张 晓，廖志军，余海娜

（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）

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 0.01g时开始引起人的注意；0.05g以上会使人感到舒适；超过 0.3g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。

图 1 土体-隧道模型

图 2 计算点布置（单位：m）

图 3 3 种轨道结构速度峰值

图 4 3 种轨道结构加速度峰值

2.1 速度响应分析

根据计算结果，60～170 m 速度响应峰值已相对较小，与 0～50 m 计算点速度响应峰值相差甚远，若放于一图内横向比较，将无法辨识 60～170 m 计算点速度响应峰值变化情况。因此，按不同数量级与不同距离，将速度响应峰值情况分 3 个图展示，以便观察规律，见图 3。

由图3可知，计算点距隧道中心水平方向 0～20 m 范围内，浮置板减振效果优于弹性支承块，弹性支承块减振效果优于弹性扣件；计算点距隧道中心水平方向 20～80 m 范围内，弹性支承块减振效果优于浮置板和弹性扣件，弹性扣件减振效果优于浮置板；计算点距隧道中心水平方向 80～170 m 范围内，弹性支承块和弹性扣件减振性能相似，都优于浮置板。

2.2 加速度响应分析

（1）按不同数量级与不同距离，将加速度响应峰值情况分 3 个图展示，见图 4。由图 4 可知，计算点距隧道中心水平方向 0～100 m 范围内，浮置板减振效果优于弹性支承块，弹性支承块减振效果优于弹性扣件；计算点距隧道中心水平方向100～170 m 范围内，弹性支承块和弹性扣件减振效果相似，都优于浮置板。

（2）图 5 给出了 3 种轨道结构工况下隧道壁计算点加速度响应对比图。由图 5 可知，隧道壁处，弹性扣件轨道与弹性支承块轨道工况下，0～10 Hz 范围振级从约105 dB 开始，随着频率增大总体呈递减趋势，减至约 75 dB；10～40 Hz 范围振级从约 75 dB 开始，随着频率增大总体呈递增趋势，增至约 95 dB；40～500 Hz 振级维持在 100 dB 附近。浮置板轨道工况下，0～10 Hz 范围振级从约 105 dB 开始，随着频率增大总体呈递减趋势，减至约 60 dB；10～40 Hz 范围振级从约 60 dB 开始，随着频率增大总体呈递增趋势，增至约 85 dB；40～150 Hz 范围振级从约 85 dB 开始，随着频率增大总体呈递减趋势，减至约 65 dB；150 Hz 以上振级维持在 65 dB 附近。总体而言，隧道壁处，0～40 Hz 3 种轨道结构的减振效果接近，浮置板对 40～500 Hz 振动减振效果相对较优。

（3）图 6 给出了 3 种轨道结构工况下地面 0 m 计算点加速度响应对比图。由图 6 可知，地面 0 m 计算点处，弹性扣件轨道与弹性支承块轨道工况下，0～10 Hz 范围振级从约 105 dB 开始，随着频率增大总体呈递减趋势，减至约 70 dB；10～40 Hz 范围振级从约70 dB 开始，随着频率增大总体呈递增趋势，增至约90 dB；40～500 Hz 振级从约 90 dB 开始，随着频率增大总体呈递减趋势，减至约 40 dB。浮置板轨道工况下，0～10 Hz 范围振级从约 105 dB 开始，随着频率增大总体呈递减趋势，减至约 60 dB；10～40 Hz 范围振级从约 60 dB 开始，随着频率增大总体呈递增趋势，增至约 80 dB；40～500 Hz 范围振级从约 80 dB 开始，随着频率增大总体呈递减趋势，减至约 0 dB。总体而言，地面 0 m 计算点处，0～40 Hz 3 种轨道结构的减振效果接近，40～500 Hz 频域内浮置板减振较优。

（4）图 7 给出了 3 种轨道结构工况下地面 10 m 计算点加速度响应对比图。由图 7 可知，地面10 m计算点处，弹性扣件轨道与弹性支承块轨道工况下，0～10 Hz 范围振级从约 105 dB 开始，随着频率增大总体呈递减趋势，减至约 65 dB；10～40 Hz 范围振级从约 65 dB 开始，随着频率增大总体呈递增趋势，增至约 80 dB；40～500 Hz 振级从约 80 dB 开始，随着频率增大总体呈递减趋势，减至约 20 dB。浮置板轨道工况下，0～10 Hz 范围振级从约 105 dB 开始，随着频率增大总体呈递减趋势，减至约 55 dB；10～40 Hz 范围振级从约 55 dB 开始，随着频率增大总体呈递增趋势，增至约 75 dB；40～500 Hz 范围振级从约 75 dB 开始，随着频率增大总体呈递减趋势，减至 0 dB。总体而言，地面 10 m 计算点处，0～40 Hz 3 种轨道结构的减振效果接近，40～500 Hz 范围浮置板轨道减振效果较优。

