地铁三种典型轨道结构振动响应对比分析研究

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现代城市轨道交通 4 / 2018 MODERN URBAN TRANSIT

工程实践

地铁三种典型轨道结构振动响应

对比分析研究

张 晓1，廖志军2，余海娜2

（1. 绍兴市轨道交通集团有限公司，浙江绍兴 312035；2. 杭州市地铁集团有限责任公司，

浙江杭州 310017）

作者简介：张晓（1982—），男，工程师

摘 要：通过轮轨耦合以及A NSYS 有限元仿真，研究分析了地铁3种典型轨道结构振动响应、频率、距隧道中心距离之间的关系。研究表明，速度响应方面，距隧道中心水平方向 0～20 m 范围浮置板减振效果最优，20～80 m 范围弹性支承块最优，80～170 m 范围弹性支承块和弹性扣件轨道较优；加速度响应方面，距隧道中心水平方向0～100 m 范围浮置板减振效果最优，100～170 m 范围弹性支承块和弹性扣件轨道较优；振动频率方面，0～1 Hz 范围弹性扣件轨道减振效果略优，20～40 Hz 范围弹性支承块略优，1～20 Hz 和 40～500 Hz 范围浮置板减振效果最优。关键词：地铁；轨道结构；振动分析中图分类号：U211.3

目前国内地铁建设快速发展，而地铁振动对周边环境的影响为人们所广泛关注，不同行业振动保护对象的振动控制指标不尽相同，包括速度响应控制与加速度响应控制。同时也有研究表明，振动会危害人体健康。研究指出，人对不同频率的振动有不同的反应，例如，手对 30～40 Hz 的振动最为敏感，手部操作受影响最严重；眼睛对 18～50 Hz 的振动最为敏感，视觉干扰最大；头部对 2～30 Hz 和 500～1 000 Hz 的振动最为敏感；神经系统对 250 Hz 的振动最为敏感；上下颌对 6～8 Hz 的振动最为敏感，会出现语言障碍。另有研究表明，对于 20 Hz 以下的振动，加速度振幅达到 0.01 g 时开始引起人的注意；0.05 g 以上会使人感到舒适；超

过 0.3 g 后，就会造成人体器官平衡失调，会引发头晕、头沉、贪睡、疲倦、注意力衰退等。振动给人带来的后果，严重的还会造成器官失调，神经系统、心脏血管系统和运动系统的障碍等。综上，假设不对地铁产生的振动进行减振处理，势必对上述的敏感建构筑物及人群产生影响，因此，轨道交通减振降噪势在必行。

1 土体-隧道有限元建模

地铁轨道结构形式一般包括有砟轨道和无砟轨道 2种。目前，对减振降噪型轨道结构的研究主要集中在弹性扣件、先锋扣件、弹性支承块、梯子型轨道、浮置板等无碴轨道上。本文将选择弹性扣件、弹性支承块、浮置板等 3 种典型的轨道结构进行分析。

首先基于 ANSYS 有限元仿真建立一个土体-隧道模型（图 1），土体和隧道均采用上海地铁工程地质参数，然后通过轮轨耦合模拟地铁振动，分析其响应。模型中设置 19 个计算点，分别位于离隧道中心 2. 27 m 处隧道壁，地面距隧道中心水平距离 0 m 、10 m 、20 m 、30 m 、40 m 、50 m 、70 m 、90 m 、110 m 、130 m 、150 m 、170 m 位置，如图 2 所示。

2 轨道结构振动响应分析

通过有限元模拟分析，得出了弹性扣件、弹性支承块、浮置板 3 种轨道类型工况之下的振动传播规律，主要包括速度响应、加速度响应与计算点距隧道中心距离之间的关系，以及不同计算点处 1/3 倍频程加速度振级。