据中国城市轨道交通协会公布，截止到2023年12月，中国内地累计有59个城市投运城市轨道交通，线路里程11 232.65 km，其中地铁8 547.67 km，占比76.10%[1]。地铁车辆段用于地铁列车的停放、检修和管理，是地铁系统的基本附属设施。随着城市的发展和地铁系统的大规模建设，低建筑密度和大占地面积的地铁车辆段已经不是一种经济的城市用地方式[2]。在新城市主义背景下，受到缝合城市、城市触媒、TOD开发理念等影响，目前对地铁车辆段上盖建筑开发已成为轨道交通发展的一个共识[3]。然而，地铁车辆段线路复杂多样，道岔、接头和小半径曲线大量存在，导致车辆段内的振动和噪声问题更为突出[4]，振动经由轨道基础、立柱、建筑基础、车辆段上盖平台传递到上盖建筑，极易引起上盖建筑结构振动，进而诱发二次结构噪声。另一方面，车辆段在早上和深夜频繁的收发车严重影响了上盖建筑内居民的正常生活[5-6]。因此，开展地铁车辆段上盖建筑形式的振动特性、传播规律及振动控制的研究十分必要。国内外学者针对地铁车辆段上盖建筑形式的振动问题展开了大量工作。冯青松等[7-8]通过在车辆段实测，分析了试车线、咽喉区、检修线区域的振动差异及衰减规律。邹超等[9]研究了列车以不同车速通过试车线所致振动在地面及上盖建筑中的传播规律，总结出场地土与上盖建筑物的振动耦合特性与振动频率相关。闫宇智等[10]实测分析了列车以不同速度出入库时所引起的轨道区、地面区和室内区的振动加速度响应。TAO等[11]通过现场实测，研究了轨道线形和咽喉区轨道位置对上盖建筑物振动响应的影响。LIANG等[12]通过现场测试对试车线和咽喉区的振动水平进行了统计，并总结了振动从盖下到盖上建筑的传播规律。在减振方面，ZOU等[13]研究了在轨道旁施加不同波屏障的隔振效率，结果显示明渠式的隔振效果较好。WANG等[14]通过建立的考虑了桩-土力的上盖建筑三维预测模型，分析了钢轨阻尼器和道砟垫减振措施的有效性。李建森等[15]利用落轴试验分析了道砟垫在地铁车辆段应用中的减振性能。曹志刚等[16]分析了道砟垫对上盖建筑的减振效果，结果表明道砟垫的减振效果随频率增大呈整体改善效果。冯青松等[17]研究了不同减振扣件刚度组合对双层地铁车辆段上盖建筑振动噪声的影响，结果表明车辆段上层采用中等减振扣件、下层采用高等减振扣件的组合具有更好的减振降噪效果。姜博龙等[18]分析了周期性桩基础对上盖建筑的隔振效果，结果表明周期性桩基础可有效控制上盖建筑10 Hz以下低频振动。此外，学者们对有砟轨道采用弹性轨枕减振措施的作用机理和减振效果进行了系统的研究[19-20]。上述研究主要集中在无减振或道砟垫减振的地铁车辆段，随着减振要求的提高，近些年新建或拟建的车辆段开始尝试采用护砟型弹性轨枕及减振型道砟垫的组合减振方案，然而针对组合减振车辆段的振动特性及减振规律的研究鲜有报道。本文基于西安某组合减振地铁车辆段现场实测，分析了试车线道岔区域的振动特性及传播规律，研究结果可为地铁车辆段及上盖建筑的振动控制提供参考。
1 现场测试
1.1 地铁车辆段概况
测试车辆段位于西安地区，占地约29万m2，东西长1.2 km，南北宽约0.3 km，地质条件为I级非自重湿陷性黄土。车辆段由试车线、运用库、咽喉区等主要区域组成，其中上盖平台位于试车线和运用库上方，如图1所示。
车辆段采用的减振措施为弹性轨枕+道砟垫的组合减振，其中弹性轨枕垫的动态基础模量为0.4 N/mm3，道砟垫的动态基础模量为0.019 N/mm3。此外，为了加强钢轨和轨枕的整体性，从而有效地增加轨道的参振质量，因此将扣件的刚度提高到240 kN/mm，如图2所示。
依据使用功能，车辆段在不同区域采取的限速不同。试车线用于对新车和检修后的列车进行系统调试和性能测试，列车的运行速度相对其他区域较高，所产生的振动影响也越大。为了综合考虑最不利影响，本次测试区域选为车辆段的试车线道岔区域。试车线的道床形式为有砟道床，钢轨为60 kg/m，减振措施为弹性轨枕+道砟垫的组合减振。测试地铁车辆为地铁B型车，6节编组，设计最高速度为80 km/h，最大静轴重14 t。车辆尺寸为19 m×2.8 m×3.8 m，车体定距12.6 m，轴距2.2 m，车轮直径0.84 m。
1.2 测点布置及测试工况
