温州市域铁路S1线减振道床减振效果测试与分析

刘玉涛，张健强，罗 伟，韩志刚

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063；2.铁路轨道安全服役湖北省重点实验室，武汉 430063；3.西南交通大学土木工程学院，成都 610031)

温州市域S1线为国家新型产业关键技术示范工程，西起瓯海区潘桥镇，东至灵昆岛半岛二站，线路全长53 km[1]。温州市域S1线穿过温州市区，线路周围存在大量的医院、学校、居民区等环境敏感点，为了减小轨道交通振动对周边环境的影响，该线采用了多种轨道减振措施，中等减振采用的是双层非线性减振扣件，高等减振采用的是橡胶隔振垫减振道床[2]。温州市域S1线采用的是一种全新的轨道交通制式，该线设计速度120 km/h，运营市域动车组，设计速度介于城市轨道交通和城际铁路之间。该线多采用高架线路，桥隧比占96.3%，轨道系统和桥梁系统都根据市域荷载特点重新设计[3]，其结构并不同于国铁干线和城市轨道交通线路。上述因素使得温州市域S1线轨道交通振动与国铁干线及城市轨道交通线路不同而具有其特殊性，需要对该线橡胶隔振垫减振道床的实际应用效果展开研究，以期为后续市域铁路减振设计提供参考。

目前，现场动态测试作为评价减振措施最有效的方法，对减振轨道轨道结构现场测试较多，但多是针对国铁[4-10]与城市轨道交通线路[11-16]进行，针对市域轨道交通减振轨道减振效果的测试较少，更缺乏从桥面到地面的系统测试。为此，通过对温州市域S1线减振道床与普通道床的桥面与地面系统测试，以获得市域铁路运行条件下减振道床的实际减振效果。

1 橡胶隔振垫减振道床结构

温州市域S1线高等减振采用两种橡胶隔振垫减振道床结构。一种轨道结构高度780 mm(简称减振道床-780)，自上而下分别为钢轨、WJ-7B扣件、双块式轨枕、道床板、减振垫层及底座等，如图1所示。道床板宽度为2.8 m，厚度为0.34 m，减振垫层静力模量为19 MPa/m。该减振道床一阶固有频率为23.8 Hz，在直线段和半径为1 400 m的曲线段都有应用。另一种轨道结构高度为610 mm(简称减振道床-610)，与减振道床-780不同的是采用砂浆找平层代替了混凝土底座，结构更加简单，如图2所示。道床板宽度为3.2 mm，厚度为0.3 m，减振垫层静力模量为25 MPa/m。该减振道床一阶固有频率为29.1 Hz，仅在半径700 m的曲线地段有所铺设。

图1 结构高度780 mm橡胶隔振垫道床

图2 结构高度610 mm橡胶隔振垫道床

2 测点及测试仪器

为了测试两种橡胶隔振垫道床的减振效果，在直线和曲线的普通道床地段和减振道床地段都布设测试断面，相关测试断面情况见表1。由于轨道结构高度610 mm的高等减振道床并未找到相应曲线半径700 m的普通道床作为对比，因此将其同曲线半径1 400 m的普通道床进行对比。

表1 测试断面及测试位置

本次测试包括桥面测试和地面测试，列车运行在高架线路时所诱发的振动在传递至桥梁后需经过桥墩向大地传播，为此桥面测点置于桥墩处(即简支梁梁端)的梁面上，参照CJJ/T191—2012《浮置板轨道技术规范》中针对高架线路测点的规定“测点应布置在紧邻浮置板轨道一侧的桥面，距离轨道中心线1.5 m布置在紧邻浮置板，置于距离道床板内侧边缘15～20 cm的位置。地面测点垂直于线路方向并与桥墩位置平齐，与轨道中心线距离分别为0，5，10 m和15 m，如图3所示。

图3 测点布置示意

数据采集设备采用INV3060V型数字采集仪，该采集仪采样频率范围为6.25 Hz～51.2 kHz。桥面振动测试采用量程为10g的INV9828型加速度传感器，传感器牢固粘贴于桥面混凝土表面，如图4所示。地面振动采用中国地震局工程力学研究所941B型超低频测振仪，该传感器振动加速度测试量程为20 m/s2，地面测点首先将钢板通过四角的螺栓固定在地面上，然后将传感器粘贴于钢板表面，如图5所示。桥面振动测试采样频率设置为1 000 Hz，地面振动测试采样频率设置为500 Hz，加速度传感器相关技术参数见表2。

