城市軌道交通軌道減振降噪設(shè)計(jì)研究

李建斌

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300000)

0 引言

目前，城市軌道交通的發(fā)展日新月異，軌道交通不僅緩解了城市公交的壓力，也提高了市民出行舒適度，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益。然而在投入運(yùn)營(yíng)后，軌道交通系統(tǒng)不可避免地給城市環(huán)境帶來(lái)振動(dòng)和噪聲等問(wèn)題，不但影響乘客和軌道沿線(xiàn)人們正常生活，也會(huì)引起有關(guān)設(shè)備和結(jié)構(gòu)以及周邊建筑物的疲勞損壞，縮短使用壽命。因此，如何做好軌道的減振降噪設(shè)計(jì)是城市軌道交通建設(shè)的一個(gè)重要課題，也是改善乘客舒適性和環(huán)境保護(hù)的一個(gè)重要課題。

從軌道交通振動(dòng)與噪聲的來(lái)源入手進(jìn)行分析，確定主要噪聲源。對(duì)各種減振降噪型軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理比選，得出合理、有效的減振降噪措施，從而減小軌下基礎(chǔ)的振動(dòng)，大大緩解地面振動(dòng)以及高架結(jié)構(gòu)的二次噪聲，最終達(dá)到減振降噪的目的。

1 城市軌道交通振動(dòng)與噪聲的來(lái)源分析

大量結(jié)果表明:列車(chē)引起的噪聲可分為4個(gè)部分:輪軌噪聲、集電噪聲、車(chē)廂的空氣動(dòng)力噪聲和橋梁結(jié)構(gòu)的二次振動(dòng)噪聲。軌道交通的主要噪聲源隨著列車(chē)的運(yùn)行速度的變化而變化。當(dāng)列車(chē)速度小于60 km/h時(shí)，主要噪聲源為動(dòng)力系統(tǒng)噪聲;當(dāng)列車(chē)速度在60～200 km/h時(shí)，主要表現(xiàn)為輪軌噪聲;當(dāng)列車(chē)速度大于200 km/h時(shí)，主要是為空氣動(dòng)力噪聲［1］。

我國(guó)的軌道交通運(yùn)行速度一般為80 km/h，噪聲的主要來(lái)源是輪軌噪聲。解決好輪軌噪聲是解決城市軌道交通減振降噪的關(guān)鍵。

地鐵運(yùn)行時(shí)的輪軌相互作用，激起鋼軌和軌下基礎(chǔ)的振動(dòng)，鋼軌就向外輻射噪聲，振動(dòng)隨軌下基礎(chǔ)向周?chē)鷤鬟f，激發(fā)建筑物產(chǎn)生低頻噪聲。輪軌噪聲分為3種類(lèi)型:尖叫噪聲、沖擊噪聲和滾動(dòng)噪聲。

(1)尖叫噪聲。當(dāng)列車(chē)通過(guò)小曲線(xiàn)半徑時(shí)，由于車(chē)輪受轉(zhuǎn)向架的約束，不能正切于鋼軌運(yùn)行，引起車(chē)輪沿著鋼軌滾動(dòng)時(shí)橫向滑動(dòng)軌頭，由此產(chǎn)生輪軌接觸表面的粘著和空轉(zhuǎn)，引起車(chē)輪共振而產(chǎn)生強(qiáng)的窄頻帶尖叫噪聲。

(2)沖擊噪聲。車(chē)輪通過(guò)軌縫、道岔或擦傷的車(chē)輪在鋼軌上滾動(dòng)時(shí)引起的是沖擊噪聲。

(3)滾動(dòng)噪聲。通常是沒(méi)有擦傷的車(chē)輪在狀態(tài)良好的直線(xiàn)鋼軌上滾動(dòng)時(shí)所發(fā)出的噪聲，只是由于車(chē)輪和鋼軌表面上的小面積粗糙造成的。

軌道結(jié)構(gòu)在列車(chē)、軌道、以及橋梁這個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)中，不僅是主要振源，同時(shí)也是傳遞振動(dòng)的實(shí)體。合理選擇減振降噪型軌道結(jié)構(gòu)的型式，才能有效地控制城市軌道交通的振動(dòng)與噪聲。

