重载铁路列车运行引起的环境振动＊
贺玉龙1
李怀龙2
张光明
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(1.西南交通大学地球科学与环境工程学院 成都610031; 2.西南交通大学土木工程学院 成都610031)
摘 要 重载铁路运输是铁路货运发展的方向。由于重载铁路列车轴重大、运输频次密、列车长度大,振动已成为重载铁路运营期的主要环境污染形式之一。与高速铁路引起的环境振动相比,重载列车运行引起的环境振动强度更高,峰值频率更低,峰值持续时间更长。开展轴重、运行速度、地质条件对环境振动影响的研究,构建合理准确的预测方法,对重载铁路环境振动的预测和防治具有重要意义。 关键词 重载铁路 环境振动 轴重
Environment Vibration From Passing Trains of Heavy -haul Railway
HE Yulong 1 LI Huailong 2 ZH ANG Guan gming 1
(1.Faculty of Geosciences and En vironmental Engineering ,Southwest J iaotong University Chengdu 610031)Abstract The heavy -haul railway is the mainly developing trend for rail freight transportation .As its heavy axle ,high transportation frequency and large train length ,ground vibration induced by heavy -haul railway has been one of the main forms of the environmental pollutions .Compared with high -speed rail way ,environ mental vibration generated by heavy -haul rail way is characterized as the higher vibration levels ,the lower dominant frequency and the longer duration time .It is important to study the effects of axle loads ,speed ,and geologic conditions on the environ mental vibration and to introduce the reasonable and exact prediction method to predict and prevent environmental vibration induced by heavy -haul rail way .Key Words heavy -haul railway environmental vibration axle loads
0 引言
客运高速化、货运重载化,已成为铁路现代化的
必然趋势和重要标志。目前,重载铁路运输技术在越来越多的国家推广应用,不仅在幅员辽阔、大宗散装货物运输量大的大陆性国家(如美国、加拿大、澳大利亚、南非等国)重载铁路上大量开行重载列车,在欧洲传统以客运为主的客货混运干线铁路上也开始开行重载列车。至今发展重载运输的国家已经遍及五大洲和几乎所有的铁路大国[1-2]
。
我国已有大秦铁路、朔黄铁路两条典型重载铁路。2009年12月22日,我国首条30t 轴重的重载铁路———晋豫鲁铁路(山西晋煤—渤海湾铁路)开工建设,设计时速120km /h ,牵引质量1万t 。2012年7月24日,国务院印发《“十二五”综合交通运输体系规划》(国发[2012]18号)明确提出,十二五期间将强化煤炭运输等重载货运通道。
与此同时,重载铁路运营引起的环境问题,尤其是噪声污染[3]和环境振动污染[4]日益突出。列车通过线路时引起的振动属于铁路运输自身产生的振动,是列车正常运营过程中不可避免的基本振动
[2]
。
2009年6月22日—24日,第九届国际重载运输大会在中国上海召开,专门设立了“重载运输的环境保
护与评价”专题,说明重载铁路的环境保护已引起国际重载协会的重视。1 重载铁路的特点
重载铁路在轴重与牵引质量、列车编组长度、轨道结构、运行速度及运输频次(运营密度)等方面与高速铁路有很大不同。
1.1 轴重大、牵引质量大
随着重载运输的发展,国际重载协会(I HHA )在2005年国际重载运输协会巴西年会上对重载铁路的标准作了最新的修订,修订后的重载铁路标准:列车重量至少达到8000t ,轴重(或计划轴重)在27t 及以上,在至少150km 线路区段上单线年运量超过4000万t 。我国《重载铁路设计规范(送审稿)》将重载铁路定义为“牵引质量大于等于10000t ,轴重大于等于300kN (改建铁路轴重大于等于250kN ),年运量大于等于50Mt 的铁路”。
美国、加拿大、澳大利亚等国家重载列车已普遍采用35.4t 轴重,巴西、瑞典已采用30t 轴重,俄罗
＊基金项目:教育部新世纪优秀人才支持计划项目(NCE T -11-0710),中央高校基本科研业务费专项资金资助(SWJTU12CX003)。
