运营的地铁B型车，6辆编组，运行最高速度为80 km/h，测试期间列车接近于空车。测试选取高架线路左线，列车通过各测试断面的速度如表4所示。

1.3 测点布置

在3个测试断面分别布置7个振动测点，每个断面的测点布置位置和测试内容如表5所示，测点布置如图1所示。其中，测点1和测点2分别布置在跨中和梁端的桥面上，以测量桥面振动加速度；测点3～测点7分别布置在不同水平距离的地面上，以测量地面振动加速度。测试最终选取15趟列车通过时的振动测量数据的平均值作为分析依据。

表4 列车通过测试断面速度

表5 振动测点位置和测试内容

图1 振动测点布置

2 测试结果及分析

2.1 各测点的振级

根据《环境影响评价技术导则—城市轨道交通》（HJ 453—2008），城市轨道交通工程运营期的振动环境评价指标为列车通过时段的累积百分Z振级（VLz10）和最大Z振级（VLzmax）。因此，以VLz10和VLzmax作为3种轨道结构的振动评价指标。普通整体道床、梯形轨枕、减振垫道床的7个振动测点的VLz10和VLzmax如图2所示。从图2中可以看出，两种Z振级指标显示的各测点振动规律基本一致，具体如下。

1）3种轨道结构的跨中桥面（测点1）振动均大于梁端桥面（测点2）振动，这是由于梁体跨中比梁端受梁体振动模态的影响更大。其中，普通整体道床测点1比测点2的振动大2.6～3.1 dB；梯形轨枕测点1比测点2的振动大8.4～9 dB；减振垫道床测点1比测点2的振动大7.3 dB左右。

图2 三种轨道结构各测点的振级

2）3种轨道结构的振动从梁端桥面（测点2）传递至正对轨道中心线处地面（测点3）均有大幅度减小。其中，普通整体道床振动从测点2传至测点3减小14.5～14.7 dB；梯形轨枕振动从测点2传至测点3减小11.2～11.4 dB；减振垫道床振动从测点2传至测点3减小10.9～11.1 dB。

3）随着离轨道中心线的水平距离从0 m增大到60 m（测点3至测点7），地面振动逐渐减小，且3种轨道结构的地面振动衰减趋势大致相近。

4）对于跨中桥面振动（测点1），普通整体道床最大、梯形轨枕次之、减振垫道床最小，但3种轨道之间相差不大（都在2 dB以内）。对于梁端桥面振动（测点2），普通整体道床最大、减振垫道床次之、梯形轨枕最小，其中梯形轨枕和减振垫道床之间相差不大（在1 dB以内），普通整体道床比另外两种轨道大6～7 dB。对于地面振动（测点3～测点7），梯形轨枕和减振垫道床之间相差不大（在1 dB以内），普通整体道床比另外两种轨道大1.5～3.5 dB。

2.2 振动频谱特性

在频域分析法中，1/3倍频程谱是一种常用且有效的方法，其具有谱线少频带宽的特点[11]。绘制普通整体道床、梯形轨枕、减振垫道床的7个振动测点的1/3倍频程谱图如图3所示。从图3中可以看出，3种轨道结构对应测点的振动频谱特性基本一致，具体如下。

图3 3种轨道结构各测点的1/3倍频程谱

1）跨中和梁端桥面（测点1和测点2）的振动能量主要集中在31.5 Hz以上频率段。其中，跨中桥面（测点1）还在4～6.3 Hz附近出现峰值频率段，这是由于对应测试断面的高架桥简支梁的竖向自振频率为4.8～5.0 Hz，跨中桥面在该频率段内发生共振。

2）振动从梁端桥面（测点2）传递至正对轨道中心线处地面（测点3），全频率段的振级均有不同程度的减小。其中，2.5 Hz以下和63 Hz以上频率段的振级减小最显著，减小20 dB左右。

3）随着离轨道中心线的水平距离从0增大到60 m（测点3～测点7），地面振级在20 Hz以下频率段基本不变，在20 Hz以上频率段衰减较为明显。

2.3 两种减振轨道结构的减振效果评价

为了评价和比较梯形轨枕和减振垫道床的减振效果，分别绘制两种减振轨道结构7个振动测点的累积百分Z振级插入损失（DVLz10）和最大Z振级插入损失（DVLzmax），如图4所示。插入损失值为相同测试条件下，普通整体道床和减振轨道对应测点的振级之差。当插入损失值为正值时，说明减振轨道在该测点处的减振效果优于普通整体道床。从图4中可以看出，两种插入损失指标显示的各测点减振效果基本一致，具体如下。