图 5 3 种轨道结构隧道壁计算点加速度振级

图 6 3 种轨道结构地面 0 m 计算点加速度振级

图 7 3 种轨道结构地面 10 m 计算点加速度振级

（5）图 8 给出了 3 种轨道结构工况下地面 20 m 计算点加速度响应对比图。与图 7 相比，图 8 加速度振级普遍明显降低，且 40 Hz 以上振动继续加速衰减。弹性扣件轨道与弹性支承块轨道工况下，0～10 Hz 范围振级从约 100 dB 开始，随着频率增大总体呈递减趋势，减至约 50 dB；10～40 Hz 范围振级从约 50 dB 开始，随着频率增大总体呈递增趋势，增至约 60 dB；40～500 Hz 振级从约 60 dB 开始，随着频率增大总体呈递减趋势，减至 0 dB。浮置板轨道工况下，0～10 Hz 范围振级从约 100 dB 开始，随着频率增大总体呈递减趋势，减至约 40 dB；10～40 Hz 范围振级从约 40 dB 开始，随着频率增大总体呈递增趋势，增至约 55 dB；40～500 Hz 范围振级从约 55 dB 开始，随着频率增大总体呈递减趋势，减至 0 dB。总体而言，地面 20 m 计算点处，0～40 Hz 3 种轨道结构的减振效果接近，40～500 Hz 范围浮置板轨道减振效果较优。

（6）图 9 给出了 3 种轨道结构工况下地面30 m 计算点加速度响应对比图。与图 8 相比，图 9 加速度振级普遍进一步降低，400 Hz 以上已衰减近 0，其中浮置板轨道已将 200 Hz 以上振动减弱近 0。弹性扣件轨道与弹性支承块轨道工况下，0～10 Hz 范围振级从约 95 dB 开始，随着频率增大总体呈递减趋势，减至约 40 dB；10～40 Hz 范围振级从约 40 dB 开始，随着频率增大总体呈递增趋势，增至约 50 dB；40～500 Hz 振级从约 50 dB 开始，随着频率增大总体呈递减趋势，减至 0 dB。浮置板轨道工况下，0～10 Hz 范围振级从约 95 dB 开始，随着频率增大总体呈递减趋势，减至约 30 dB；10～40 Hz 范围振级从约 30 dB 开始，随着频率增大总体呈递增趋势，增至约 45 dB；40～500 Hz 范围振级从约 45 dB 开始，随着频率增大总体呈递减趋势，减至 0 dB。总体而言，地面 30 m 计算点处，0～40 Hz 3 种轨道结构的减振效果接近，40～500 Hz 范围浮置板轨道减振效果较优。

图 8 3 种轨道结构地面 20 m 计算点加速度振级

图 9 3 种轨道结构地面 30 m 计算点加速度振级

图 10 3 种轨道结构地面 50 m 计算点加速度振级

（7）图 10 给出了 3 种轨道结构工况下地面 50 m 计算点加速度响应对比图。由图 10 可知，地面 50 m 计算点处，200 Hz 以上振动已衰减近 0，其中浮置板轨道已将 120 Hz 以上振动减弱为 0。弹性扣件轨道与弹性支承块轨道工况下，0～10 Hz 范围振级从约 80 dB开始，随着频率增大总体呈递减趋势，减至约 30 dB；10～40 Hz 范围振级从约 30 dB 开始，随着频率增大总体呈递增趋势，增至约 37 dB；40～500 Hz 振级从约 37 dB 开始，随着频率增大总体呈递减趋势，减至 0 dB。浮置板轨道工况下，0～10 Hz 范围振级从约 80 dB 开始，随着频率增大总体呈递减趋势，减至约 20 dB；10～40 Hz 范围振级从约 20 dB 开始，随着频率增大总体呈递增趋势，增至约 35 dB；40～500 Hz 范围振级从约 35 dB 开始，随着频率增大总体呈递减趋势，减至 0 dB。总体而言，地面 50 m 计算点处，0～40 Hz 3 种轨道结构的减振效果接近，40～500 Hz 范围浮置板轨道减振效果较优。

