大断面盾构隧道内铁路振动特性试验研究

谭 辉，刘 方，岳 岭，刘兰华

（1. 中国铁道科学研究院集团有限公司 节能环保劳卫研究所，北京 100081；2. 中铁工程设计咨询集团有限公司 城市轨道交通研究院，北京 100055）

0 引言

目前我国已建成了全球最大的高速铁路网，成为世界上高速铁路发展速度最快、运营里程最长、在建规模最大、运营速度最高的国家，截至2020年底，我国高速铁路运营里程达3.79 万公里[1]，超过全球高速铁路总运营里程的三分之二。

早期的高速铁路车站多设在城市中心城区外围，随着城市规模的扩展、高速铁路线网加密及百姓出行需求的增加，将高速铁路车站设置在中心城区的情形不断增多。采用高架、路基等地面线的方式敷设穿越城区铁路，除占地面积、拆迁难度和成本等影响因素外，铁路沿线的噪声问题也会备受关注[2]。因此，近年来规划建设的穿越城区的高速铁路趋于选择地下线的方式，如已建成的广深港高速铁路福田段，莞惠城际、佛肇城际及京张高速铁路。与地面线相比，地下段的环境问题主要是列车通过引起的环境振动。相关文献表明，振动污染已被列为环境七大公害之一，严重时会影响人的正常生活[3]。铁路振动随机性高，动力学机理复杂，现场试验是获得数据的必要手段，对高速铁路地下段的振动特性进行研究，也能为选线和治理提供数据支撑。已有研究人员对莞惠城际铁路、佛肇城际铁路、广深港高速铁路等多个单洞单线隧道进行过现场实测[4]，获取了普通隧道振动特性数据，但由于我国目前开通运营的高速铁路地下段较少，测试数据量总体相对较少。某高速铁路隧道是目前该地区直径最大的盾构隧道，开挖直径12.64 m[5]，首次使用全预制拼装技术及全新的施工工艺[6]，振动特性异于普通隧道。为了研究大断面盾构隧道内的铁路振动特性，本文选取该隧道典型断面，对不同车型列车通过引起的隧道振动进行现场测试及分析工作，以期为高速铁路地下段环境振动研究提供数据支撑。

该隧道是全线的控制性工程之一[7]，隧道全长6 020 m，内径11.1 m，管片厚度0.55 m，正线线间距4.0 m，于2017年11月6日动工兴建，2018年11月20日隧道全线贯通[8]。

1 现场试验方案

1.1 测点布设

为获得列车通过引起的振动源强以研究隧道内振动的传播规律，在所选隧道断面内进行振动测试试验。测点布置参考《机械振动列车通过时引起铁路隧道内部振动的测量》(GB/T 19846—2005)[9]，在钢轨、轨道板和隧道壁位置处分别布设振动加速度传感器，其布设位置示意如图1 所示。其中，钢轨振动传感器布置在垂直于轨面的钢轨底部，轨道板振动传感器布置在靠近轨枕处的轨道板表面，隧道壁振动传感器布置在距轨面高1.2 m 的隧道壁处，现场布点如图2所示。

图1 传感器布设位置示意

图2 传感器现场布点

1.2 数据采集

本次测试采用自动触发与离线采集相结合的模式，首先利用第一个天窗点上线布设传感器和采集设备，将设备放置于隧道内安全通道下方线缆廊道内，如图3 所示。列车通过时会自动触发数据采集系统，采集、存储列车通过信号；然后利用第二个天窗点上线拆除试验设备，实现对隧道内一侧线路的24 h连续监测。钢轨、轨道板数据采样频率为5 000 Hz，隧道壁为1 250 Hz，采集量均为铅垂向振动加速度。

图3 采集设备现场布设位置

1.3 试验工况

离线采集结果表明，24 h内测试断面单侧轨道共有34 列车通过，其中9 列为4 编组A 型市郊列车，25列为8编组B型动车组列车。大部分列车车速介于75~80 km/h之间，个别在50 km/h左右。

