摘  要:钢弹簧浮置板轨道是我国城市轨道交通采用的主要减振措施之一。在北京地铁 5 号线灯市口站—东四站区间，测试运营地铁在浮置板轨道地段和普通整体道床地段的地面垂向振动加速度，并进行时域和 1 /3 倍频程频谱分析。分析结果表明:钢弹簧浮置板轨道对隧道正上方减振效果最好，在两侧，随着距离的增大减振效果逐步变小。钢弹簧浮置板轨道对 10 Hz 以内的振动成分没有作用，地面振动的能量主要分布在 10 ～ 20 Hz，钢弹簧浮置板轨道对此频域范围内的减振效果最好。

关键词:地铁 浮置板轨道 环境振动 减振效果

 

      浮置板轨道结构一般由钢筋混凝土浮置板、弹性支座、混凝土底座及配套扣件组成. 该结构是用扣件把钢轨固定在钢筋混凝土浮置板上，浮置板置于可调的弹性支座上，浮置板两侧用弹性材料固定，形成一种质量—弹簧隔振系统，其基本原理就是在轨道和基础间插入一固有频率远低于激振频率的线性谐振器，借以减小传入基础的振动，是降低下部结构传振和传声的最有效方法。目前主要采用的浮置板轨道形式有螺旋钢弹簧和橡胶弹簧两种。

      目前，国内外学者采用不同的建模方法对浮置板轨道的动力特性和隔振机理进行了理论分析，美国的实测资料 表 明，浮 置 板 轨 道 的 隔 振 效 果 可 达 20 ～30 dB，国内郝珺，姚京川等对钢弹簧浮置板轨道的减振效果进行了振动测试，测试结果表明，钢弹簧浮置板轨道的减振效果可达40 dB。以上主要针对浮置板轨道的振动传递损失进行了研究，但由于环境振动关注的振动频率范围为 1 ～ 80 Hz，因此在此范围内浮置板轨道的计权振动减振效果降低。此外，目前各国地铁普遍采用的轨枕板式预制浮置板的有载固有频率为 12～ 16 Hz，此频段也是人体振动所关注的范围，浮置板轨道对振动低频成分的隔振效果不如高频成分明显。虽然浮置板轨道已广泛应用于轨道交通工程，但对其环境振动隔振性能的试验研究不够深入。

      本文结合北京地铁 5 号线情况，预测计算了地铁运行引起的地面环境振动量值，并结合北京地铁 5 号线灯市口站—东四站区间史家胡同小学钢弹簧浮置板轨道隔振地段环境振动实测结果，分析了该地段环境振动特点，通过预测和实测比较分析，研究论证了典型地段下钢弹簧浮置板轨道的隔振效果。

 

      规范 HJ453—2008《环境影响评价技术导则·城市轨道交通》给出的基本预测计算式

式中，VL_Z为预测接收点处的 Z 振级(dB); 为列车振动源强，列车通过时段的参考点 Z 计权振动级(dB); n 为列车通过列数; C 为振动修正项(dB)。

      振动修正项 C，按下式计算

C = C_V+ C_W+ C_L+ C_R+ C_H+ C_D+ C_B  (2)

式中，C_V为列车运行速度修正值(dB); C_W为轴重修正值(dB); C_L为轨道结构修正值(dB); C_R为轮轨条件修正值(dB); C_H为隧道结构修正值(dB); C_D为距离修正值(dB); C_B为建筑物类型修正值(dB)。

      根据《城市轨道交通振动和噪声控制简明手册》，对照北京地铁 5 号线的技术参数，评价地下线采用的   振动源强值 VL_{Z max}为 87. 2 dB(列车速度 60 km/h，距外轨 0. 5 m)。

      列车运行速度修正值 C_V可由下式计算

C_V= 20log( V / V₀)                    (3)

式中，V 为各预测点实际运行速度，km/h; V₀为振动源强条件下运行速度，取 60 km/h。

      隧道两侧预测点，距离修正值 C_D1可按下式计算

C_D1= algR + b                        (4)

式中 a、b 两项与地质条件有关，可通过类比测量得到。

参照与地铁 5 号线具有相似地质条件的北京地铁 1 号线的研究成果，取 a = 20，b = 12;R 为预测点至隧道底部外轨的直线距离(m)，计算公式为

式中，L 为预测点至外轨中心线的水平距离(m); H₁为预测点至轨顶面的垂直距离(m)。

      隧道垂直上方预测点距离修正值 C_D2可按下式计算

C_D2= － alg(H₂/ H₀)                   (6)

式中，H₂为隧道垂直上方预测点至轨顶面的垂直距离(m);H₀为隧道顶至轨顶面的距离(m)。

      地铁 5 号线地下线采用钢筋混凝土短轨枕整体道床，取 C_L= 0; 轴重衰减 C_W= 0，轮轨条件修正值 C_R= 0; 测试区段内隧道为单洞隧道，修正值 C_H= 0; 本次环境振动测试主要在空地进行，不同地面建筑物对振动的响应修正值 C_B= 0.

