北京市軌道交通大興線減振軌道結構的選型設計

楊其振,程保青,劉道通

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300251)

1 概述

城市軌道交通大多穿越或位于鬧市區(qū),因而軌道交通產(chǎn)生的振動和噪聲對周圍環(huán)境影響變得十分突出,振動和噪聲直接影響到人們的生活和健康，已成為建設城市軌道交通的最大障礙。能否將振動和噪聲降低在環(huán)保規(guī)定范圍內,避免形成又一社會公害,是軌道交通建設亟待解決的關鍵問題之一。城市軌道交通線路列車運行密度大,軌道結構養(yǎng)護維修工作只能在夜間停運時間進行,因此世界上大多數(shù)軌道交通的軌道結構采用剛性較大的混凝土整體道床,以減少運營中的日常維修工作。軌道結構的彈性主要依靠鋼軌扣件和減振型軌道結構提供[1]。彈性較差的鋼軌扣件會造成嚴重的輪軌振動與沖擊,不僅影響軌道結構的使用壽命,而且也帶來了周圍環(huán)境污染,一旦超過國家標準[2]必須采取措施。

2 軌道振動源、傳播及控制

城市軌道交通引起的振動,主要是車輛運行時輪軌間相互撞擊所產(chǎn)生的,由鋼軌通過扣件和道床傳遞到隧道或高架結構,并由該結構傳向大地,引發(fā)隧道或高架結構附近地面建筑物的振動。影響建筑物振動的因素有很多,包括車輛特性、軌道結構、隧道或高架結構、地質條件、建筑物本身結構等。

北京市軌道交通大興線工程分為地下段、過渡段(敞開、地面)和高架段3種線路形式,運營期列車運行對環(huán)境振動的影響有其各自不同的特點：

(1)地下段列車于地下行駛時產(chǎn)生的振動經(jīng)過道床傳遞到隧道結構后再進一步向外傳播,由于隧道壁外有較厚的土層覆蓋,振動從隧道向外傳播過程中振動衰減相對較快,且振動傳播經(jīng)過隧道這一較重結構,也將有所衰減；

(2)過渡段采用碎石道床對振動有所衰減,但由于路基較低,道床結構對振動的傳播影響很小；

(3)高架段列車運行產(chǎn)生的振動通過橋梁這一特殊結構傳至地面時已有較大衰減,因此高架橋路段振動較一般地面線路有所降低,影響范圍也相對較小，主要是列車通過時對周圍產(chǎn)生的噪聲污染。

城市軌道交通的振動噪聲控制是一項綜合技術,通過軌道結構振動控制,即在鋼軌、軌枕、扣件、道床等方面采取相應的減振措施,從而達到降低高架結構噪聲的目的是最為經(jīng)濟可行的。同時還要在必要地段設置聲屏障,以降低噪聲傳播。

3 軌道減振設計原則

《地鐵設計規(guī)范》(GB50157—2003)[3]第6.5節(jié)減振軌道結構中,將減振軌道結構劃分為3個等級,即一般減振軌道結構,較高軌道減振結構,特殊軌道減振結構。

一般減振軌道結構：采用無縫線路、彈性扣件、整體道床或碎石道床。

較高軌道減振結構：線路中心距離住宅區(qū)、賓館、機關等建筑物小于20 m及穿越地段,即在一般減振軌道結構的基礎上,采用軌道減振器扣件、彈性短軌枕式整體道床或其他較高減振軌道結構形式。

特殊軌道減振結構：醫(yī)院、學校、音樂廳、精密儀器廠、文物保護和高級賓館等建筑物距離線路中心線小于20 m的地段,即在一般減振軌道結構的基礎上,采用浮置板整體道床或其他特殊減振軌道結構形式[4]。

根據(jù)《環(huán)境影響報告書》中該工程沿線振動超過國家環(huán)保標準地段及超標值,結合多年的設計經(jīng)驗,確定本工程軌道減振設計原則。

(1)在減振等級劃分時適當留有余量,設防值比超標值宜高出3 dB；

(2)減振地段設置最小長度標準：150 m；

(3)軌道減振設計標準

一般減振：不超標地段,不特別設防

中等減振：超標1～3 dB,設防4～6 dB

高等減振：超標4～12 dB,設防7～15 dB

特殊減振：超標>12 dB,設防>15 dB

(4)積極推廣新技術、新工藝,提高減振降噪的效果,使列車運行狀態(tài)更平穩(wěn),乘坐更舒適。

在軌道減振結構選型設計前,針對《環(huán)境影響報告書》中提出的軌道減振降噪要求,按照上述軌道減振標準進行了分類,分類的原則是：

(1)滿足減振設計標準；

(2)盡量減少減振軌道結構類型。

4 軌道減振結構現(xiàn)狀及發(fā)展[5]