2 減振降噪型軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則

減振降噪應(yīng)以工程環(huán)境評(píng)價(jià)報(bào)告為依據(jù)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)詳細(xì)調(diào)研，明確振動(dòng)與噪聲的保護(hù)對(duì)象和范圍，確定期望值，根據(jù)線(xiàn)路鋪設(shè)形式、地質(zhì)條件等合理選型。

減振降噪型軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下主要設(shè)計(jì)原則［2］:①良好的穩(wěn)定性和耐久性，良好的減振降噪性;②結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工和安裝的簡(jiǎn)便性;③軌道幾何形位的可調(diào)性;④低成本、少養(yǎng)護(hù)維修。

上海地鐵1號(hào)線(xiàn)有測(cè)試表明:在飽和軟土地層中，對(duì)于一般埋深(10 m左右)的地下線(xiàn)，其中心線(xiàn)處地表振動(dòng)超標(biāo)5～10 dB;當(dāng)線(xiàn)路埋深超過(guò)30 m時(shí)，混凝土基礎(chǔ)的建筑物的振動(dòng)大大降低［3］。在做軌道減振設(shè)計(jì)時(shí)，如果線(xiàn)路埋深很深(即超過(guò)30 m)時(shí)，可以適當(dāng)采取低一級(jí)別的減振降噪措施，以達(dá)到節(jié)約工程造價(jià)，避免浪費(fèi)的目的。

3 各種減振降噪措施的比選

傳統(tǒng)的軌道減振措施一般分三級(jí):一般減振、較高減振、特殊減振。本文減振措施分為四級(jí)，在較高減振和特殊減振之間增加了高等減振措施;主要是考慮較高減振和特殊減振措施的減振效果存在明顯的差距，當(dāng)較高減振措施剛剛不能滿(mǎn)足環(huán)評(píng)要求時(shí)，采用特殊減振又比較浪費(fèi)，因此引入高等減振措施是一個(gè)既經(jīng)濟(jì)、又合理的減振方案。

3.1 一般減振措施

(1)采用60 kg/m重型鋼軌，彈性分開(kāi)式扣件，鋪設(shè)無(wú)縫線(xiàn)路，以減小鋼軌所受的列車(chē)沖擊振動(dòng)，降低地鐵運(yùn)營(yíng)對(duì)沿線(xiàn)建筑物的振動(dòng)影響。

(2)在小半徑曲線(xiàn)地段鋼軌側(cè)面經(jīng)常涂油，定期對(duì)鋼軌表面進(jìn)行打磨，對(duì)車(chē)輪進(jìn)行鏇削，從而有效抑制滾動(dòng)噪聲的產(chǎn)生。

(3)在半徑小于400 m的曲線(xiàn)及高架線(xiàn)跨越鐵路、城市主干道等地段，采用彈性減磨、防脫護(hù)輪軌。

(4)在環(huán)境敏感地段，線(xiàn)路選線(xiàn)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免采用小半徑曲線(xiàn)，以減小輪緣對(duì)鋼軌內(nèi)側(cè)的沖擊，降低輪軌接觸中的尖叫噪聲。

3.2 中等減振措施

中等減振措施的減振效果為8 dB左右。

(1)采用彈性短軌枕。彈性短軌枕是在短軌枕外面，套上橡膠減振套靴，這樣能大幅度降低道床應(yīng)力，減少振動(dòng)。如圖1所示。

圖1 彈性短軌枕式整體道床(單位:mm)

鐵科院為高速鐵路研究鋪設(shè)了彈性短軌枕，經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)表明:采用彈性短軌枕，輪軌間相互作用力減少39～52 kN，短軌枕振動(dòng)加速度下降17g～46g，減少振動(dòng)噪聲約10 dB，減振效果良好。根據(jù)瑞士SBB資料介紹彈性短軌枕運(yùn)營(yíng)17 a后，軌道幾何形狀保持標(biāo)準(zhǔn)范圍。

