时速350 km高速列车下穿机场对跑道区道面的影响

吴雪 周兴龙 钟瑞 赵才友

1.西南交通大学土木工程学院，成都610031；2.成都地铁运营有限公司，成都610031

近年来，轨道交通线路下穿或邻近机场的情况越来越多，引起的振动噪声问题日益严重。飞机起降对机场道面的要求极高，而高速列车经过下穿机场隧道引起道面结构的振动会与飞机竖向振动相互影响，构成复杂的飞机-道面耦合振动问题，直接影响道面结构的承载能力以及飞机运行的安全性。目前暂无相关资料明确指出高速铁路运营与机场运营之间的影响关系，有待开展研究。

针对列车诱发的环境振动问题，主要是从现场实测、理论仿真两方面进行研究。彭也也、肖桂元、袁扬等［1-3］通过实测列车引起的环境振动响应，认为地面振动加速度频谱幅值随振源距离的增加呈现波动衰减的趋势。刘腾等［4］通过对高速铁路路基区段地面振动的实测分析，指出地面振动呈波动式变化，远离振源处以低频振动为主。李平等［5］对高速铁路振源及环境振动进行了现场测试，认为高速列车诱发高架曲线段振源振动强度明显高于直线段，桥面Z振级远高于隧道壁Z振级。马蒙、谢蓥松等［6-7］对地铁沿线精密仪器所受的影响进行了研究。严涛等［8］分析了大地的振动响应特征以及隧道埋深对地面振动的影响。张啟乐等［9-10］研究了行车速度、土体弹性模量、隧道净距、隧道埋深与角度对地面振动的影响。崔高航等［11］采用半解析有限元法建立了列车-轨道-地基土相互作用模型，为计算列车引起的沿线场地环境振动提供了新思路。上述研究均未涉及对特殊地面的分析。

成自（成都—自贡）高速铁路是世界上首条以时速350 km下穿机场跑道的高速铁路。本文以此为背景建立仿真预测模型，研究列车引起的振动对跑道的影响，为机场环境振动预测与评估提供理论依据。

1 模型的建立

成自铁路天府机场段设计行车速度350 km/h；最小曲线半径一般地段为7 000 m，困难地段为5 500 m；最大坡度一般地段为20‰，困难地段为30‰。正线总长7.84 km，包括车站和区间隧道。车站为地下二层三洞七跨双岛式车站，有效站台长450 m。区间隧道位于车站两侧，总长6.23 km，埋深约14 m。线路下穿机场飞行区、滑行道、消防通道、航空货运区、停机坪等区域。

列车运行引起的环境振动影响因素众多，涉及跑道、土体、隧道、轨道等，因此建模时将整个系统分解成两部分，分别为：①车辆-轨道-隧道刚柔耦合动力学子系统；②轨道-隧道-土体-跑道三维环境振动预测子系统。

1.1 车辆-轨道-隧道刚柔耦合动力学模型

采用分层建模的思想，自上往下依次为车辆、钢轨、扣件、道床板、减振垫、底座板、下部基础体系。

车辆选用CRH380B型客车，其中车体、转向架、轮对均近似处理为刚体，一系和二系悬挂阻尼考虑为黏性阻尼，一系弹簧、二系弹簧以及轮轨接触的赫兹弹簧考虑为线性弹簧。车体内各部件之间通过施加约束以限制其相对运动。

结合工程实际，选用CRTSⅠ型双块式无砟轨道结构。建模时，钢轨采用铁木辛柯梁模拟以提高计算精度。为了反映钢轨实际的支承特性，模型中钢轨的支承考虑为离散点支承，扣件系统考虑为弹簧-阻尼系统；采用实体结构模拟道床板与底座板。在建立减振型无砟轨道模型时，其他部件的建模参数及过程与前述相同，仅在道床板与底座板之间增设橡胶减振垫，将其考虑为弹簧-阻尼系统。扣件间距600 mm，刚度取25 kN/mm；减振垫层面刚度取0.046 N/mm3；道床板长6.40 m，宽2.80 m，厚0.26 m；底座板长6.40 m，宽2.80 m，厚0.21 m。其他参数见表1。

