一种基于原位试验的下穿铁路车致环境振动预测方法与流程

本发明属于轨道交通，涉及一种基于原位试验的下穿铁路车致环境振动预测方法。

背景技术：

1、伴随城市规模扩张和城际联通流动，越来越多的城际高铁在中心城区设置地下车站，线路不可避免地下穿城区建筑物密集区域，高速铁路穿越中心城区，将引起严重的车致环境振动问题，由轨道不平顺激发的轮轨动荷载使车辆-轨道系统产生振动，高幅振动经由轨下基础向大地传播，对沿线居民生活、建筑设施及精密设备使用产生影响。为满足振动控制需要，在铁路建设之初若能准确预测下穿铁路引起的环境振动，对采取经济合理的控制方案具有举足轻重的作用。目前，常规的铁路环境振动预测方法包括基于链式衰减公式和经验数据库的经验预测公式法以及数值法、半解析法等。上述理论和数值方法通常基于系列简化假设，缺乏现场实测土体力学性能参数数据样本，无法准确反映铁路沿线土体力学行为所有的复杂属性和不确定性，较难准确预测下穿铁路运行引起的环境振动。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中的铁路环境振动预测方法无法准确反映铁路沿线土体力学行为所有的复杂属性和不确定性，较难准确预测下穿铁路运行引起的环境振动的上述不足，提供一种基于原位试验的下穿铁路车致环境振动预测方法。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

3、一种基于原位试验的下穿铁路车致环境振动预测方法，包括如下步骤：

4、a、在下穿铁路隧道铺轨前，在试验场地隧道内远离在建下穿铁路区段处安装无砟轨道结构的实尺试验模型，模型包含钢轨、扣件、轨枕和道床板；

5、b、在模型的钢轨上进行落轴试验，获取受到的落轴冲击力下的钢轨应变ε，通过预先标定的钢轨应变与轮轨力的函数关系，得到时域冲击力fim(t)，t为时间；

6、c、以落轴中心在地表水平面的投影为原点，在地表沿下穿铁路的线路法向设置振动预测点位rk＝1～n及参考点位r0，k为振动预测点位序号，n为预测点个数，获取各个振动预测点位和参考点位的纵向时域加速度ax,m(t)、横向时域加速度ay,m(t)和竖向时域加速度az,m(t)，m＝0～n；

7、d、根据时域冲击力fim(t)和振动预测点位的横向时域加速度ay,m(t)和竖向时域加速度az,m(t)得到对应振动预测点位的横向实测频域点源传递速度导纳ymy(ω)＝∫ax,m(ω)dω/fim(ω)和竖向实测频域点源传递速度导纳ymz(ω)＝∫az,m(ω)dω/fim(ω)，ω为圆频率；

8、e、基于拟建下穿铁路轨道及拟运行列车的参数，建立列车-轨道耦合动力学计算模型，获得一列列车通过时间范围内轨道结构底面作用力序列f(i,t)，i为扣件间距；基于现场土体和隧道的参数，建立隧道-土体耦合有限元计算模型，并施加人工边界，将得到的轨道结构反力序列f(i,t)作用于隧道-土体耦合有限元模型，进而得到参考点位r0在一列列车通过时间范围内的计算频域平均加速度

9、f、根据隧道-土体耦合有限元计算模型，以隧道内的落轴中心所在位置为基准点i0(0,0)，沿线路上行和下行在隧道仰拱表面对称设置激励点ij(0,yj)、i-j(0,y-j)，其中，yj和y-j为激励点纵坐标，yj＝j*d＝-y-j，激励点序号j＝0～l/2d，其中，l为一列列车长度，d为相邻激励点纵坐标的间距，分别逐次对基准点和各激励点施加时域冲击力fim(t)，得到参考点位r0的时域加速度are,j(t)；

10、g、根据时域冲击力fim(t)和时域加速度are,j(t)，得到参考点位r0在2j+1次冲击荷载作用下的计算频域点源传递速度导纳y(yo,ω)，进而计算得到参考点位r0的计算频域线源传递速度导纳其中，yo为激励点位纵坐标，o＝-j～j；

11、h、将计算频域平均加速度和计算频域线源传递速度导纳tm0转换为以振动加速度级计量，得到力密度

12、i、将振动预测点位的横向实测频域点源传递速度导纳ymy(ω)＝∫ax,m(ω)dω/fim(ω)和竖向实测频域点源传递速度导纳ymz(ω)＝∫az,m(ω)dω/fim(ω)分别和对应振动预测点位的横坐标xk进行曲线拟合，得到基于振动预测点位横坐标的横向实测频域点源传递速度导纳曲线ymy(x,ω)和竖向实测频域点源传递速度导纳曲线ymz(x,ω)，进而获得各振动预测点位在沿下穿铁路方向列车激励作用下的竖向频域线源传递速度导纳和横向频域线源传递速度导纳；

