城市轨道交通地下线振动噪声整治技术研究与应用
随着各大城市的轨道交通运营线路数量的不断增加，城市轨道交通运营线路引发的振动噪声问题日益显著。以南京地铁某线敏感点的振动噪声投诉为研究对象，对地下线振动噪声的整治问题进行研究。
首先对投诉敏感点对应区段的轨行区状态及敏感点小区的住户进行调研；然后对敏感点的环境振动、室内振动及二次结构噪声进行测试分析；根据调研的超标情况，制定初步的整治措施；建立针对敏感点的车辆—轨道—隧道—土体—建筑物的空间耦合理论仿真分析模型，理论仿真分析论证采用整治措施的有效性；在此基础上开展振动噪声的整治工作，并对整治效果进行测试评估；通过大量的测试数据及入户回访，从定量和定性角度验证整治措施实施后的有效性。
希望本研究对于今后城市轨道交通振动噪声问题的科学治理提供借鉴。
由多家单位组成的产学研用相结合的技术团队开展系统性研究，具体技术路线为：对投诉敏感点对应区段的轨行区状态及住户进行调研，初步确定需进行振动噪声整治的敏感点；对敏感点的振动噪声和相应轨行区的振动及钢轨波磨等进行测试分析；根据测试评估及前期调研情况初步制定针对性的整治措施；建立车辆—轨道—隧道—土体—建筑物的空间耦合理论仿真分析模型，对拟采用整治技术的效果进行仿真分析；在测试及理论分析结果基础上确定了需采取的整治方案后，开展系统性的整治工作；整治完成后依据轨行区振动及波磨检测、地面振动、敏感点振动噪声、入户调研等方面的结果，评估整治措施的实施效果。具体的技术路线如图1所示。
图1 技术路线
现状调研包括轨行区调研和入户调研两方面。其中，轨行区调研主要查看轨道状态，入户调研主要是为了感受列车运行产生的振动噪声对住户的影响。通过对振动噪声投诉地段的轨行区调研和入户调研，可系统掌握敏感点振动噪声情况及相应轨行区的轨道设计方案及轨道状态，并为后续振动噪声整治方案制定、理论仿真分析、测试评估等工作的开展奠定基础。
调研里程范围为K10+400～K10+600，敏感点位于右线正上方，距离左线最近7m，轨顶面埋深21m，线间距12m，平面曲线半径最小为400m，处于7‰下坡和4‰上坡的变坡点处。
左线(下行)线路里程K10+310～K10+410范围铺设科隆蛋扣件、K10+410～K10+540范围铺设DTⅥ2 型扣件、K10+540～K10+585范围铺设先锋扣件；右线(上行)线路里程K10+310～K10+575范围铺设DTⅥ2 型扣件、K10+575～K10+793范围铺设先锋扣件。区间为长枕式双侧水沟整体道床，联络通道处(左线K10+517、右线K10+526)为短枕式双侧水沟整体道床。
经调研发现，区间内部分地段扣件存在弹条断裂和脏污等问题（见图2），运营部门已进行了及时更换和清洁，并对轨道几何形位进行了检查和调整，但以上问题对于振动噪声的影响相对较小。此外，右线部分地段还存在钢轨波磨（见图3），里程为K10+380～K10+544（上股）和K10+310～K10+575（下股），与敏感点里程相重合，经判断此类问题是造成地下线振动噪声的主要原因[5-6]，必须予以及时整治。
图2 扣件脏污 图3 钢轨波磨
敏感点对应的线路里程约为K10+500。入户调研的总体情况为：本线刚开通时，列车通过此区段能感到有些振动，但不明显，物业也未收到住户投诉；但近两年该小区1号楼能感到较为明显的振动，小区物业也陆续接到了来自该楼居民的投诉。
经初步分析可知，钢轨波磨的产生时间与住户感受到振动的时间较为契合，扣件的减振性能不足可能也是诱因之一。
对该敏感点对应线路里程K10+527处钢轨、道床板、隧道壁的振动进行了测试，测点分布如图4所示。