表1 刚柔耦合动力学模型参数

模型中，在垂向平面内将轮轨接触简化为赫兹接触。这是因为考虑到轮轨间的接触行为是连接车辆系统和轨道结构的纽带，在多数情况下接触弹簧只起到联系及耦合车辆系统和轨道结构的作用，弹簧刚度误差对计算结果的影响较小。此外，非线性赫兹接触弹簧会大幅提高动力分析的难度，计算繁琐，效率低。

中国高速铁路不平顺谱是对中国已建成高速铁路进行测试基础上统计而成的。为了较为真实地反映实际情况，本文采用中国高速无砟轨道谱模拟轨道不平顺。

借助多体动力学软件Universal Mechanism（UM）和有限元分析软件ANSYS对车辆、轨道结构、隧道进行联合仿真。采用有限元软件ANSYS建立下部轨道及隧道模型。有限元模型中利用自由度缩减得到的矩阵结果文件以柔性子系统的形式导入多体动力学软件，与车辆进行耦合，形成刚柔耦合动力学模型。在仿真过程中，柔性子系统在铰和力元的作用下与其他部件进行信息交互。

1.2 轨道-隧道-土体-跑道三维环境振动预测模型

隧道下穿跑道区范围内，隧址区上覆第四系全新统坡残积层，下部为侏罗系上统蓬莱镇组泥岩夹砂岩；隧道顶部距离地面14 m，底部位于中风化泥岩夹砂岩地层。地质勘测资料显示，从地面自上而下土体类型依次为粉质黏土、全风化泥岩夹砂岩、强风化泥岩夹砂岩、中风化泥岩夹砂岩。

土体介质的分层特性及动力特性决定传播介质的材料阻抗以及弹性波传播模式。为了在数值仿真计算中充分考虑土体介质的分层特性，将土体简化为水平分层均匀介质，建立分层土体振动衰减模型。为了进一步简化计算，假定各个地层为均匀、各向同性体并且满足相邻土层间不会发生相对滑动的位移协调条件。土层材料计算参数见表2。

表2 土层材料计算参数

建模时，钢轨采用梁单元模拟，扣件和橡胶减振垫采用弹簧单元模拟，其他部件如道床板、隧道、土体等均采用实体单元模拟。通过在土体两侧横断面和底面延伸一层实体单元来设置三维一致黏弹性人工边界条件［12-14］，边界单元等效剪切模量为0.33 MPa，弹性模量为6.65 MPa。模型关键区域网格尺寸为0.5 m，非关键区域网格尺寸为0.8 m，共1 260 560个单元，1 341 516个节点；步长0.000 5 s，共模拟2 000个时间步长。计算模型如图1所示。

图1 轨道-隧道-土体-跑道三维计算模型（单位：m）

2 评价标准与观测点布置

目前缺乏高速铁路下穿机场跑道的振动控制标准，而机场跑道有严格控制地面振动水平的必要性。综合参考JGJT 170—2009《城市轨道交通引起建筑物振动与二次辐射噪声限值及其测量方法标准》、GB 10070—1988《城市区域环境振动标准》、TB 10621—2014《高速铁路设计规范》，为了保证飞机的正常运行，保证机场跑道精密仪器的正常工作，参照第0类特殊住宅区的夜间限值对机场跑道振动水平进行评估，即机场跑道区地面最大Z振级不超过62 dB；采用地面水平振动速度评价列车运行引发的振动响应及其对周边设备的影响；参考韦华建［15］的研究结果，水平振动速度应小于2 cm/s。

在地面设置观测点O1、O2、O3，其距离线路中心线分别为0、10、20 m，即O1点在线路中心线的正上方，如图2所示。

图2 观测点示意（单位：m）

3 仿真结果与分析

3.1 轮轨相互作用力

在车辆-轨道-隧道刚柔耦合动力学模型计算结果的基础上，提取轮轨相互作用力作为轨道-隧道-土体-跑道三维模型的输入荷载，进行环境振动的计算。由于成自铁路兼顾高速铁路和城际快线的功能，因此分别计算列车以250、300、350 km/h通过隧道时的轮轨相互作用力。计算结果见表3。