图4 两种减振轨道结构各测点的插入损失

1）对于跨中桥面（测点1）的减振效果，梯形轨枕的插入损失值为0.6～1.1 dB，减振垫道床的插入损失值为1.4～1.8 dB。对于梁端桥面（测点2）的减振效果，梯形轨枕的插入损失值为6.4～7 dB，减振垫道床的插入损失值为6～6.1 dB。因此，两种减振轨道结构在梁端桥面处的减振效果都要远远优于跨中桥面处。

2）对于正对轨道中心线处地面（测点3）的减振效果，梯形轨枕的插入损失值为3.3～3.5 dB，减振垫道床的插入损失值为2.4～2.5 dB。对于其他不同水平距离处地面（测点4～测点7）的减振效果，两种减振轨道相差不多，插入损失值为1.5～2.5 dB。因此，两种减振轨道结构在正对轨道中心线处地面的减振效果要略微优于距轨道中心线一定距离的其他地面测点，并且梁端桥面处的减振效果要明显优于对应桥墩处各地面测点。

3）比较两种减振轨道结构的减振效果：在跨中桥面处，减振垫道床的减振效果较梯形轨枕略好；在梁端桥面处和正对轨道中心线处地面，梯形轨枕的减振效果较减振垫道床略好；其他距轨道中心线一定距离的地面处，两种轨道的减振效果相近。

3 结论

本文通过宁波轨道交通1号线一期工程高架线路振动测试研究，分析了普通整体道床、梯形轨枕、减振垫道床的桥面、地面振动的传递规律和频谱特性，比较了梯形轨枕和减振垫道床的减振效果。基于以上内容，本文得到以下结论。

1）3种轨道结构的桥面振动，跨中桥面都要大于梁端桥面；并且桥面振动的能量主要集中在31.5 Hz以上的频率段。

2）振动从梁端桥面传递至桥墩处地面的衰减明显，振级衰减值超过10 dB；并且振动在2.5 Hz以下和63 Hz以上频率段衰减最为显著，达到20 dB左右。

3）地面振动随着距轨道中心线水平距离的增大而逐渐减小，主要表现在20 Hz以上的频率段振动衰减较为明显，而20 Hz以下的频率段振动变化较小。

4）梯形轨枕和减振垫道床对桥面和地面振动都有一定的减振效果。其中，对梁端桥面的减振效果最好，达到6～7 dB，对地面的减振效果达到1.5～3.5 dB。

5）在跨中桥面处，减振垫道床的减振效果略好；在梁端桥面处和正对轨道中心线处地面，梯形轨枕的减振效果略好；其他距轨道中心线一定距离的地面处，两种轨道的减振效果相近。

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（编辑：郝京红）

Vibration Test and Analysis in the Ningbo Urban Rail Transit Viaduct

FENG Lili, XU Yongfu, YIN Tiefeng, CHEN Tao, ZHOU Junhong

(Ningbo Rail Transit Group Co., Ltd., Ningbo 315101)

A field vibration test was performed in the viaduct of the Ningbo Line 1 first phase. According to the test data, the vibration transfer law and frequency spectrum characteristics of three different tracks, which are general monolithic roadbed track, ladder sleeper track, and damping pad roadbed track, were analyzed. The damping effect of the ladder sleeper track and damping pad roadbed track were also evaluated. The test result shows that the vibration of the mid-span bridge deck is obviously larger than that of the beam-end bridge deck. The ground vibration attenuates with increasing horizontal distance. The attenuation spectrum is mainly greater than 20 Hz. Good damping effects for both the ladder sleeper track and damping pad roadbed track were observed for vibration of the bridge deck and ground and are especially remarkable at the beam-end bridge deck. Close damping effects were observed for these two damping tracks for ground vibration.

urban rail transit; viaduct; ladder sleeper; damping pad roadbed; frequency spectrum characteristics; damping effect

10.3969/j.issn.1672-6073.2018.04.018

U233

A

1672-6073(2018)04-0092-06

2017-09-11

2017-10-23

冯立力，男，硕士，工程师，主要从事城市轨道交通减振降噪研究工作，feng9131@qq.com