图4 桥面振动传感器安装现场

图5 地面振动传感器安装现场

表2 相关加速度传感器性能

3 评价指标

由于桥面振动受下部基础及地层影响较小，桥面振动可用于评价减振道床的减振效果，采用CJJ/T191—2012《浮置板道床技术规范》规定的评价方法，在4～200 Hz频率范围内进行分析，以减振道床与普通道床桥面铅垂向加速度1/3倍频程分频振级的均方根差值ΔVL，a作为减振效果评价指标，其中计权处理采用ISO2613—1997规定的Z计权因子。

评价指标ΔVL，a的计算公式如式(1)所示。

(1)

式中VL，q(i)——普通道床桥面铅垂向加速度在1/3倍频程第i个中心频率处的分频振级，dB；

VL，h(i)——减振道床桥面铅垂向加速度在1/3倍频程第i个中心频率处的分频振级，dB。

地面振动用于评价减振道床在特定地段的应用效果，评价方法采用GB 10070—88《城市区域环境振动标准》和GB 10071—88《城市区域环境振动测量方法》中规定的方法，评价量为最大Z振级VLzmax，如式(2)和式(3)所示。时间计权常数为1 s，重叠系数取为3/4[17]，计权处理也采用ISO2613—1997规定的Z计权因子。

(2)

(3)

4 测试结果分析

针对每种测试工况，各得到20组数据样本，对数据样本进行时域分析和频域分析，得到数据样本的时域最大值、桥面Z振级和地面最大Z振级，进而分析减振道床的减振效果及其在特定地段的应用效果。

4.1桥面测试结果分析

普通道床与减振道床桥面振动加速度时域样本分别如图6和图7所示，不同工况下桥面最大振动加速度的平均值见表3。

图6 普通道床桥面振动加速度时域样本

图7 减振道床桥面振动加速度时域样本

由表3可知，直线地段普通道床桥面最大振动加速度为4.98 m/s2，轨道结构高度780 mm减振道床桥面最大振动加速度为0.25 m/s2，较普通道床减小了95%；曲线地段普通道床桥面最大振动加速度平均值为4.68 m/s2，轨道结构高度780 mm减振道床桥面最大振动加速度为0.41 m/s2，较普通道床减小了91%，轨道结构高度610 mm的高等减振道床为0.52 m/s2，较普通道床减小了89%。因此，减振道床桥面振动加速度较普通道床约减小90%，减振道床对桥面的减振效果较好。

表3 桥面最大振动加速度 m/s2

根据公式(1)计算得到不同道床结构桥面Z振级见表4。由表4可知，直线地段普通道床桥面Z振级为92.5 dB，轨道结构高度780 mm的减振道床桥面Z振级为82.1 dB，较普通道床减小10.4 dB；曲线地段普通道床桥面Z振级为93.6 dB，轨道结构高度780 mm的高减振道床桥面Z振级为83.4 dB，较普通道床减小了10.2 dB，轨道结构高度610 mm减振道床桥面Z振级为84.1 dB，较普通道床减小9.5 dB。

表4 桥面Z振级

不同道床结构桥面分频振级分别如图8～图10所示。由图8～图10可知，三种减振道床的分频振级规律较为类似，在频率12.5～25 Hz范围内，减振道床桥面分频振级大于普通道床，该频率范围位于减振道床固有频率(23.8 Hz和29.1 Hz)附近，此时减振道床并不能起到减振效果，反而会放大振动。频率>31.5 Hz时，减振道床桥面分频振级小于普通道床，此时减振道床能起到减振效果。三者不同的是，轨道结构高度610 mm的减振道床和直线地段轨道结构高度780 mm的减振道床在频率100 Hz处与普通道床的分频振级差值最大，最大差值分别为17.7 dB和15.4 dB，曲线地段轨道结构高度780 mm的减振道床在频率200 Hz处与普通道床的分频振级差值最大，最大差值为18.0 dB。

图8 轨道结构高度610 mm减振道床桥面分频振级

图9 轨道结构高度780 mm减振道床桥面分频振级(直线段)

图10 轨道结构高度780 mm减振道床桥面分频振级(曲线段)