該型式道床鋪設(shè)在上海軌道交通明珠線(xiàn)、廣州地鐵二號(hào)線(xiàn)、深圳地鐵一期工程、天津地鐵1號(hào)線(xiàn)等。

(2)采用GJ-Ⅲ型減振降噪扣件。該扣件由軌下橡膠墊、上鐵墊板、中間橡膠墊、下鐵墊板和自鎖機(jī)構(gòu)等組成。

上鐵墊板用來(lái)固定彈條和支撐鋼軌;下鐵墊板的作用，對(duì)下是通過(guò)錨固螺栓將整個(gè)扣件固定在軌枕上;對(duì)上通過(guò)鎖定機(jī)構(gòu)將上鐵墊板位置鎖定，限制鐵墊板前后左右上五方向的運(yùn)動(dòng)，只允許其向下在中間橡膠墊上做彈性運(yùn)動(dòng)。如圖2所示。

軌下橡膠墊和中間橡膠墊是主要的彈性元件，采用彈性好、綜合力學(xué)性能優(yōu)良的天然橡膠制作。扣件底部可加設(shè)一層或幾層橡塑墊板，其靜剛度高，主要起調(diào)高和加強(qiáng)絕緣的作用，最大調(diào)高量可達(dá)30 mm。該扣件與一般彈性扣件一樣可隨時(shí)更換其中每一個(gè)部件，便于維修和替換。從對(duì)扣件的落錘沖擊實(shí)驗(yàn)得出，該扣件較一般彈性扣件，振動(dòng)降低明顯。

目前該扣件已經(jīng)在北京、上海、深圳地鐵中廣泛采用。

3.3 高等減振措施

高等減振措施的減振效果為8～15 dB?？刹捎肰ANGUARD扣件或Calenberg道砟墊等措施來(lái)實(shí)現(xiàn)減振降噪。

(1)VANGUARD扣件具有很低的動(dòng)態(tài)剛度(7.5 kN/mm)或更低，通車(chē)條件下的豎向位移達(dá)到3 mm或更多;減振效果類(lèi)同浮置板系統(tǒng)，但成本比浮置板系統(tǒng)低得多，更易于平時(shí)的維護(hù)保養(yǎng)和調(diào)整。該扣件能有效降低振動(dòng)及二次噪音;可用于現(xiàn)存的鋼軌高度嚴(yán)格受限的區(qū)域;對(duì)新線(xiàn)建設(shè)，VANGUARD扣件可降低隧道斷面尺寸，大大節(jié)約建設(shè)投資;所有組件的更換都簡(jiǎn)便易行，從而極大地方便了平常的維護(hù)保養(yǎng)。如圖3所示。

圖2 GJ-Ⅲ型減振降噪扣件

圖3 VANGUARD扣件示意

(2)Calenberg道砟墊鋪設(shè)在道床下，對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)和噪聲具有高效隔離性;可減少軌道部件的應(yīng)力和磨耗;使用壽命長(zhǎng)，施工方便、快速;不影響過(guò)軌管線(xiàn)，在道岔區(qū)使用方便。但該道砟墊不足之處是更換較為困難。圖4為Calenberg道砟墊示意圖。

3.4 特殊減振措施

特殊減振措施的減振效果一般為15 dB以上。在線(xiàn)路中心距離醫(yī)院、學(xué)校、音樂(lè)廳、精密儀器廠(chǎng)、文物保護(hù)、高級(jí)賓館等建筑物小于20 m、及穿越地段，宜采用特殊減振軌道結(jié)構(gòu)?？刹捎孟鹉z浮置板道床或鋼彈簧浮置板整體道床。

橡膠浮置板道床是利用浮置板下面的大橡膠墊提供彈性，廣州地鐵一號(hào)線(xiàn)鋪設(shè)了這種減振軌道結(jié)構(gòu)。更換大橡膠墊較為麻煩。目前在地鐵中，普遍采用鋼彈簧浮置板整體道床。鋼彈簧浮置板減振軌道結(jié)構(gòu)又稱(chēng)質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)［4］。其基本原理是在軌道上部建筑與基礎(chǔ)間插入一固有振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于激振頻率的線(xiàn)性諧振器，即將具有一定質(zhì)量和剛度的混凝土道床板浮置在橡膠或者彈簧隔振器上，利用浮置板質(zhì)量慣性來(lái)平衡列車(chē)運(yùn)行引起的動(dòng)荷載，僅有沒(méi)有被平衡的動(dòng)荷載和靜荷載才通過(guò)鋼彈簧元件傳到路基或者隧道結(jié)構(gòu)上，達(dá)到減振的目的。采用鋼彈簧支撐時(shí)，隔振器內(nèi)放有螺旋鋼彈簧和粘滯阻尼。