图4 测点示意图
测试得到钢轨竖向振动时域图、频域图和分频振级如图5所示。整体道床和隧道壁的测试结果图不再赘述。
图5 钢轨竖向振动测试结果
时域分析可知：钢轨、道床、隧道壁的振动加速度最大值依次为160.6m/s2、2.4m/s2和0.9m/s2，振动幅值沿着钢轨、道床至隧道壁衰减明显。
频域分析可知：钢轨、道床、隧道壁的振动加速度在360Hz、360Hz和70Hz达到峰值。
Z振级分析可知：钢轨、道床、隧道壁的最大Z振级（VLZmax）依次为101.31dB、79.51dB和75.12dB。
采用波磨采集仪对右线线路里程K10+400～K10+600范围内的钢轨波磨进行了测量。
综合测试结果表明钢轨存在50mm左右的敏感波长，也即钢轨波磨的波长。
地面上布置了6个测点，如图6所示。其中，测点1在线路正上方，测点2~5逐渐远离线路，并靠近敏感点；测点6和测点5与线路之间的距离一致，均为13.4m，但远离敏感点。
图6 地面测点位置示意图
经Z振级分析可知：地面测点1~6的最大Z振级（VLZmax）分别为77.5dB、74.8dB、74.4dB、66.9dB、70.3dB和55.4dB。
由上述测试结果可知，地面竖向振动的最大Z振级（VLZmax）随着测点与线路之间距离的增大基本呈现逐渐衰减的规律。
针对该投诉敏感点的环境振动、室内振动和二次结构噪声进行了测试，主要测试结论为：
1）该敏感点所在建筑物某户门厅外环境振动VLZmax为69.7dB，超过限值2.7dB。
2）某活动室的室内二次结构噪声最大值为39.4dB，超过限值4.4dB。
3）室内分频最大振级约58dB，未超标。
由上述测试结果分析可知，敏感点与线路距离过近、钢轨波磨存在及减振措施不足是引发敏感点振动噪声的主要原因。故拟采取如下整治措施：
1）钢轨打磨，消除钢轨波磨[7-8]。
2）将左线（下行）里程K10+410～K10+540范围、右线（上行）里程K10+360～K10+575范围之间的DTⅥ2扣件更换为嵌套式减振扣件[9-10]。
3）为减缓曲线地段的钢轨波磨，曲线范围内增设了轨顶涂覆装置[11-12]及TMD[13]。
为初步验证措施的实施效果，建立了该区段的车辆-轨道-隧道-土体-建筑物的空间耦合理论仿真分析模型[14-15]，对振动噪声整治措施的效果仿真分析研究。
敏感点所在建筑物为11层钢混结构，立面和平面图如图7。
图7 敏感点建筑物图
敏感点所在区间为盾构隧道，轨顶埋深21m，盾构管片内径5500mm，外径6200mm。区间轨道类型为长枕式双侧水沟整体道床。扣件类型为DTⅥ2型扣件，扣件组装静刚度取值为30kN/mm，动静刚度比按不大于1.4考虑，扣件间距为600mm。
采用宽体A型地铁列车，每一列车采用4动2拖方式编组，列车以57km/h通过敏感点所在区段。
02 仿真分析模型的建立及验证
1）仿真分析模型的建立
根据以上工程资料，建立该敏感点处的理论仿真分析模型，如图8所示。
图8 敏感点仿真分析模型
利用上述模型，对列车通过敏感点所在地铁区间所引发的环境振动进行仿真计算，并与实测结果进行对比验证。
2）时域的验证
在时域内将仿真计算结果和测试结果进行了对比，以隧道壁处垂向振动加速度的时域结果对比为例给出，如图9所示，各位置处的结果对比见表1。
图9 隧道壁垂向振动加速度时域结果对比
由上述图表对比可知，隧道壁、地面及室内楼板垂向振动加速度的仿真计算结果在时域范围内与实测结果幅值相差不大，有效值的最大误差均在10%以内，因此采用本模型进行振动分析是可行的。