（8）图 11 给出了 3 种轨道结构工况下地面 70 m 计算点加速度响应对比图。由图 11 可知，地面 70 m 计算点处，100 Hz 以上振动已衰减近 0，其中浮置板轨道已将 60 Hz 以上振动减弱为 0。弹性扣件轨道与弹性支承块轨道工况下，0～10 Hz 范围振级从约 75 dB开始，随着频率增大总体呈递减趋势，减至约 10 dB；10～40 Hz 范围振级从约 10 dB 开始，随着频率增大总体呈递增趋势，增至约 17 dB；40～500 Hz 振级从约 17 dB 开始，随着频率增大总体呈递减趋势，减至 0 dB。浮置板轨道工况下，0～10 Hz 范围振级从约 75 dB 开始，随着频率增大总体呈递减趋势，减至约 7 dB；10～40 Hz 范围振级从约 7 dB 开始，随着频率增大总体呈递增趋势，增至约 15 dB；40～500 Hz 范围振级从约 15 dB 开始，随着频率增大总体呈递减趋势，减至 0 dB。总体而言，地面 70 m计算点处，0～40 Hz 3 种轨道结构的减振效果接近，40～500 Hz 范围浮置板轨道减振效果较优。

图 11 3 种轨道结构地面 70 m 计算点加速度振级

图 12 3 种轨道结构地面 90 m 计算点加速度振级

图 13 3 种轨道结构地面 110～170 m 计算点加速度振级

（9）图 12 给出了 3 种轨道结构工况下地面 90 m计算点加速度响应对比图。由图 12 可知，地面 90 m 计算点处，50 Hz 以上振动已衰减近 0。弹性扣件轨道与弹性支承块轨道工况下，0～10 Hz 范围振级从约 72 dB 开始，随着频率增大总体呈递减趋势，减至约 5 dB；10～40 Hz 范围振级维持在 0～5 dB 范围；40～500 Hz 振级从约 5 dB 开始，随着频率增大总体呈递减趋势，减至约 0 dB。浮置板轨道工况下，0～10 Hz 范围振级从约 72 dB 开始，随着频率增大总体呈递减趋势，减至约 2 dB；10～25 Hz 范围振级从约 2 dB 开始，随着频率增大总体呈递增趋势，增至约 5 dB；25～500 Hz 范围振级从约 5 dB 开始，随着频率增大总体呈递减趋势，减至0 dB。总体而言，地面 90 m 计算点处，各频域内 3 种轨道减振效果相近。

（10）图 13 给出了 3 种轨道结构工况下地面 110～170 m 计算点加速度响应对比图。由图 13 可知，110～170 m 计算点内振动以 10 Hz 以内振动为主，从 110 m 计算点开始， 10 Hz 以上振动衰减为 0。

通过图 5～图13 中的数据对比可见，0～1 Hz 以内的振级，浮置板轨道工况要大于弹性支承块和弹性扣件轨道工况，1 Hz 附近的振级最大；20～40 Hz 内的振级，浮置板轨道工况略大于弹性扣件轨道工况，弹性扣件轨道工况略大于弹性支承块轨道工况；1～20 Hz 和 40～500 Hz 频段，浮置板轨道工况减振效果优于弹性支承块轨道工况，弹性支承块轨道工况减振效果优于弹性扣件轨道工况。

3 结论

本文通过 ANSYS 有限元仿真模型以及轮轨耦合模拟地铁振动，分析了弹性扣件、弹性支承块、浮置板 3种典型轨道下的加速度响应、速度响应、计算点距隧道中心水平方向距离、振动频率之间的关系，得出结论如下。

（1）速度响应方面。计算点距隧道中心水平方向 0～20 m 范围内，浮置板轨道减振效果优于弹性支承块，弹性支承块轨道减振效果优于弹性扣件轨道；地面计算点距隧道中心水平方向 20～80 m 范围内，弹性支承块轨道减振效果优于浮置板和弹性扣件轨道，弹性扣件轨道减振效果优于浮置板轨道；地面计算点距隧道中心水平方向 80～170 m 范围内，弹性支承块和弹性扣件轨道减振效果相似，都优于浮置板轨道。

（2）加速度响应方面。计算点距隧道中心水平方向 0～100 m 范围内，浮置板轨道减振效果优于弹性支承块轨道，弹性支承块轨道减振效果优于弹性扣件轨道；计算点距隧道中心水平方向 100～170 m 范围内，弹性支承块和弹性扣件轨道减振效果相似，都优于浮置板轨道。

（3）振动频率方面。0～1 Hz 以内浮置板轨道的振动响应略大于弹性支承块和弹性扣件轨道。20～40 Hz，浮置板轨道振动响应略大于弹性扣件轨道和弹性支承块轨道；弹性支承块和弹性扣件轨道减振效果相似，都优于浮置板轨道，优先选择弹性支承块轨道。1～20 Hz 和40～500 Hz，浮置板轨道减振效果优于弹性支承块轨道，弹性支承块轨道减振效果优于弹性扣件轨道。

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