圖4 Calenberg道砟墊示意

圖5 鋼彈簧浮置板整體道床圓形斷面示意(單位:mm)

對(duì)于橡膠支座浮置板道床，通常采用增加浮置板厚度和重級(jí)配混凝土的辦法降低自振頻率，而對(duì)于鋼彈簧浮置板，由于彈簧剛度的可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，所以鋼彈簧浮置板還可以通過(guò)采用減小彈簧剛度來(lái)降低自振頻率，因此，鋼彈簧浮置板的固有頻率可以設(shè)計(jì)得比橡膠支撐浮置板低，減振效果會(huì)更好。

鋼彈簧減振系統(tǒng)的浮置板軌道在德國(guó)最先采用，減振效果良好，比橡膠浮置板的減振效果提高了約5 dB。在深圳地鐵1號(hào)線(xiàn)續(xù)建工程、2號(hào)線(xiàn)、5號(hào)線(xiàn)、北京城鐵、上海明珠二期工程、南京地鐵采用了此種道床。

綜合考慮到鋼彈簧浮置板便于維修養(yǎng)護(hù)，技術(shù)先進(jìn)，減振效果良好。目前，在新建線(xiàn)路上推薦采用鋼彈簧浮置板整體道床的特殊減振軌道結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)軌道減振措施的選擇應(yīng)慎之又慎。一方面要節(jié)約投資，另一方面要考慮環(huán)境等因素又不得不增加投資;不能只考慮節(jié)約投資而忽視環(huán)境、以后運(yùn)營(yíng)等問(wèn)題。一旦建成，要對(duì)其整改，所花的費(fèi)用可能是一次性投資的幾倍。通過(guò)對(duì)以上減振降噪措施的分析比選，初步得出城市軌道交通設(shè)計(jì)中較為經(jīng)濟(jì)、合理的減振方案。

(1)城市軌道交通所采取的軌道減振降噪措施。①一般減振地段，采取使用鋪設(shè)無(wú)縫線(xiàn)路、重型鋼軌、彈性分開(kāi)式扣件、小半徑曲線(xiàn)定期涂油、打磨等措施。②中等減振地段?？紤]到彈性短軌枕的彈性套靴失效性、以及損壞后不易更換，目前推薦采用軌道減振器扣件，如GJ-Ⅲ型減振降噪扣件。③高等減振地段。由于VANGUARD扣件具有良好的減振性能和可更換性，推薦采用VANGUARD扣件。④特殊減振地段。由于橡膠浮置板道床損壞后不易更換，推薦采用鋼彈簧浮置板整體道床。

(2)建議。城市軌道交通軌道減振降噪工程是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要相關(guān)專(zhuān)業(yè)共同配合、綜合治理才能取得滿(mǎn)意的效果。減振降噪型軌道結(jié)構(gòu)的比選，需要根據(jù)具體的環(huán)評(píng)要求，進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)。只有合理的選擇減振降噪型軌道結(jié)構(gòu)型式，才能既經(jīng)濟(jì)、又合理地實(shí)現(xiàn)軌道的減振降噪，從而真正解決城市軌道交通給城市帶來(lái)的振動(dòng)與噪聲問(wèn)題。

［1］練松良，劉加華.城市軌道交通減振降噪型軌道結(jié)構(gòu)的選擇［J］.城市軌道交通研究，2003，6(3):35-41.

［2］北京城建設(shè)計(jì)研究總院.GB 50157—2003地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2003.

［3］葛世平.城市軌道交通的振動(dòng)和噪聲對(duì)環(huán)境的影響及其對(duì)策［J］.城市軌道交通研究，2003，6(3):30-34.

［4］王漢民.城市軌道交通浮置板軌道振動(dòng)特性研究及對(duì)鄰近建筑物的影響［D］.北京:北京交通大學(xué)土木工程學(xué)院，2009.