3）频域的验证
在频域内将仿真计算结果和测试结果进行对比，频域图对比如图10。数值对比见表2，其中隧道壁和地面振动指标为最大Z振级（VLZmax）、室内楼板振动指标为分频最大振级（VLmax）。
图10 隧道壁垂向振动加速度分频
振级结果对比
由上述图表对比可知，隧道壁的实测结果及理论分析结果的频域曲线线型基本一致，尤其是峰值区域的。隧道壁、室外地面以及室内楼板振动评价指标最大误差均不超过10%，因此采用本模型进行振动分析是可行的。
根据前述测试分析得到的整治方案建议，针对钢轨打磨和更换嵌套式减振扣件两种工况，采用所建立的数值仿真分析模型，对整治措施的效果进行仿真分析。
1）钢轨打磨的可行性分析
对钢轨波磨程度分别打磨至80%、50%和30%的振动响应进行仿真分析，并与钢轨打磨前的结果进行对比分析。
选取隧道壁、隧道正上方地面、临近建筑物地面和室内楼板的垂向振动加速度作为分析对象，分别从时域和频域方面分析钢轨打磨的整治效果，结果见表3和表4所示。隧道壁和地面振动指标为最大Z振级（VLZmax）、室内楼板振动指标为分频最大振级（VLmax）。
由时域和频域结果比较可知，钢轨波磨程度的降低能够有效降低源强振动以及地面和室内振动。说明对于有波磨地段采用钢轨打磨措施可有效改善敏感点的振动水平。
2）更换减振扣件的可行性分析
利用前述所建立的理论仿真分析模型，在钢轨打磨后即钢轨波磨打磨至初始值的50%的基础上，进一步分析了钢轨扣件刚度对环境振动的影响规律，扣件静刚度分别选择为40、20、15kN/mm进行对比分析。
选取隧道壁、隧道正上方地面、临近建筑物地面和室内楼板的垂向振动加速度作为分析对象，分别从时域和频域方面分析更换减振扣件的整治效果，结果见表5和表6所示。
由时域和频域结果比较可知，钢轨扣件刚度的降低能够显著改善隧道壁和地面的垂向振动，且基本随着扣件刚度的降低而降低。说明更换减振扣件可有效改善敏感点的振动水平。
3）整治措施的可行性分析小结
在前述章节提到的整治方案中：第3项措施主要目的是减缓曲线地段的钢轨波磨，属于辅助性措施；主要起到减振降噪作用的是第1项和第2项，因此，本节主要对第1项和第2项措施分别进行了理论仿真研究。
以往国内均认为钢轨的高频振动对于上部建筑影响不大，但是越来越多的工程实践表明钢轨波磨等造成的高频振动会传到上部建筑，对住户产生振动和二次结构噪声等不利影响。根据仿真结果对比可知，第1项钢轨打磨的措施对各项振动和噪声的控制均能起到明显的作用。
第2项更换扣件措施的实施虽然对上部建筑物振动噪声的控制不如第1项措施明显，但是也能显著改善隧道壁和地面的垂向振动，对于振动噪声的整治也是不可或缺的。总体上来说，采用钢轨打磨和更换扣件的双重整治措施能有效改善敏感点的环境振动水平，两者缺一不可。
根据现状调研、综合测试和理论仿真分析，得到了针对该处敏感点的整治建议，具体整治措施如下：
1）钢轨打磨。
2）将左线（下行）里程K10+410～K10+540范围、右线（上行）里程K10+360～K10+575范围之间的DTⅥ2扣件更换为嵌套式减振扣件，结合理论仿真分析结果，扣件静刚度按11~15kN/mm控制。
3）双线里程K10+372.5～K10+647.5范围内增设TMD，减缓曲线上钢轨波磨的发生。
1）轨行区波磨及振动检测评估
整治前（2019年3月）和整治后（2021年5月）的钢轨波磨检测结果对比如图11所示。由下图对比可知：波长50mm以下钢轨波磨的打磨效果较好。
图11 整治前后的钢轨波磨检测结果对比
整治前和整治后轨行区的轨道结构及隧道壁的振动检测对比如图12所示。