由于道岔中存在着多种钢轨组合形式、轨枕长度以及附属轨道部件等，使得道岔区轨道整体刚度沿道岔纵向分布呈不均匀性。为了提高列车过岔稳定性，车辆段通过对轨枕垫刚度分级实现了道岔整体刚度的均匀化设计，如图3所示。
本次测试的目的是探究组合减振道岔的振动特性及传递规律，测点设置在试车线道岔的入岔、岔心及出岔3个断面。将测点按照测试区域分为A区(入岔)、B区(岔心及出岔)，具体测点包含钢轨、轨枕、结构柱以及地面，如图4所示。其中，列车的行进方向在图4中用箭头标出。
测试仪器主要包含数据采集仪和加速度传感器。数据采集仪选用北京东方所DASP网络式智能采集仪及数据采集分析系统。振动传感器采用压电式振动加速度传感器，频率范围为0.1～20 kHz。采样频率设置为2 048 Hz，根据Shannon采样定理可知，该采样频率保证了数据在1 024 Hz内的有效性，包含了环境振动所关心频段。相关研究表明，地铁运行产生的环境振动在竖直方向最大，其次是沿轨道方向，最后是垂直轨道方向[21]，本次测试仅考虑测点的竖向振动。
现场测试时，按照列车行驶速度分成2个工况，分别为40 km/h和60 km/h，每个工况下安排列车运行5次，共计10组数据。其中列车均以空载运行，图5为现场测试图。
2 振动响应及数据有效性分析
振动数据在采集过程中极易受到现场测试环境的影响，因此在实验方案设计中，现场测试时的列车应严格按照规定速度以拉风箱式的往返在测试区域运行，目的是用以降低测试环境带来的影响。在后续的振动数据分析中，以测点在多次同工况下的频谱可重复性较好作为有效数据的判断依据。
本节在对测试区域的典型测点时域响应的基础上，对所有测点的有效性展开了频域分析。其中以测点的多次测试数据在频域内的可重复性来判别数据是否有效。以列车速度40 km/h工况的多组数据为例，阐述有效性分析的结果，如图6所示。结果表明，入岔、岔心及出岔3个断面所有测点筛选出的有效数据均在频域内表现出了良好的可重复性，保证了数据的有效性。对不同测点在2种速度下的有效振动数据的数量统计结果如表1所示。
| 速度/(km∙h-1) | 入岔断面/A区 | 岔心及出岔断面/B区 | |||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| A1 | A2 | A3 | A4 | A5 | A6 | B1 | B2 | B3 | B4 | B5 | B6 | B7 | B8 | B9 | |
| 40 | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 | 3 | 4 | 3 |
| 60 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 |
3 振动特性及传递规律分析
3.1 时域分析
选取列车在40 km/h工况下的测点振动响应进行时域分析。首先计算了测点振动加速度的有效值。有效值是反映测点在一段时间内振动能量大小，对于离散振动加速度信号其时域内振动加速度有效值由式(1)计算。
式中：N为离散数据个数；
计算结果如图7所示，从图7可知，测点的振动有效值在时域内的统计存在一定的离散现象。该现象可能与轨道不平顺、线路整体状态、司机的驾驶习惯具有一定关系。同时也表明了时域数据存在一定的随机性，因此不能直接作为验证数据有效性的判别条件。
由于不同测点振动有效值变化范围较大，为了便利地描述振动的变化，进一步对振动加速度数据在时域内展开振动加速度级分析。时域内振动加速度级的计算公式如式2所示：
式中：
分析结果如图8所示。从图中可知，在40 km/h工况下，入岔断面的钢轨振动加速度级为135 dB，岔心断面为140 dB，出岔断面为130 dB。同一工况下岔心断面的钢轨产生了更大的振动，产生该现象的主要原因是轮轨在岔心处产生了更大的轮轨冲击。
轨枕在岔心处的振动最大，在入岔处次之，在出岔处最小，分别为130，120和102 dB。振动进一步传播，经过轨道后传至结构柱及地面，在此过程中振动能量发生了大幅度的衰减，结构柱和地面的振动加速度级在65～75 dB，其中岔心地面振动水平最高。
3.2 频域分析