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76· 工业安全与环保
Industrial Safety and Environ mental Protection
2013年第39卷第9期
September 2013
斯也将重载列车轴重提高到27t。欧洲客货混运干线铁路上开行的重载列车已向25t轴重迈进。目前国外重载铁路货车轴重最大已达40t,牵引质量达10万t。
我国大秦铁路、朔黄铁路等重载铁路的轴重大多数为25t,大秦铁路2004年12月已开行载重达2万t的组合列车,朔黄铁路也于2009年12月开行载重达1万t的组合列车。我国重载列车轴重正逐渐从23t提高到25t,并将进一步提高到30t。
1.2 列车编组长度
我国高速铁路采用的动车组编组长度一般为201.4m(8辆编组)或402.8m(16辆重联编组)。而重载铁路列车编组典型长度为5000英尺(1524 m),我国大秦铁路开行的2万t重载组合列车编组则长达2700m,澳大利亚重载列车编组最大长达7353m。
1.3 轨道结构
重载铁路采用有碴轨道(钢筋混凝土轨枕,碎石道床),重车线钢轨采用75kg/m的重型钢轨,空车线采用60kg/m的钢轨。而我国新建高速铁路则采用无碴轨道和60kg/m的钢轨。
1.4 运营速度及运输频次
新建高速铁路的运营速度在250～350km/h之间,而重载铁路空车运营速度多为80～90km/h,重车运营速度多为60～80km/h,发展目标暂为120 km/h。在运输密度方面,目前沪宁高速铁路每天开行动车组74对,京沪高速铁路每天开行动车组66对,武广高速铁路每天开行动车组52对。而大秦铁路每天开行列车100对以上,高于高速铁路的运输频次。
2 重载铁路环境振动特点
与普通铁路和高速铁路相比,重载铁路列车轴重更大、列车编组更长、运量更大。因此,重载列车对路基的动力作用也更大,这使得重载列车通过时环境振动的振级更高、振动作用持续时间更长。2.1 环境振动峰值持续时间长(持时特点)
重载铁路运行列车的速度一般为80km/h,通过任一钢轨断面的时间在120s以上,远远大于高速铁路的2～3s。可见,重载铁路环境振动峰值持续时间长,具有长持时特点。
2.2 振动强度高
轴重、运行速度是影响重载铁路环境振动的主要因素。而轴重大、运量大是重载铁路最主要的特点,其轨道结构承受很大的荷载,因此重载列车对线路的冲击破坏作用较高速铁路和普通铁路大得多[5-6]。铁路工务维修部门发现,大秦铁路、朔黄铁路上运行的重载列车对路基的破坏更加严重[6]。
我国多条高速铁路实测结果表明[7-8],距离轨道30m处地面的垂向环境振动最大值均不超过80 dB(参考标准10-6m/s2)。英国铁路局的T.M. Da wn和C.G.Stanworth(1979)测试了交通繁忙的货运铁路上运输散装货物的敞车和油罐车(25t轴重,最高运行速度接近100km/h)引起的地面振动[9],距离轨道42m处单层建筑墙面的垂向振动速度级最大可达109dB(参考标准10-9m/s)。T.M.Dawn (1983)的试验表明[10],25t轴重货运列车以23～88 km/h运行时,距离轨道25m处地面(6m厚的砾石砂层,下伏泥灰岩)的垂向振动速度级最大可达108 dB(参考标准10-9m/s)。可见,重载列车运行引起的地面振动强度大于高速铁路引起的地面振动强度。
随着轴重的提高,轨道结构的变形和动力响应加剧,破坏将更加严重[11]。与此同时,重载铁路列车的运行速度将从80km/h提高至120km/h,这必将加大轨道结构的振动强度,从而产生更强的环境振动。
2.3 振动频谱特性
轨道结构不同,导致重载铁路和高速铁路的轨道振动强度、频谱特性也有较大差异。我国高速铁路环境振动实测结果表明[8],350km/h高速铁路(无碴轨道)高速动车组运行时环境振动主频主要出现在40Hz左右,250km/h客运专线(有碴轨道)高速动车组运行时环境振动主频出现在25Hz左右。距轨道中心线30m处,大秦铁路货物列车运行所产生的环境振动主频出现在20Hz,距轨道中心线60 m处环境振动主频出现在12.5Hz。英国铁路局T. M.Da wn的测试结果表明[10],重载列车运行引起的地面振动频率集中于2～20Hz,主频为10Hz。可见,重载列车运行引起的地面振动频率低于高速铁路引起的地面振动频率。
3 重载铁路环境振动预测
重载列车引起的地面振动主要是低频振动。英国的C.J.C.Jones和J.R.Block(1996)提出了货运列车低频(4～30Hz)振动的预测模型[12],考虑了车辆设计、轨道结构、轨道剖面质量和层状土的传播特性。该模型首先计算钢轨上的力,采用轨道响应模块计算轨枕的准静态振动和动态振动,利用轨枕———地面传递函数计算地面的振动(包括相位一致的振动和相位不一致的振动)。应用结果表明,该模型对5～30Hz轨道振动的预测值与实测值符合较好,而对地面振动的预测则欠佳。英国诺丁汉特伦特大学的V.Kr ylov和C.Ferguson(1994)利用格林函数表述了低频铁路振动的产生与传播特点,数值模拟表明,铁路地基土的力学性质、车辆轴重、轨道和列车的几何参数是铁路地面振动的主要影响因素[13]。
我国对重载铁路环境振动的研究甚少,目前我
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