图12 整治前后的轨行区振动检测
结果对比
对于振动传递而言，振动沿钢轨-道床-隧道壁依次减小。由上图对比可知：整治前钢轨至道床振动衰减21.9dB，道床至隧道壁振动衰减7.5dB；整治后钢轨至道床振动衰减39.6dB，道床至隧道壁振动衰减4.8dB。
从整治前后的振动差异对比来看，相较于整治前，整治后道床Z振级减小12.6dB，隧道壁Z振级减小9.9dB。
综合以上检测评估结果可知，整治效果较为显著。
2）地面振动检测评估
整治措施实施之后，对敏感点处地面上6个测点（如图6所示）的竖向振动进行了整治效果的检测评估，和整治前的测试结果进行了对比分析。
整治前后各测点的最大Z振级（VLZmax）对比如图13所示。地面测点1~6的最大Z振级（VLZmax）分别为66.1dB、65.1dB、65.9dB、61.8dB、59.6dB和52.4dB。
图13 整治前后地面最大Z振级
（VLZmax）
从上图中可以看出，整治前后各测点随着距线路距离的增大，Z振级总体上呈现减小的趋势。从各个测点Z振级变化量来看，整治后与整治前相比，所有测点的Z振级均有不同程度的减小，整治措施实施后Z振级平均降低约8dB，地面测点1位于线路右线正上方，其振动变化量最大，为11.4dB，整治效果显著。
3）敏感点振动噪声检测评估
整治措施实施后，对该投诉敏感点室内外的振动和二次结构噪声进行了测试，其中：该敏感点所在建筑物某户门厅室外振动（VLZmax）最大值为66.3dB，下降了3.4dB，满足限值要求；室内振动（VLmax）为52.6dB，下降了5.7dB，满足限值要求；室内二次结构噪声最大值为26.2dB，下降了11.4dB，满足限值要求。检测结果对比如图14所示。
图14 整治前后的敏感点振动及
二次噪声对比
4）整治措施的效果检测评估小结
技术团队进行的检测评估工作 证实前文提到的整治方案可以有效控制各项振动和噪声。除本文展示的敏感点外，还对其他几个敏感点也实施了上述整治措施，不同的环境条件下产生的效果虽有所不同，但总体是有效的，由此可知理论分析和检测评估结果不是偶然的。
整治措施实施后，对该处敏感点的住户进行了入户回访，向居民了解整治前后的主观感受情况，并请住户填写了调研表，住户给出了“振动明显降低，对生活影响不大”的评价。
针对振动噪声的整治问题制定了详尽的技术路线如下：
对投诉敏感点对应区段的轨行区状态及住户进行调研，初步确定需进行振动噪声整治的敏感点；对敏感点的振动噪声和相应轨行区的振动及钢轨波磨等进行测试分析；根据测试评估及前期调研情况初步制定针对性的整治措施；建立车辆-轨道-隧道-土体-建筑物的空间耦合理论仿真分析模型，对拟采用整治技术的效果进行仿真分析；在测试及理论分析结果基础上确定了需采取的整治方案后，开展系统性的整治工作；整治完成后依据轨行区振动及波磨检测、地面振动、敏感点振动噪声、入户调研等方面的结果，评估整治措施的实施效果。
以南京地铁某线敏感点的振动噪声投诉为研究对象，从前期调研、综合测试分析、理论仿真分析、整治方案的实施、效果检测评估等多方面开展了大量工作，测试及理论分析相结合，定量评估了投诉敏感点的振动噪声情况及整治后的效果，验证了整治技术的可行性，为今后城市轨道交通振动噪声问题的科学治理提供了借鉴。
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来源：城市轨道交通绿色与安全建造技术国家工程研究中心
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