对列车在40 km/h、60 km/h 2种工况下的测试数据展开频域分析，分析结果如图9和图10所示。结果可知，2种不同列车速度下，测点的振动在频域内有一定差异。对于入岔断面，随着速度的增加，测点在4～10 Hz的低频振动能量有所增加，这是由于入岔处的轨道刚度存在突变现象，而刚度突变极易产生低频的冲击振动，且与列车速度相关，速度越高，低频振动就越大。对于岔心断面，随着速度的增加，钢轨B1和轨枕B3在4～10 Hz的低频振动被遏制，而在出岔断面钢轨B4和轨枕B6在4～10 Hz振动水平再次增大。
以列车40 km/h运行时为例分析测点的振动特性。在入岔断面，钢轨A1振动能量集中在630 Hz和800 Hz，峰值频率为800 Hz，幅值为130 dB；轨枕A3的振动能量在160 Hz和800 Hz的能量较大，幅值为112 dB；结构柱A4在125 Hz和500 Hz的能量较大，幅值为65～70 dB；地面A6的峰值频率为500 Hz，幅值62 dB。
3.3 最大Z振级分析
实际工程中，Z振级通常被用来评价敏感振动目标的振动水平。它是指在较短的时间内(1 s)进行计权，当列车通过时可以测得Z振级随时间变化的函数，而选取时间内的最大值即为最大Z振级。因为人体对振动的变化很敏感，通常认为选取最大Z振级评价铁路的振动水平相对合理。例如，我国《环境振动标准》GB10070中就规定了以最大Z振级作为评价指标[22]。对表1筛选出的有效振动数据进行了最大Z振级分析，A、B区测点的最大Z振级均值统计结果如表2和表3所示。
| 测点 | 最大Z振级/dB | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 速度/(km∙h-1) | A1 | A2 | A3 | A4 | A5 | A6 | |
| 均值 | 40 | 103.78 | 102.59 | 103.25 | 62.00 | 60.94 | 55.76 |
| 60 | 106.70 | 107.57 | 105.89 | 63.45 | 62.96 | 59.74 | |
| 测点 | 最大Z振级/dB | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 速度/(km∙h-1) | B1 | B2 | B3 | B4 | B5 | B6 | B7 | B8 | B9 | |
| 均值 | 40 | 114.00 | 117.15 | 111.44 | 102.31 | 100.36 | 102.07 | 63.23 | 65.29 | 60.59 |
| 60 | 112.20 | 117.41 | 111.47 | 103.02 | 100.45 | 102.45 | 62.64 | 65.48 | 60.57 | |
在入岔断面，列车以40 km/h运行时左右股钢轨A1、A2的最大Z振级平均值存在1.2 dB差异，分别为103.78 dB和102.59 dB。轨枕的最大Z振级为103.25 dB，而在经过轨道的减振后结构柱和地面的振动能量水平大幅衰减，最大Z振级范围在55～62 dB。另一方面，随着列车速度的增加，所有测点的最大Z振级也随之增加，然而增长速率有所不同，在轨道的钢轨和轨枕处的增长速率大于结构柱和地面，如表2所示。
在岔心及岔后测试断面，列车以40 km/h运行时轨道上的测点最大Z振级平均值在100～114 dB，轨道外的测点在60～65 dB。随着列车速度的增加，测点的最大Z振级的变化并不明显，如表3所示。此外，通过表2和表3可以得出，道岔的轨枕振动水平和钢轨基本相当，因此也验证了使钢轨和轨枕形成整体化方案的有效性。由于轮轨冲击作用和轨道刚度较大，导致岔心断面测点的振动水平最大。
3.4 传递规律分析
本节对测点的振动传递规律展开分析，利用传递损失说明前后测点的振动能量在频谱内的变化规律，利用最大Z振级分析振动能量的总体变化。
图11为入岔断面A区的振动传递规律分析结果。结果表明，轨道外的测点在频域对应的幅值上普遍小于轨道上的测点，说明振动能量在传播的过程中发生了衰减。其中，轨道测点的能量集中在800 Hz，而轨道外的测点集中在100～125 Hz和500 Hz，可知在500 Hz以上的高频能量发生了快速衰减。进一步对A1～A4、A1～A5、A1～A6展开传递损失分析，可以看到频率在200 Hz以上的能量衰减较大，衰减的最大幅值在70～85 dB。衰减较小的频段是10～125 Hz，该频段与人的振动舒适高度相关，应着重考虑。不同列车下的传递损失规律有所不同，随着速度的增加，5～16 Hz的传递损失有所增加。