13、j、力密度fd换算为以单位n2/m计量，分别与步骤i获得的竖向频域线源传递速度导纳和横向频域线源传递速度导纳相乘，获得列车通过影响下的下穿铁路车致环境的竖向振动预测值和横向预测值。

14、优选的，在步骤b中，落轴位置设在道床板中部，用于获取钢轨应变的应变片设于落点相应位置的钢轨轨头表面，落轴试验的落轴高度由下式确定：式中，a为表征不平顺功率谱的系数，v为拟建列车的最高运行速度，δ为常数，g为重力加速度。

15、优选的，在步骤d中，通过将时域冲击力fim(t)和振动预测点位的时域加速度做傅里叶变化及三分之一倍频程分析得到对应振动预测点位的实测频域点源传递速度导纳。

16、优选的，在步骤e中，将得到的轨道结构反力序列f(i,t)作用于隧道-土体耦合有限元模型，通过傅里叶变换和三分之一倍频程分析，得到参考点位r0在一列列车通过时间范围内的计算频域平均加速度

17、优选的，在步骤e中，基于现场土体和隧道的参数，采用数值分析方法，建立隧道-土体耦合有限元计算模型。

18、优选的，在步骤b中，试验在夜间进行。以避免附近施工等振动干扰源。

19、优选的，相邻两个振动预测点位的间距为5-10m。

20、与现有技术相比，本发明的有益效果：通过在待建下穿铁路的隧道内设计落轴试验及轨道模型，模拟列车在隧道内运行时车轮对隧道基础的激励及轨道结构对振动的衰减作用；基于实际工程参数建立车-轨-隧-土体耦合动力学计算模型，通过计算列车通过产生的力密度，及在实测测点点源传递速度导纳，获得隧道及周围土体的力学性能参数的基础上，计算列车长度范围内线源传递速度导纳，揭示列车通过对测点振动的叠加；在尚未铺轨阶段在隧道内开展落轴试验并结合上述预测方法对地表振动量值进行预测，一方面充分考虑了现场实际工程参数的影响及列车通过对地表振动的叠加，适用于距离下穿铁路任意距离范围位置地面振动预测，另一方面为减小环境振动影响采取必要的工程设计措施提供了时间和空间的先决条件，可在后续轨道工程设计和施工方案中考虑减振措施，避免因预测不准而未予采取减振设计，或减振设计富余浪费生产资源，排除了依赖实际列车运行才能准确评估地面振动水平，甚至工程建成后被动采取减振措施的可能性。

技术特征：

1.一种基于原位试验的下穿铁路车致环境振动预测方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的下穿铁路车致环境振动预测方法，其特征在于，在步骤b中，落轴位置设在道床板中部，用于获取钢轨应变的应变片设于落点相应位置的钢轨轨头表面，落轴试验的落轴高度由下式确定：式中，a为表征不平顺功率谱的系数，v为拟建列车的最高运行速度，δ为常数，g为重力加速度。

3.如权利要求1所述的下穿铁路车致环境振动预测方法，其特征在于，在步骤d中，通过将时域冲击力fim(t)和振动预测点位的时域加速度做傅里叶变化及三分之一倍频程分析得到对应振动预测点位的实测频域点源传递速度导纳。

4.如权利要求1所述的下穿铁路车致环境振动预测方法，其特征在于，在步骤e中，将得到的轨道结构反力序列f(i,t)作用于隧道-土体耦合有限元模型，通过傅里叶变换和三分之一倍频程分析，得到参考点位r0在一列列车通过时间范围内的计算频域平均加速度

5.如权利要求1-4任一所述的下穿铁路车致环境振动预测方法，其特征在于，在步骤e中，基于现场土体和隧道的参数，采用数值分析方法，建立隧道-土体耦合有限元计算模型。

6.如权利要求1-4任一所述的下穿铁路车致环境振动预测方法，其特征在于，在步骤b中，试验在夜间进行。

7.如权利要求1-4任一所述的下穿铁路车致环境振动预测方法，其特征在于，相邻两个振动预测点位的间距为5-10m。

技术总结
本发明提供的一种基于原位试验的下穿铁路车致环境振动预测方法，通过在待建下穿铁路的隧道内设计落轴试验及轨道模型，模拟列车在隧道内运行时车轮对隧道基础的激励及轨道结构对振动的衰减作用；一方面充分考虑了现场实际工程参数的影响及列车通过对地表振动的叠加，适用于距离下穿铁路任意距离范围位置地面振动预测，另一方面为减小环境振动影响采取必要的工程设计措施提供了时间和空间的先决条件，可在后续轨道工程设计和施工方案中考虑减振措施，避免因预测不准而未予采取减振设计，或减振设计富余浪费生产资源，排除了依赖实际列车运行才能准确评估地面振动水平，甚至工程建成后被动采取减振措施的可能性。

技术研发人员：代丰,杨吉忠,金旭炜,高柏松,杨捷,夏鑫,吴再新,周俊,杨如刚,蒋尧,刘舫泊,陈志贤,冯读贝,陈以庭
受保护的技术使用者：中铁二院工程集团有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15