基于橡胶混凝土的铁路隧道减振研究

谭诗宇

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063)

近年来，我国铁路快速发展，给人们生活带来了极大的便利。同时，轮轨振动引起的环境问题也日益严重。现有的轨道减振措施存在以下缺点：减振型轨道多是在原有轨道结构的基础上，通过附加减振垫层、隔振弹簧等装置达到减振的目的[1-3]。隔振装置的设置不仅增加了铁路的建设成本，也给轨道工程的设计、施工以及后期的养护维修造成了诸多不便。另一方面，隔振装置往往会大幅降低轨道结构垂向刚度，导致列车通过时钢轨动位移过大，影响轨道的平顺性。

橡胶混凝土是一种在混凝土组成材料中掺加橡胶微粒制成的混凝土材料[4]。列车通过时，橡胶混凝土受到振动冲击发生变形，能量部分储存于橡胶分子链中，部分则消耗于橡胶分子的内摩擦损耗，可在不附加隔振装置的前提下达到减振的目的。

国外专家学者对橡胶混凝土的功能[5-7]、动力特性[8]等方面进行了一系列研究，但这些研究多集中在橡胶混凝土材料的基本力学性能方面；国内近年来也陆续开展了橡胶混凝土在轨道交通中减振特性的研究，金浩等利用Periodic Fourier法研究了橡胶混凝土隔振基础对轨道振动的影响[9]，孙晓静分析了橡胶混凝土整体道床的减振效果，但均未考虑橡胶混凝土道床对行车的影响[10]。

选取隧道道床回填层为研究对象，分别考虑普通混凝土和橡胶混凝土两种工况。基于动力学理论和有限元法，分析橡胶混凝土回填层的减振特性，以及对行车状态、轨道结构动力响应的影响(如图1)。

图1 橡胶混凝土回填层

1 动力学分析模型

1.1 模型建立

基于动力学理论和有限元法，建立车辆-有砟轨道-隧道动力学模型，系统的力学计算模型见图2，利用ABAQUS建立的有限元模型如图3。模型全长120 m，动力响应输出点均取在模型中部位置。

图2 车辆-有砟轨道-隧道系统力学模型

图3 车辆-有砟轨道-隧道系统有限元模型

建模时，假设车辆为一个多刚体系统(见图4)。车体和转向架考虑点头、横向、垂向、侧滚和摇头5个自由度，轮对考虑横向、垂向、侧滚和摇头4个自由度。采用弹簧-阻尼单元来模拟车辆的一系、二系悬挂。

图4 车辆模型

有砟轨道模型从上至下由钢轨、扣件、混凝土轨枕以及有砟道床组成。建模时，除扣件采用弹簧-阻尼单元模拟外，其余部件均为实体单元。为了凸显计算结果的规律性，消除钢轨不平顺的干扰，采用平直钢轨进行计算。

轮轨接触方面，轮轨法向力和横向力分别由Hertz接触理论和罚函数摩擦模型确定[11]。

1.2 主要计算参数

采用CRH3型高速动车[12]，列车运行速度取200 km/h。轨道结构、衬砌及土体参数取值如表1。

表1 轨道结构主要计算参数

回填层参数设置如表2[13]。

表2 隧道回填层参数

2 橡胶混凝土回填层的减振特性

相同运营条件下，对比普通混凝土与橡胶混凝土下部基础的振动响应，以分析橡胶混凝土回填层的减振效果。

衬砌拾振点位于距离轨面1.5 m高处，在衬砌拾振点的同一断面上选择土体拾振点，见图5。

图5 拾振点示意

2.1 时域分析结果

列车以相同的速度通过，两种工况下部基础的振动加速度峰值见表3，图6、图7给出了下部基础振动加速度时程曲线的对比情况。

表3 基础振动加速度峰值对比

图6 衬砌垂向振动加速度

图7 周围土体垂向振动加速度

由图6、图7可知，列车通过时，轮轨冲击作用经轨道结构传递到下部基础，衬砌及周围土体均产生了明显的振动响应。采用橡胶混凝土回填层后，下部基础的振动响应幅值明显减小。

振动加速度峰值方面，采用普通混凝土回填层时，衬砌和周围土体的振动加速度峰值分别为0.176 m/s2、0.136 m/s2，采用橡胶混凝土后降为0.093 m/s2、0.088 m/s2(降幅分别为47.16%、35.29%)。由此可见，橡胶混凝土回填层的减振效果明显。

2.2 频域分析结果

通过傅里叶快速变换(FFT)，可获得衬砌和周围土体振动响应1/3倍频程曲线[15]，用于分析橡胶混凝土回填层对下部基础振动频域特性的影响，结果见图8和图9。

由图6、图7可知，随着频率的增加，衬砌或周围土体的振动加速度级整体上表现出先增加后较小的变化趋势。当振动频率为16 Hz时，衬砌和周围土体的振动加速度级达到最大。

对比两种工况可以发现，采用橡胶混凝土后，衬砌、周围土体的振动加速度级在全频域范围内均有所降低，插入损失均大于零。由此可见，橡胶混凝土回填层在全频域内均有减振效果，当振动频率为80 Hz时，减振效果最为明显，其中衬砌振动加速度级减小10.3 dB，周围土体振动加速度级减小10.5 dB。

图8 衬砌垂向振动加速度级

图9 周围土体垂向振动加速度级

3 车辆-轨道动力学响应

合理的减振措施不仅能有效降低振动对环境的影响，还能够保证良好的行车状态和轨道结构动力响应[16]。为了分析橡胶混凝土回填层对行车状态及轨道结构动力响应的影响，对两种工况下车辆和轨道结构的各动力学指标进行对比分析。表4列出了两种工况下车辆及轨道结构各项动力响应峰值，各动力响应时程曲线如图10所示。

由图10可以看出：

(1)车辆动力响应方面，采用橡胶混凝土回填层后，车辆各动力学响应变化较小，其中车体垂向加速度减小4.00%，轮轨垂向力减小0.09%，脱轨系数增加1.41%，轮重减载率减小0.72%，车辆各动力学指标均小于我国规范规定的限值。由此可见，橡胶混凝土回填层在发挥减振效果的同时，能够保证列车的安全平稳运行，且不会加剧轮轨相互作用。

表4 车辆-轨道系统的动力响应峰值对比

图10 轨道结构动力学响应

(2)轨道结构动力响应方面，由于在回填层中掺加了橡胶微粒，使得轨道结构支承刚度降低，列车通过时，钢轨、轨枕、道床的垂向位移均有所增加，增幅分别为2.06%、9.48%和18.58%。轨道结构振动方面，钢轨、轨枕、道床的垂向振动加速度分别增加2.50%，减小1.00%和8.54%，变化较小。

4 结论

(1)橡胶混凝土回填层减振、降噪效果明显。相较于普通混凝土，采用橡胶混凝土回填层后，衬砌的振动加速度级减小10.3 dB，其对应的中心频率为80 Hz。

(2)采用橡胶混凝土回填层对车辆各动力响应影响较小，该减振、降噪措施可以保证列车运行的安全性、平稳性和舒适性。

(3)橡胶混凝土回填层导致轨道结构支承刚度降低，列车通过时，轨道各结构的垂向位移有所增大，但对轨道结构振动响应影响不大。