1. 引言
我国城市建设规模快速发展，地铁列车运行引起沿线环境振动问题也越来越受到人们的关注 [1] [2] [3] 。因此，轨道系统设计时通常在钢轨扣件、轨枕或道床等位置采取减振措施 [4] [5] [6] [7] 。钢弹簧浮置板轨道通过钢弹簧隔振器将道床与基础隔离开来，构成质量–弹簧–阻尼系统，是目前在轨道交通中应用最广泛、减振效果最明显的一种减振轨道型式。
钢弹簧浮置板轨道的动力特性与减振效果可通过现场实测确定。黄俊飞 [8] 在隧道壁安装垂向加速度传感器，现场实测研究地铁隧道内钢弹簧浮置板轨道的实际减振效果。李克飞 [9] 对比分析安装了普通扣件、III型轨道减振扣件和钢弹簧浮置板轨道的钢轨、道床及道壁振动特点，分析了不同减振措施带来的减振效果。林渝轲 [10] 测试分析了时速120 km地铁隧道内普通整体道床、梯形轨枕轨道、钢弹簧浮置板轨道的振动特性和减振效果。吴永芳 [11] 通过现场隧道壁振动测试分析了减振扣件、弹性短轨枕和浮置板轨道的减振效果。
由于现场测试受线路和车辆因素影响较大，且新建线路的钢弹簧浮置板轨道减振效果测试评价无法事先进行现场测试。因此通常采用落锤、落轴等设备施加冲击荷载，开展实验室测评研究。金浩 [12] 通过实验室自动落锤激励试验探讨了梯式轨道枕下减振垫铺设方式对其减振能力的影响。李明航 [13] 基于实验室定点锤击试验定量分析了预载值对轨道减振效果的影响，当预载值达到一定程度后，Z振级插入损失趋于稳定。王金 [14] 进行实验室落轴试验，对比两种不同阻尼比的隔振器浮置板轨道结构减振性能的差异。朱胜阳 [15] 通过实验室落轴试验研究应用动力吸振器浮置板轨道的低频振动控制特性。
本文对地铁线路直线段开展现场振动测试研究，分别测试普通整体道床轨道和钢弹簧浮置板轨道在基础和隧道壁位置上的振动特性，并对比分析测点位置对减振效果评价的影响。然后以实验室铺设的普通整体道床轨道和钢弹簧浮置板轨道为基础，通过电磁式激振器施加冲击激励，对实验室基础位置的插入损失进行了测评研究，结合现场测试规律进一步估算出隧道壁位置减振效果。研究成果为减振轨道实验室测评提供了重要参考。
2. 现场测评研究
2.1. 测点布置
对地铁线路直线段开展现场振动测试研究。该地铁线路为地下盾构线路，盾构隧道截面为圆形，钢轨为60 kg/m的无缝钢轨，表面状态良好。
为记录地铁列车通过时轨道产生的振动情况，将加速度传感器分别固定在基础和隧道壁测点上。基础垂向振动测点布置在道床板下方隧道基础位置，隧道壁垂向振动测点布置在隧道壁上，距轨面高度1.25 m的位置 [16] 。普通整体道床轨道和钢弹簧浮置板轨道测点布置如图1所示。地铁正常运行期间，采集普通工作日一天的行车数据，地铁列车通过测试断面时车速约100 km/h。
(a) 普通整体道床轨道 (b) 钢弹簧浮置板轨道
Figure 1. Layout diagram of measuring points
图1. 测点布置示意图
2.2. 普通整体道床轨道
2.2.1. Z振级分析
Figure 2. The maximum Z-vibration level of ordinary track
图2. 普通整体道床轨道振动最大Z振级
在《城市区域环境振动测量方法GB10071-1988》 [17] 中，采用全身振动Z计权因子修正后得到的振动加速度级，即Z振级(VLZ)，进行振动评价，Z振级反映了垂向振动加速度在三分之一倍频程中心频率1 Hz~80 Hz范围内计权后的振动能量。Z振级计算公式为
(1)
其中：VLi为第i个频带的振动加速度级(dB)；λi为第i个频带的计权因子(dB)。
最大Z振级(VLZ, max)为列车通过过程中Z振级的最大值。计算列车通过时间内的Z振级，时间积分常数为1秒，重叠系数7/8。据此获得列车通过测试断面的最大Z振级。
