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高速铁路振动现场测试与分析
D.P.Connollya，G.Kouroussisb，P.K.Woodwarda，P.Alves Costac，O.Verlindenb，
M.C.Forded
a.英国爱丁堡赫瓦特大学基础设施与环境研究所
b.蒙斯大学工程学院，理论力学、动力学和振动系, B-7000蒙斯
c.葡萄牙波尔图大学工程学院
d.爱丁堡大学，基础设施与环境学院，工程学院，AGB建筑，国王建筑，爱丁堡，英国
摘要：本文概述了高速铁路在各种土石方剖面（路基、路堤、挖方区和立交桥)上产生的地面水平振动的实验分析。它还提供对实验测量数据集的访问，供从事铁路振动领域工作的其他研究人员免费下载（例如：用于进一步研究和振动预测模型的验证）。
首先，文章概述了在比利时高速铁路网上进行的实验研究，用以研究三种不同路堤条件下的振动传播特性。这些地点包括5.5米高的路堤、一级路段和7.2米深的路堤挖方区。我们采用“多通道面波分析”技术确定了各场地的土壤材料性质,并利用折射分析进行了验证。结果表明，所有的场地都具有相对相似的材料性能，从而能够进行广义的比较。
根据三种不同的火车类型（欧洲之星，TGV和Thalys），在三个方向上测量了距轨道最多100m的振动水平，然后进行统计分析。研究发现，与普遍接受的理论相反，垂直振动并不总是最主要的，水平振动也应该被考虑，特别是在较大偏移处。还发现路堤土石方剖面产生的水平振动最低，挖方产生的水平振动最高。此外，发现列车速度与振动水平之间呈低（正）相关。选择结果可以从www.davidpconnolly.com下载。
关键词：高速铁路；振动预测；地面振动；下载数据；路堤；路堑；环境影响评估；地面噪声；实验测试；MASW公司；原位测试
1引言
高速铁路的迅速普及，部分原因是由于其自身与其他交通运输方式相比较具有优越的经济、社会和环境效益[6]。目前对空气动力学、建筑材料和电机技术的研究使得轻型列车能够达到越来越快的速度。日本保持着581km/h的高速铁路最快速度的世界纪录，这接近典型的商用飞机飞行时的速度。
高速铁路的一个负面环境副作用是产生[7]的地面水平振动升高。这些振动是在轮轨界面产生的，产生于列车重量（准静态激励），来自支撑刚度的变化（例如:有规律的间隔枕木）和轮轨几何形状（动态激励）[50,12]的不规则性。此外，如果列车速度与支撑土壤[17,21,24,37,43]中的自然瑞利波速度相当，或者如果激励频率接近轨道固有频率[23]，则振动振幅水平可能会升高。
这些振动会造成严重的负面影响，如对居住在靠近线路的居民造成影响。因此，在线路[11,13]施工前预测振动水平是很重要的。本文提出了大量的预测模型，用于研究[3,15,26,36,37,40,47,51]级轨道段和地下线路[1,27,29,30,42,45,52]的水平振动。尽管如此，在不同的挖方区下与铁路振动有关的研究仍然很少。
实验研究相对于数值研究的一个优点是减少了需要建模的数量。例如，[20]提出了一个分析模型，用于研究路堤引起的振动；结果表明路堤是高频振动的来源。尽管如此，路堤被假定具有垂直振动，列车激励与简化的轨道模型不耦合。另一种方法是由[8]提出的，他使用三维有限元模型方法来分析不同刚度的路堤内的振动。结果表明，与软路堤相比，刚性路堤具有更好的振动性能。有限元方法的一个缺点是必须对土壤性质的分布进行假设，而且高频含量很难模拟。
为了克服数值分析[18,25,31,32]相关的一些局限性，本文对高速铁路进行了实验分析，分析了铁路振动的特点。尽管如此，目前还是很少有人对路堤的振动进行过研究。少数几项研究之一使用加速度计记录铁路、轨枕和由压实砾石[39]制成的路堤上的地面运动。研究发现，路堤内的主导频率在40-70Hz之间，随着路堤肩的距离减小，频谱频率降低。遗憾的是，结果没有与非建模数据进行比较。
据作者所知，目前还没有发表与铁路岩屑振动实验分析有关的文献。因此，本文试图通过现场实验[10,33]比较岩屑、路堤和地面轨道段产生的水平振动。首先，在三个比利时试验场进行实验调查；记录在三个试验场的水平振动和距离轨道100米的处的垂直振动。所有场地都由通过多通道面波分析（MASW）测试确定的类似土壤特性组成，从而允许对振动特性进行一般比较。除了土方剖面条件外，还考察了列车类型、水平振动和桥台存在的影响。本文的一个关键目的是提供一系列振动记录，研究人员可以用于进一步的研究和数值预测模型的验证。
2试验场详情
2.1站点
2.1.1站点1-路基
站点1由一级铁路路段组成（图1和图2），位于Leuze-en-Hainaut镇以南4公里。该轨道是一种典型的压载轨道，由压载层、次压载层和路基层组成，厚度分别为0.3、0.2和0.5m。钢轨连续焊接UIC60钢轨，质量为60Kg/m3，并通过Pandrol夹固定在预应力混凝土轨枕（300公斤/块）上（图3）。钢轨也由厚度为0.01米的钢轨垫支撑。由于在测试前8天进行了磨削，假定钢轨（所有测试地点）的不规则性很低。还假定轨道的几何标高，在所有测试地点都是相同的。