表3 轮轨相互作用力

由表3可知：①列车运行速度从250 km/h提高到300 km/h，轮轨垂向、横向力最大值增幅分别为7.0%、7.2%；列车运行速度从300 km/h提高到350 km/h，轮轨垂向、横向力最大值增幅分别为0.6%、0.3%。轮轨相互作用力随着车速的增加而增大，这是因为车速的提高导致轮轨相互作用增强，引起车辆与轨道系统振动加剧。②普通轨道和减振轨道的计算结果相差不大，说明减振垫层对车辆动力响应影响很小。这主要是由于扣件的刚度较小，减振垫层对整体刚度影响很小，而道床板质量较大，因此道床板下的刚度改变对轮轨相互作用影响很小。

3.2 地面振动响应

3.2.1 地面测点垂向振动

为满足地面环境振动的预测需求，对4～200 Hz频段的振级进行分析。对时域加速度值进行Z振级处理，得到1/3倍频程中心频率对应的垂向振动加速度振级，由此可统计得出振动能量在各频带内的分布情况。跑道区地面测点垂向最大Z振级的计算结果见图3。

图3 地面测点垂向最大Z振级

从图3可知：地面测点垂向最大Z振级的极大值出现在线路中心线正上方的O1点；对于同一测点，地面测点最大Z振级随列车运行速度的增加而增大；同一车速下，垂向振动随与线路中心线的水平距离的增加而衰减；由普通轨道计算出的地面测点垂向最大Z振级大部分超过GB 10070—1988规定的限值，而使用减振轨道可使地面测点垂向最大Z振级减小10.0～10.5 dB，能够满足GB 10070—1988限值要求。

车辆以350 km/h通过时，线路中心线正上方的O1点垂向Z振级1/3倍频程结果见图4。

图4 线路中心线正上方地面测点垂向Z振级

从图4可知：列车运行速度越高引发的地面振动响应越大，时速350、300、250 km时引发的地面振动响应依次减小，垂向Z振级分别为65.6、64.7、62.7 dB；随车速增加，垂向振动主频有向高频移动的趋势。

3.2.2 地面测点水平振动

列车通过时，各地面测点在不同轨道条件下水平振动速度见表4。

表4 地面测点水平振动速度

由表4可知，地面测点水平振动速度的极大值出现在线路中心线正上方，其值为0.220 mm/s，远小于标准要求的2 cm/s。这说明列车运行对机场跑道水平振动影响很小，不会影响飞机正常运行。

为了进一步研究行车速度对环境水平振动的影响，选取线路中心线正上方的O1点，计算得到不同车速下水平振动响应的时域和频域变化曲线。结果见图5、图6。可知：①车速越高，水平振动速度峰值波动越大。列车运行引起的地面振动属于低频振动，幅值曲线存在多个峰值，主峰值随车速增加而增大且主频呈现出向高频移动的趋势，体现了土体的阻尼特性以及滤波作用。②与普通无砟轨道相比，铺设橡胶减振垫后，水平振动速度大幅下降，进一步证明减振措施的有效性。

图5 线路中心线正上方水平振动速度时域变化曲线

图6 线路中心线正上方水平振动速度最大值频域变化曲线

4 结论

1）列车运行时，轮轨相互作用力随着车速的增加而增大；普通轨道和减振轨道的轮轨相互作用力相差不大，减振垫层对车辆动力响应影响很小。

2）列车通过下穿机场跑道的CRTSⅠ型双块式无砟轨道诱发的跑道区地面振动响应随车速增加而增大。车速大于等于300 km/h时，垂向振动响应显著增强；列车运行对机场跑道水平振动影响很小。

3）列车通过时，地面垂向振动响应随着距振源的水平距离的增加而衰减，极大值出现在线路中心线的正上方。

4）采用普通轨道结构时地面测点垂向最大Z振级超出限值，无法满足环境振动要求；铺设橡胶减振垫可使地面测点垂向最大Z振级减小10.0～10.5 dB，且水平振动速度大幅下降，能满足地面环境振动要求。