2 测试结果及分析

2.1 测试结果

图4为A型和B 型列车以80 km/h的速度通过测试断面时，钢轨、轨道板和隧道壁的铅垂向振动加速度实测时程曲线图。2种车型由于编组不同，列车通过引起的振动持时差异明显，但振动时域信号都呈现典型的梭形高频振动，且相同位置处的振动加速度峰值接近：钢轨峰值加速度接近200 m/s2，轨道板峰值加速度接近1.5 m/s2，隧道壁峰值加速度接近0.1 m/s2。

图4 不同测点振动加速度时程

对实测数据进行频域分析，得到2种车型在钢轨、轨道板和隧道壁的1/3倍频程分布，分别取1组典型频谱进行分析，其振动加速度频域对比如图5所示。

图5 振动加速度的频谱分布

从频谱分析可以看到，钢轨的振动加速度频谱中高频能量占绝对优势，峰值频率在500 Hz以上；轨道板的振动频谱呈现“凹”字形特征，10 Hz 以下和100 Hz 以上振动能量都较大，10~100 Hz 之间振动频谱较小；隧道壁的振动频谱峰值在160~250 Hz 附近，但在31.5~50 Hz之间能量也较大，该频段在环境振动评价中需要关注。此外，本线路中2 种车型引起的振动频域特性很接近，钢轨到轨道板的振动衰减主要集中在中高频段，分频最大衰减量超过40 dB，轨道板到隧道壁的衰减主要集中在31.5 Hz 以下和200 Hz 以上，分频最大衰减量可达60 dB左右。

我国目前执行的《城市区域环境振动标准》(GB 10070—1988)(采用1~80 Hz的振动加速度Z计权最大值[10]，为了结合环境振动评价，分别求得本次测试中钢轨、轨道板和隧道壁的Z振级最大值，取相对值汇总分布如图6所示(由于2种车型差异不明显，此处不再区分车型)。

从图6的相对Z振级分布看，1~80 Hz的Z振级最大值分布规律比较稳定，钢轨到轨道板平均衰减8 dB左右，轨道板到隧道壁平均衰减超过40 dB。

图6 最大Z振级分布

2.2 对比分析

将本试验结果与文献[4]莞惠城际铁路测试结果进行对比(见表1)。在同样采用盾构施工的情况下，钢轨、轨道板和隧道壁振动衰减量的测试结果表明：2种情况下，钢轨到隧道壁的总衰减量相差不大，但本试验中钢轨至轨道板的振动衰减量较小，而轨道板至隧道壁的衰减量偏大。原因可能为：本试验的高速铁路轨下结构采用的预制空腔结构导致参振质量较小，列车通过引起的轨道板振动较大。因此，钢轨到轨道板的衰减较小；隧道采用的大断面盾构型式使隧道整体结构质量大，轨下结构的振动更难激励起隧道壁的振动，从而导致轨道板到隧道壁的振动衰减量变大。

表1 测试结果与文献[4]结果对比

3 结论

本文对某高速铁路隧道内的列车振动进行了现场试验，通过对钢轨、轨道板和隧道壁处的测试结果进行分析，形成结论如下。

（1）动车组以80 km/h 速度运行通过隧道时，钢轨的铅垂向振动加速度峰值接近200 m/s2，轨道板的铅垂向振动加速度峰值接近1.5 m/s2，隧道壁的铅垂向振动加速度峰值接近0.1 m/s2。

（2）钢轨的振动以500 Hz以上的高频为主，轨道板振动中低频和高频都比较明显，而隧道壁振动能量主要集中在31.5~250 Hz，钢轨到轨道板的分频振级最大衰减量超过40 dB，轨道板到隧道壁的分频振级最大衰减量可达60 dB左右。

（3）大断面盾构、全预制轨下结构情形下，隧道内的振动衰减规律与以往数据不同，其钢轨至轨道板的Z振级最大值平均衰减8 dB左右，轨道板至隧道壁的Z振级最大值平均衰减超过40 dB。