图1.坡道部分
图2.地面轨道部分检波器位置
图3.压载轨道布置（所有站点）
图4.现场部署的三个部件检波器
本实验部署了两个不同的测试装置，第一个记录离最近轨道9-35米的三个水平振动部件（表1），第二个记录距离轨道9-100米之间的垂直振动（表2）。第一个装置由8个低频、3个组件、SM-6检波器组成，灵敏度为28.8V/m/s(图4)。第二个装置采用24个低频、1个组件（垂直）、SM-6检波器，灵敏度为28.8V/m/s。
表1.三组件地震检波器距离
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铁路距离（m） |
3组件测量 |
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测得成分a |
9 |
11 |
15 |
19 |
23 |
27 |
31 |
35 |
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H1 |
H1 |
H1 |
H1 |
H1 |
H1 |
H1 |
H1 |
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H2 |
H2 |
H2 |
H2 |
H2 |
H2 |
H2 |
H2 |
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V1 |
V1 |
V1 |
V1 |
V1 |
V1 |
V1 |
V1 |
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H1frac14; 水平分量，H2frac14; 水平分量，V1frac14; 垂直分量
表2.单组分检波器距离
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1组件测量 |
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铁路距离（m） |
9 |
11 |
13 |
15 |
21 |
25 |
29 |
33 |
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测量的成分 |
V1 |
V1 |
V1 |
V1 |
V1 |
V1 |
V1 |
V1 |
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铁路距离（m） |
53 |
57 |
61 |
69 |
89 |
93 |
97 |
100 |
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测量的成分 |
V1 |
V1 |
V1 |
V1 |
V1 |
V1 |
V1 |
V1 |
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V1frac14; 垂直分量
2.1.2站点2-路堤
站点2也位于巴黎-布鲁塞尔线东北部的布雷夫镇。轨道结构包括一个5.5米高，有30度坡度的路堤（图5和图6）。实验方法和地震检波器的布置与站点1一致。
图6.路堤轨道部分地震检波器布置
图5.路堤式轨道
2.1.3站点3-路堤挖方区
站点3也位于巴黎-布鲁塞尔线东北部的布雷夫镇（图7和图8）。轨道布置包括路堤挖方区，高度7.2米，坡度25度。轨道组件与测试站点1相同。
图7.路堤挖方区轨道
图8.路堤挖方区检波器布置
2.1.4站点4-桥台
站点4位于站点2以东约100米处，因此轨道组件与测试站点2相同。路堤也与站点2相同，除了有一个混凝土下穿过路堤并在轨道下方。该通道用作汽车通行的小路，如（图9）所示。在该站点，布置了混合地震检波器，结合了前述两种设置的各个方面。
图9.桥台
2.2列车特性
在实验期间，所有站点都记录了四种列车组配置：TGV，欧洲之星，Thalys和double-Thalys。下面是对每个列车的简要描述，其中大部分列车的属性来自参考文献[35]。来自Thalys列车通过的采样时间历程如（图14）所示。
2.2.1TGV Reseau (TGV)
TGV列车由阿尔斯通制造，并于1993年开始商业运营。TGV-R是TGV 大西洋古董的继承者。在测试期间，每个列车组包括两端的两辆动力车（Y230A），中间的六辆乘客车（Y237A）和连接动力车和乘用车的两辆侧车（Y237B）。乘用车之间共用转向架，而动力车各有两个独立的转向架（图10）。表3显示了TGV列车组的属性。
图10.TGV尺寸
表3.TGV属性
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