4.2 地面测试结果分析

温州市处于滨海平原与滩涂地带，土层中含有较厚的淤泥层，某典型断面地质条件如图11所示。轨道交通引起的振动在淤泥质土中传播时，高频振动衰减较快，低频振动衰减较为缓慢。由于其特殊地质条件的影响，轨道交通引起的地面振动的衰减特性也具有其特殊性。

图11 某高架桥桥梁基础典型断面地质情况(单位：m)

由于减振道床与普通道床处地质条件不同，将两者的地面振动进行对比意义不大，因此进行地面测试结果分析时，只分析减振道床地面最大Z振级，而不与普通道床地面作对比。不同工况下地面最大Z振级及分频Z振级分别如图12～图14所示。

图12 曲线地段轨道结构高度610 mm减振道床

图13 直线地段轨道结构高度780 mm减振道床

图14 曲线地段轨道结构高度780 mm减振道床

由图12～图14可知，3种工况下，距离轨道中心线10 m以内，地面最大Z振级衰减较快，轨道结构高度610 mm减振道床该范围内地面振级衰减最快，由88.07 dB减小为69.77 dB，减小了18.3 dB。3种工况不同的是，距轨道中心线10～15 m范围内曲线地段减振道床地面振级出现局部放大，轨道结构高度610 mm减振道床的地面最大Z振级由69.77 dB增大到70.17 dB，轨道结构高度780 mm减振道床的地面最大Z振级由69.16 dB增大为69.88 dB；直线地段减振道床地面振动则无局部放大现象。从地面最大Z振级来看，距轨道中心线10～15 m范围内，曲线地段轨道结构高度610 mm减振道床和轨道结构高度780 mm减振道床的地面振动满足混合、商业中心区环境振动标准，直线地段轨道结构高度780 mm减振道床的地面振动则能够满足特殊住宅区环境振动标准。

由分频振级可以看出，在曲线地段，两种减振道床结构距轨道中心线0～5 m范围内的地面振动能量主要集中在频率50～80 Hz范围内；在直线地段，轨道结构高度780 mm高等减振道床距轨道中心线0 m处地面振动能量主要集中在频率20～50 Hz范围内，距轨道中心线5 m处，地面振动能量则主要集中在频率50～80 Hz范围内。随着距轨道中心线距离的增加，频率20 Hz以上的地面振动减小较快，频率20 Hz以下的地面振动则变化较小，且在距轨道中心线10 m处，地面振动在频率20 Hz以上中高频部分的振动能量已经开始小于频率20 Hz以下的低频部分。因此，进行减振道床结构设计时，为取得较好地面振动减振效果，若建筑物距轨道中心线10 m以内，减振道床有效减振频率范围需要覆盖50～80 Hz，若建筑物距轨道中心线10 m以上，减振道床有效减振频率范围则需覆盖20 Hz及以下部分。

5 结论

为得到温州市域S1线橡胶隔振垫道床的减振效果，对温州市域S1线进行了桥面与地面的动态测试，对比分析普通道床和两种橡胶隔振垫道床的测试数据，得到如下结论。

(1)以桥面Z振级的插入损失作为减振效果的评价标准，直线地段，结构高度780 mm橡胶隔振垫道床的减振效果为10.4 dB；曲线地段，结构高度610 mm橡胶隔振垫道床的减振效果为9.5 dB，结构高度780 mm的橡胶隔振垫道床的减振效果为10.2 dB。

(2)从桥面分频振级对比中可以看出，两种橡胶隔振垫道床在频率12.5～25 Hz范围内并不能起到减振效果，反而会放大振动。在频率>31.5 Hz时，两种隔振垫道床才能起到减振效果。

(3)从地面最大Z振级分析结果可以看出，距轨道中心线10 m范围内地面振动衰减较快，并且主要是频率20 Hz以上的中、高频振动的衰减，20 Hz以下的低频部分变化较小。距轨道中心线10～15 m范围内，曲线地段两种橡胶隔振垫道床的地面振动出现局部放大。

(4)距轨道中心线10～15 m范围内，曲线地段两种隔振垫道床的地面振动满足混合、商业中心区环境振动标准，直线地段结构高度780 mm隔振垫道床的地面振动能够满足特殊住宅区环境振动标准。

通过测试与分析，得到了两种橡胶隔振垫减振道床的实际减振效果，以及距轨道中心线不同距离的地面最大Z振级，可用于指导隔振垫减振道床在市域铁路上的应用。但是本次地面测试最远距桥梁中心线长15 m，距离较为有限，以后需要加大测试范围。