摘要 通過(guò)實(shí)測(cè)既有鐵路線快速列車運(yùn)行的地面振動(dòng)，分析了影響地面振動(dòng)的主要因素，采用由列車速度、載重量和傳播距離組成的比例距離來(lái)預(yù)測(cè)高速列車運(yùn)行的地面振動(dòng)，在廣深線上列車速度160和200的地面振動(dòng)實(shí)測(cè)值和預(yù)測(cè)值十分接近。

 

 

Zhou Jiahan

(Institute of Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100080)

Abstract   The effection factions of ground vibration caused by the train on the railway are analysed after measuring the ground vibration velocity. Scale distance consisted of the speed and loads of train and distance to concerned point can be used to predict the vibration intensity. The measuring value are indentical with the predict value when the train speed at 160km/h or 200km/h on GuanShen line.

Keywords   Highspeed train Vibration

 

高速鐵路以其速度快、運(yùn)能大、安全、舒適等特點(diǎn)已逐漸被人們接受。京滬高速鐵路將是我國(guó)建設(shè)的第一條高速鐵路，全長(zhǎng)1300公里，實(shí)施全封閉、全立交式的客運(yùn)專線。鐵路設(shè)計(jì)時(shí)速為300公里，基礎(chǔ)設(shè)施可滿足350公里的時(shí)速要求。修建京滬高速鐵路將是我國(guó)在新世紀(jì)前10年投資額度較大的項(xiàng)目之一。在要修建高速鐵路的京滬鐵路沿線人口密度高，建筑物密集。高速鐵路選線需要進(jìn)行環(huán)境綜合評(píng)價(jià)，選線方案的確定及隨之而來(lái)的動(dòng)遷任務(wù)是一個(gè)十分復(fù)雜的社會(huì)問(wèn)題和耗資巨大的經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。為了能在既有鐵路蘇州站處建設(shè)高速鐵路蘇州站，京滬高速鐵路通過(guò)虎丘塔處線路在滿足高速列車運(yùn)行速度要求的條件下將要往北移動(dòng)200余米，高速鐵路將比現(xiàn)在的鐵路更靠近虎丘塔一些�；⑶鹚�是國(guó)家重點(diǎn)文物保護(hù)單位，是蘇州的標(biāo)志性建筑物。為了確�；⑶鹚�在高速鐵路建成后不受影響，需要論證高速鐵路列車運(yùn)營(yíng)振動(dòng)傳播規(guī)律，并對(duì)虎丘塔的穩(wěn)定性影響進(jìn)行評(píng)估。

盡管世界上有不少國(guó)家修建了高速鐵路，但有關(guān)高速鐵路列車運(yùn)行造成的兩側(cè)地面振動(dòng)的資料很少。本報(bào)告在對(duì)既有線列車運(yùn)行地面振動(dòng)測(cè)試的基礎(chǔ)上，提出的采用既有線的列車運(yùn)行振動(dòng)傳播的規(guī)律和“比例距離”預(yù)測(cè)未來(lái)高速鐵路列車運(yùn)行振動(dòng)的方法在廣深線得到了的驗(yàn)證。

對(duì)京滬線蘇州段和廣深線石龍段（含高架橋〕列車運(yùn)行產(chǎn)生的地面振動(dòng)進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)點(diǎn)距離鐵路最遠(yuǎn)點(diǎn)400m, 記錄了24小時(shí)區(qū)段的上下行列車，客車、貨車。在滬寧線，客車最大速度為119.5km/h。廣深線客車最大速度為199.7km/h。

把在不同測(cè)點(diǎn)測(cè)得的不同車速、不同車型的列車通過(guò)時(shí)的振動(dòng)速度峰值繪在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖中，看到距離鐵路近的地方，地面振動(dòng)速度大，隨至鐵路距離的增加，振動(dòng)速度減小。貨車通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的地面振動(dòng)大于客車，即使客車運(yùn)行速度比貨車要快。

路堤肩的測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)波形反應(yīng)了列車通過(guò)時(shí)的最大振動(dòng)作用，振動(dòng)時(shí)間較短。在一定距離以外的振動(dòng)是隨著距離R增加，振動(dòng)速度應(yīng)近于平面波的衰減，即有v～1/R。當(dāng)離鐵路一定距離以外的地方，地面振動(dòng)較小。在京滬線蘇州段既有線測(cè)試時(shí)，6號(hào)測(cè)點(diǎn)距離鐵路358m，當(dāng)不同速度的列車通過(guò)時(shí)其振動(dòng)速度最大值無(wú)多大變化。可見(jiàn)存在著在一定距離以外的地方，不同列車速度的變化、列車載荷的變化地面振動(dòng)強(qiáng)度無(wú)明顯影響。