图2为普通整体道床轨道测试断面全天通过列车基础和隧道壁垂向振动最大Z振级。可以看出，对于不同车次，基础测点和隧道壁测点最大Z振级的分布均较为离散，且变化规律具有一致性；基础测点平均值为80.4 dB，最大值92.1 dB，最小值74.1 dB，最大值与最小值相差18.0 dB；隧道壁测点平均值为69.2 dB，最大值81.3 dB，最小值63.5 dB，最大值与最小值相差17.9 dB；相同车次下基础测点与隧道壁测点的差值波动较小，差值的平均值为11.2 dB。
2.2.2. 频域分析
根据全天通过列车Z振级分析，选择平均值车次作为典型工况进行频域分析。普通整体道床轨道典型工况列车通过测试断面时基础和隧道壁的平均Z振级分别为80.4 dB、69.5 dB，振动从基础传至隧道壁后振动大幅衰减10.9 dB。
普通整体道床轨道测试断面典型工况的基础和隧道壁垂向振动加速度三分之一倍频程频谱如图3所示。可以看出，基础测点的振动幅值在所有频段内均大于隧道壁测点。
Figure 3. One-third octave spectrum of typical operating conditions
图3. 典型工况三分之一倍频程频谱
2.3. 钢弹簧浮置板轨道
2.3.1. Z振级分析
图4为钢弹簧浮置板轨道测试断面全天通过列车基础和隧道壁垂向振动最大Z振级。可以看出，对于不同车次，基础测点和隧道壁测点最大Z振级的分布均较为离散，且变化规律具有一致性；基础测点平均值为74.7 dB，最大值84.3 dB，最小值70.0 dB，最大值与最小值相差14.3 dB；隧道壁测点平均值为54.7 dB，最大值61.1 dB，最小值51.5 dB，最大值与最小值相差9.6 dB；相同车次下基础测点与隧道壁测点的差值波动较小，差值的平均值为20.0 dB。
Figure 4. The maximum Z-vibration level of steel spring floating slab tracks
图4. 钢弹簧浮置板轨道振动最大Z振级
2.3.2. 频域分析
根据全天通过列车Z振级分析，选择平均值车次作为典型工况进行频域分析。钢弹簧浮置板轨道典型工况列车通过测试断面时基础和隧道壁的平均Z振级分别为73.0 dB、53.9 dB，振动从基础传至隧道壁后振动大幅衰减19.1 dB。
钢弹簧浮置板轨道测试断面典型工况的基础和隧道壁垂向振动加速度三分之一倍频程频谱如图5所示。可以看出，基础测点的振动幅值在所有频段内均大于隧道壁测点。
Figure 5. One-third octave spectrum of typical operating conditions
图5. 典型工况三分之一倍频程频谱
2.4. 减振效果
2.4.1. Z振级分析
全天通过列车基础和隧道壁垂向振动最大Z振级插入损失如图6所示。可以看出，对于不同车次，基础测点和隧道壁测点最大Z振级插入损失的分布均较为离散；隧道壁测点最大Z振级插入损失均为正值，基础测点最大Z振级插入损失出现负值，说明部分车次通过时，钢弹簧浮置板轨道比普通整体道床轨道在基础位置产生的振动更加剧烈；基础测点最大Z振级插入损失平均值为5.7 dB，最大值17.6 B，最小值−8.8 dB，最大值与最小值相差26.4 dB；隧道壁测点最大Z振级插入损失平均值为14.5 dB，最大值25.2 dB，最小值2.9 dB，最大值与最小值相差22.2 dB；基础测点与隧道壁测点最大Z振级插入损失差值的平均值为8.8 dB。说明车次和测点位置对减振轨道减振效果评价具有较大影响。
Figure 6. Insertion loss of the maximum Z-vibration level
图6. 最大Z振级插入损失
2.4.2. 频域分析
Figure 7. Insertion loss of the typical operating conditions
图7. 典型工况插入损失