图12为岔心及出岔断面B区的振动传递规律分析结果。结果表明，与入岔断面一致，轨道外的测点在频域对应的幅值上普遍小于轨道上的测点，说明振动能量在传播的过程中发生了衰减。进一步对B1～B7、B1～B8、B1～B9展开传递损失分析，可以看到频率在125 Hz以上的能量衰减较大，衰减的最大幅值在75～90 dB。在不同列车下的传递损失规律有所不同，随着速度的增加测点间的传递损失反而有所减小。
相应地对测点展开最大Z振级的传递规律分析，图13为入岔断面最大Z振级传递规律分析结果。结果表明，同一速度下轨道上测点的最大Z振级比轨道外测点大了约40 dB，其中钢轨和轨枕的最大Z振级水平相差不大。进一步对不同速度下的A1～A4、A1～A5、A1～A6的传递损失展开分析，从图13中可知，随着速度的增加，测点间的传递损失随之增加。
图14为岔心及岔后最大Z振级传递规律分析结果。结果表明，同一速度下轨道上测点的最大Z振级比轨道外测点大了约50 dB，其中岔心钢轨大于出岔钢轨约18 dB，可知岔心钢轨所受冲击更大。进一步对不同速度下的B1～B7、B1～B8，B1～B9的传递损失展开分析，从图14中可知，随着速度的增加，测点间的传递损失反而减小。
对于A区(入岔)和B区(岔心、出岔)随速度增加1/3倍频程和最大Z振级下的传递损失规律不一致现象，可能是由于入岔到岔心，轨枕长度逐渐增加，因此枕下支撑刚度是一个逐渐增加的过程。而出岔区与岔心相比，枕下支撑刚度有突然的下降，即使本项目采用弹性轨枕进行了刚度不平顺控制，仍不足弥补刚度的突变。随着车速的增加，刚度突变导致的冲击效果更加显著，导致振动传递损失减少。更深入的机理分析将会在下一步的研究中重点考虑。
3.5 组合减振措施效果分析
为了比较车辆段组合减振措施与无减振措施的振动特性及传递规律，选择了与组合减振车辆段测试条件相同的无减振车辆段对比分析。2类车辆段的振动特性及传递规律的对比分析结果如图15所示。结果显示，在振动特性方面，组合减振钢轨在250～630 Hz的能量小于无减振；组合减振地面在5～315 Hz的能量小于无减振；组合减振轨枕在3.15～25 Hz的能量大于无减振轨枕。在传递损失方面，组合减振的钢轨-轨枕损失能量小于无减振；组合减振的轨枕-地面在2.5～160 Hz损失能量大于无减振。
在减振效果方面，组合减振地面的最大Z振级相比无减振降低了17.93 dB。综上可知，组合减振与无减振道岔在振动传递特性及传递规律上具有较大的差异，组合减振措施下的轨枕振动大于无减振，且轨枕和钢轨振动水平相当，这表明弹性轨枕的使用让钢轨及轨枕形成整体化的设计具有明显的效果。此外，组合减振对于缓解地面振动的优势频段为5～315 Hz。
4 结论
1) 试车线道岔不同区域的振动特性明显不同。在时域内的振动水平从大到小依次为岔心、入岔、出岔。在频域内，入岔断面引起地面垂向振动的主要频率范围在12.5～200 Hz、400～800 Hz，岔心及出岔断面引起地面垂向振动的主要频率范围在12.5～125 Hz，且随着列车速度的增大入岔断面Z振级的增加更为显著。
2) 钢轨和轨枕的振动水平在时域、频域以及最大Z振级的相差不大，其中道岔3个断面的钢轨和轨枕的最大Z振级差值均在3 dB以内，表明增大扣件刚度和使用弹性轨枕让钢轨及轨枕形成整体化的设计具有明显的效果。
3) 组合减振与无减振道岔振动特性及传递规律存在较大差异，在1/3倍频程上组合减振措施的工作频带为5～315 Hz，减振效果约为17.9 dB。下一步应考虑组合减振的优势频段对上盖建筑居民振动舒适的实际影响，并通过仿真和室内实验开展理论研究，从安全性和减振效果2方面确定组合减振措施在道岔中的最佳刚度匹配。
刘杰,杜飞,张培杰等.车辆段组合减振道岔振动特性及传递规律研究[J].铁道科学与工程学报,2024,21(11):4507-4519.
LIU Jie,DU Fei,ZHANG Peijie,et al.Vibration characteristics and transmission law of turnout with combined vibration reduction measures in metro depot[J].Journal of Railway Science and Engineering,2024,21(11):4507-4519.