2.1 鐵路震動(dòng)傳播的力學(xué)分析

列車運(yùn)行時(shí)，部分能量將轉(zhuǎn)變成地面的振動(dòng)。列車運(yùn)行振動(dòng)是一個(gè)移動(dòng)性線狀振源，鐵路振動(dòng)是一類在觀測(cè)時(shí)間內(nèi)振幅變化不大的環(huán)境振動(dòng)，一種穩(wěn)態(tài)振動(dòng)。這里，我們關(guān)心的是考察地段的地面振動(dòng)強(qiáng)度峰值，分析影響地面振動(dòng)大小的因素，可以用下式表示：

v = f（P,V,N,ρ,E,R,L,α,β）

其中: v-地面振動(dòng)速度 mm/s，P-列車軸動(dòng)載荷 t/m，V-列車速度 km/h，N-列車車輛數(shù)， ρ-地層介質(zhì)密度g/cm³ ,E-介質(zhì)的彈性模量Mpa,R-至觀察點(diǎn)的距離m，L-車廂長(zhǎng)（或輪距），α-地形、地質(zhì)構(gòu)造因素系數(shù)，β-軌道磨擦、路基或橋體的吸收系數(shù)。N，α,β為無(wú)量綱參數(shù)。采用無(wú)量綱參數(shù)進(jìn)行量綱分析上式可寫成

采用無(wú)量綱參數(shù)組合，我們可得到下式：

影響地面振動(dòng)強(qiáng)度的主要因素是：列車軸動(dòng)載荷P，距離R，列車速度V。隨著列車載重量的增加，地面振動(dòng)強(qiáng)度增大，重載貨車作用下的路基地面的振動(dòng)強(qiáng)度大；地面振動(dòng)速度大小與列車速度有關(guān)，列車速度高，對(duì)地面振動(dòng)影響也大；隨著距離的增加，振動(dòng)強(qiáng)度減弱，距離越遠(yuǎn)振動(dòng)速度越小，隨著至鐵路的距離的平方關(guān)系而減少�？梢�(jiàn)距離的遠(yuǎn)近比列車速度或載重量的大小不同對(duì)造成地面振動(dòng)的影響大。

 

通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)整理分析，可將v＝f(PV/cER²)改寫成

v ＝ K（R/(PV)^1/2）^α                                           ( 3)

R/(PV)^1/2稱作比例距離R_j，上式可簡(jiǎn)化成v＝K( R_j)^α。

若以比例距離描述振動(dòng)速度的衰減時(shí)，在v －R_j圖中，對(duì)于普通快速列車（110km/h）的比例距離R_j是原距離坐標(biāo)R。高速列車的比例距離R_j要比普通快速列車（110km/h）的坐標(biāo)R向右移動(dòng)((PV)_j/(PV)₁)^1/2。

京滬高速鐵路將在不少路段采用高架橋設(shè)計(jì)方案。高架橋本身是一減振系統(tǒng)。列車運(yùn)行振動(dòng)能量激起軌道、橋梁和橋墩的振動(dòng)，梁和墩的振動(dòng)吸收了能量，列車運(yùn)行振動(dòng)傳到地面時(shí)，振動(dòng)強(qiáng)度明顯減小。分析實(shí)測(cè)列車經(jīng)過(guò)路堤和高架橋時(shí)的地面振動(dòng)的變化，在高架橋外相應(yīng)距離處地面振動(dòng)速度峰值僅為路堤條件時(shí)的1/2。

 

既有線快速列車運(yùn)行平均速度為110km/h，根據(jù)對(duì)既有線實(shí)測(cè)的地面振動(dòng)衰減規(guī)律，采用由高速列車速度、列車重量和距離組成的比例距離R_j，考慮高架橋和路堤的衰減比，我們可以推算京滬高速列車運(yùn)行時(shí)的地面振動(dòng)速度衰減規(guī)律。

圖1是以廣深線上快速列車速度110km/h 的地面振動(dòng)衰減規(guī)律為基礎(chǔ)，采用比例距離預(yù)測(cè)列車速度160km/h的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值的比較，其實(shí)測(cè)地面振動(dòng)速度值和計(jì)算值十分接近。圖2是推測(cè)列車速度為200km/h時(shí)的路堤或高架橋地面振動(dòng)的計(jì)算值和與實(shí)測(cè)值的比較。