      根据上述地铁振动源强、预测模型、各预测参数和相关技术条件，环境振动预测公式可表示如下

      1)地下段隧道两侧室外地表环境振动量

                                    (7)

      2)地下段隧道顶上方室外地表环境振动量

                                        (8)

 

      对北京地铁 5 号线东单站—灯市口站区间下行约60 km / h 出站钢弹簧浮置板轨道断面和参照断面同步进行了测试，北京地铁 5 号线运营地铁列车车型为 B型车，6 辆编组，每节车厢长 19. 5 m ，轴重约 14 t。

      测试现场采样频率为 512 Hz，沿垂直线路方向，距离线路中心线 5m、10 m、15 m、20 m、30m 分别布置5(6) 个测点，对应的测点编号分别为 V1、V2、V3、V4、V5 和 CV1、CV2、CV3、CV4、CV5，如图 1 所示。

      测试采用 891-2 型拾振器，测试数据由 DASP 动态信号采集记录系统进行采集和记录，其中 891-2 型拾振器的加速度挡指标为:灵敏度 0. 1 V·s/m，量程 40m / s²，频率范围 0. 5 ～ 80. 0 Hz，分辨率 1 × 10^{－ 5}m / s²，温度范围 － 10 ℃ ～ 50 ℃ 。

      1)时域分析

      本次测试，主要研究地铁列车运行引起的环境振动，研究频率范围主要为人体响应于全身振动的频率范围(1 ～ 80 Hz)。图 2 ～ 图 6 表示钢弹簧浮置板道床地段距离地铁 5 号线轨道中心 5 m、10 m、15 m、20 m、30 m 处地面的竖向加速度时程。图 7 ～ 图 11 表示普通整体道床参照断面距离轨道中心 5 m、10 m、15 m、20 m、30 m 处地面的竖向加速度时程。

      有钢弹簧浮置板道床地段和普通整体道床地段的地面环境振动 Z 振级实测结果见表 1。测试结果表明，随着水平距离的增大，Z 振级呈递减趋势，但存在一个振动放大区，对于普通整体道床地段，放大区约在隧道两侧 20 ～ 30 m，对于钢弹簧浮置板道床减振地段，此放大区在隧道两侧约 30 m 处;在隧道上方(距轨道水平距离 5 m 内)，钢弹簧浮置板轨道的减振效果可达 13. 1 ～ 14. 3 dB。

      总体来看，在采取钢弹簧浮置板轨道的测试断面各个测点的实测 Z 振级均远小于 GB10070—88《城市区域环境振动标准》中所规定的最严格的标准限值。此结果说明，在城市轨道交通选线中，对于无法绕避的重要敏感保护目标(居民区、医院、学校等) 采取钢弹簧浮置板轨道减振的措施是可行的。

      2)1 /3 倍频程频谱分析

      图 12 ～ 图 16 为钢弹簧浮置板轨道地段和普通整体道床区段的地面振动的 1 /3 倍频图及其比较。

      从图 12 ～ 图 16 可看出:钢弹簧浮置板轨道对 10Hz 以下的低频振动没有衰减作用。 地面振动的主频为12. 5 Hz，能量主要分布在 10 ～ 20 Hz，钢弹簧浮置板轨道对此频域范围内的减振效果最好，各个对比测点在主频12. 5 Hz 的插入损失可达4. 1 ～ 11. 4 dB，并且随着距离的增大而呈递减趋势。

      表 2 为沿线环境振动预测值和实际测试值比较结果，可见根据城市轨道交通环评技术导则计算模式所预测的各个测点的 Z 振级与测量值偏差在 0 ～ 2 dB 范围之内，吻合度较好，见表 2。说明导则预测模式具有很强的实用性，只要正确地选取相关预测参数，预测结果就能得到保证。

      根据本文研究可以得到如下结论:

      1)钢弹簧浮置板轨道的测试断面各个测点的实测 Z 振级均远小于标准所规定限值，钢弹簧浮置板轨道地面环境振动 Z 振级远小于标准所规定限值，在隧道上方(距轨道水平距离 5 m 内)，钢弹簧浮置板轨道的减振效果可达 13. 1 ～ 14. 3 dB。钢弹簧浮置板轨道的减振效果明显。

      2)钢弹簧浮置板轨道对 10 Hz 以下的低频振动没有衰减作用。地面环境振动的能量主要分布在 10 ～20 Hz，钢弹簧浮置板轨道对此频域范围内的减振效果最明显，各测点在主频 12. 5 Hz 的插入损失可达 4. 1 ～11. 4 dB。

      3)根据和实测值对比，城市轨道交通环评技术导则计算模式具有很强的实用性，只要正确地选取相关预测参数，预测结果就能得到保证。