根据全天通过列车Z振级分析，选择平均值车次作为典型工况进行频域分析。典型工况列车通过测试断面时基础测点和隧道壁测点的平均Z振级插入损失分别为7.4 dB、15.6 dB，相差8.2 dB。
普通整体道床轨道和钢弹簧浮置板轨道测试断面典型工况插入损失如图7所示。对于基础测点，在2 Hz~2.5 Hz、10 Hz~31.5 Hz区间，钢弹簧浮置板轨道断面的振动大于普通整体道床轨道断面，在其他频段，钢弹簧浮置板轨道具有减振效果；对于隧道壁测点，钢弹簧浮置板轨道在除12.5 Hz以外的其他频段具有减振效果。隧道壁测点振动响应叠加了隧道衬砌等结构系统的影响作用，因此隧道壁测点减振效果整体表现优于基础测点。
3. 实验室测评研究
3.1. 实验装备和测点布置
中国铁路设计集团有限公司城市轨道交通数字化建设与测评技术国家工程研究中心建设有完善的激振系统、轨道系统和测试系统。激振系统为EES-70W型电磁式激振器，自重4700 kg，最大输出加速度幅值15 m/s2。能够进行冲击激励、扫频激励和编制载荷谱激励输出。轨道系统为1:1实体轨道，包含普通整体道床轨道、钢弹簧浮置板轨道和梯形轨枕轨道，采用60 kg/m标准钢轨。
振动测点布置于轨道板基础位置如图8所示。对普通整体道床轨道和钢弹簧浮置板轨道分别施加相同幅值大小的冲击激励，激振器输出加速度幅值范围：10 m/s2~14 m/s2，换算为施加在钢轨上的激振力幅值约47 kN~65.8 kN，在其他测试条件一致情况下进行数据采集。
(a) 普通整体道床轨道 (b) 钢弹簧浮置板轨道
Figure 8. Layout of measurement points
图8. 测点布置
3.2. 普通整体道床轨道
普通整体道床轨道实验室基础位置垂向振动平均Z振级如表1所示，三分之一倍频程频谱如图9所示。随着脉冲激励幅值的增大，Z振级总值也随之增大，但增幅较小。
Table 1. Z-vibration level at the base position
表1. 基础位置振动Z振级
3.3. 钢弹簧浮置板轨道
钢弹簧浮置板轨道实验室基础位置垂向振动Z振级如表2所示，三分之一倍频程频谱如图10所示。随着脉冲激励幅值的增大，Z振级总值也随之增大，但增幅较小。
Table 2. Z-vibration level at the base position
表2. 基础位置振动Z振级
3.4.减振效果
Table 3. Insertion loss of Z-vibration level
表3. Z振级插入损失
普通整体道床轨道与钢弹簧浮置板轨道实验室基础位置的Z振级插入损失如表3所示，三分之一倍频程频谱如图11所示。可以看出，该型钢弹簧浮置板轨道在6.3 Hz~12.5 Hz不具有减振效果，在16 Hz以上频段减振效果较好。本次实验室测试中，在不同幅值大小的冲击激励下，该型钢弹簧浮置板轨道的减振效果基本保持不变，平均值为7.5 dB，根据现场测试结果规律可以估算出该型钢弹簧浮置板轨道在隧道壁位置的Z振级插入损失为16 dB左右。
4. 结论
1) 地铁列车通过测试断面时，振动从基础传至隧道壁后振动大幅衰减，普通整体道床轨道最大Z振级衰减11.2 dB，钢弹簧浮置板轨道最大Z振级衰减20.0 dB。
2) 测点位置对钢弹簧浮置板轨道减振效果评价具有较大影响，基础测点与隧道壁测点最大Z振级插入损失差值的平均值为8.8 dB。
3) 基于实验室冲击激励测评结果，钢弹簧浮置板轨道在6.3 Hz~12.5 Hz不具有减振效果，在16 Hz以上频段减振效果较好。钢弹簧浮置板轨道在实验室基础位置的减振效果为7.5 dB，根据现场测试结果规律可以估算出隧道壁位置Z振级插入损失为16 dB左右。
基金项目
天津市自然科学基金青年基金项目(22JCQNJC01710)；中国铁路设计集团有限公司科技开发A类重点课题(2023A0253815, 2024A0253809)。