近年來減振技術迅猛發(fā)展,軌道減振結構形式及減振部件種類更加繁多,減振效果各有不同,減振技術逐步趨于成熟。因此,減振結構形式設計時,應根據(jù)需要選用適用的軌道減振結構及減振部件,既滿足環(huán)評要求、技術成熟先進,又降低造價、使用壽命長。

目前常用的軌道減振高彈性扣件性價比分析見表1,軌道減振型道床見表2。表中所列靜剛度及減振效果,僅供設計者參考,以便選擇性價比合理的減振軌道結構,表中所列造價僅供選擇軌道減振結構方案用,不能作為概、預算指標。

表1 高彈性扣件性價比分析匯總

表2 減振型道床性價比分析

注：剛性道床按300萬元/km計算。

5 大興線軌道減振結構

(1)一般減振地段軌道結構

鋪設區(qū)間無縫線路,減少了鋼軌接頭,能有效地減少輪軌間的沖擊力,使列車運行的基本單位阻力減少10%～20%。據(jù)歐美國家資料介紹運營噪聲可降低2～10 dB,我國資料介紹可降低2～3 dB。

小半徑曲線地段,對鋼軌涂油,減輕鋼軌磨耗。設置磨軌車對鋼軌頂面不平順進行打磨,定期對車輪進行鏇削。據(jù)日本資料介紹鋼軌經(jīng)打磨后可降低噪聲5～6 dB,我國資料介紹可降低3～5 dB。

采用彈性扣件,扣壓力大,減緩鋼軌對混凝土道床的直接沖擊,使鋼軌振動衰減很快,起到減振降噪作用。

嚴格施工及維護養(yǎng)護要求等,提高軌道平順度。

(2)中等減振地段軌道結構

中等減振地段為超標1～3 dB、設防4～6 dB的減振地段。按照減振設計標準要求,能夠滿足中等減振要求的減振軌道結構形式主要有彈性短軌枕式整體道床、減振器扣件(科隆蛋)、LORD扣件、ZG型扣件等，以上4種減振軌道結構均可應用于中等減振地段。彈性短軌枕存在橡膠老化快、損壞時不易更換等缺陷,國內各大城市地鐵工程中已經(jīng)不再采用。LORD扣件利用橡膠的擠壓變形,減振效果不理想,且主要部件依靠進口,養(yǎng)護維修及更換不方便。ZG型扣件采用自鎖結構,零部件較多,養(yǎng)護維修及更換較復雜。軌道減振器扣件已廣泛應用于國內各大城市軌道交通工程,減振性能良好,本線在中等減振地段采用軌道減振器扣件,如圖1所示。

圖1 減振器扣件

(3)高等減振地段軌道結構

高等減振地段為超標4～12 dB、設防7～15 dB的減振地段。按照減振設計標準要求,能夠滿足高等減振要求的減振軌道結構形式主要有Vanguard新型減振扣件、梯形軌枕軌道和中等鋼彈簧浮置板等。梯形軌枕軌道結構是一種低噪聲、低振動的軌道結構,技術先進,效果優(yōu)良[5],本工程在地下線的高等減振地段采用該種軌道結構,如圖2所示。

圖2 梯形軌枕軌道結構

(4)特殊減振地段軌道結構

特殊減振地段為超標>12 dB、設防>15 dB的減振地段。按照減振設計標準要求,能夠滿足特殊減振要求的減振軌道結構形式主要有鋼彈簧浮置板道床和橡膠浮置板道床兩種軌道結構形式。綜合考慮到鋼彈簧浮置板便于維修養(yǎng)護,技術先進,減振效果良好。本線采用金屬彈簧浮置板整體道床的特殊減振軌道結構,如圖3所示。

圖3 金屬彈簧浮置板整體道床

6 結語

隨著人們生活水平的提高,對環(huán)境要求也越來越高,城市軌道交通要走可持續(xù)發(fā)展的道路,在解決好交通的同時也要確保良好的生活環(huán)境。這就要求進行城市軌道交通的規(guī)劃、設計時要充分考慮對沿線環(huán)境的影響,借鑒國外成功技術經(jīng)驗。

軌道減振是一項系統(tǒng)工程,單純依靠軌道設計者,往往心余力拙,建議城市規(guī)劃部門、建設單位以及設計單位各專業(yè)設計者通力協(xié)作,綜合治理以達到預期的減振降噪目標。

參考文獻：

[1]于春華.地鐵軌道減振[J].鐵道知識，2004(1)：16-17.

[2]GB10070—88，城市區(qū)域環(huán)境振動標準[S].

[3]GB50157—2003，地鐵設計規(guī)范[S].

[4]任靜，王進，曾向榮.北京地鐵5號線正線軌道設計綜述[J].鐵道標準設計，2007(10)：16-22.

[5]張 杰，姜堅白，鄧玉姝，等.浮置式梯形軌道的承載性能與環(huán)境性能分析[J].鐵道標準設計，2007(10):51-54.

[6]于春華，楊其振.城市軌道交通軌道減振技術的現(xiàn)狀和發(fā)展[J].世界軌道交通，2005(12)：50-51.