廣州地鐵4號線北延段工程軌道減振方案比選

王羽杰

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司軌道工程設(shè)計研究院，北京 100055)

1 概述

城市軌道交通的建設(shè)，在緩解城市公共交通壓力的同時也存在著諸多問題，其中市民反映最為強(qiáng)烈和集中的是軌道交通所產(chǎn)生的振動和噪聲問題。軌道結(jié)構(gòu)在車、軌、隧道(橋)耦合振動體系中，不但是振源，同時也是振動的傳遞因素，其結(jié)構(gòu)參數(shù)(質(zhì)量、剛度、幾何尺寸等)直接決定了振動輸出的效果。因此，合理選擇軌道結(jié)構(gòu)的形式和結(jié)構(gòu)參數(shù)，是解決減振降噪的積極措施，其結(jié)果是可直接減小軌下基礎(chǔ)振動，從而有效降低地面振動或高架結(jié)構(gòu)“二次噪聲”。因此，軌道結(jié)構(gòu)的減振降噪，對于整個軌道交通的振動與噪聲防治，是積極的，也是較為直接和經(jīng)濟(jì)的防治措施。

2 方案介紹

廣州地鐵4號線北延段工程北起黃村站，南至車陂南站，全長3.02 km。經(jīng)過區(qū)間為黃村、車陂村等城鄉(xiāng)結(jié)合部，沿線主要分布有學(xué)校、居民和村民住宅等建筑，除黃村站附近有高層建筑外，其余區(qū)段均以2～5層的私宅為主，建筑物結(jié)構(gòu)類型以Ⅰ、Ⅱ類建筑為主，沒有供居住的Ⅲ類建筑。

城市各類區(qū)域鉛垂向Z振級標(biāo)準(zhǔn)值見表1［1］。

表1 各類區(qū)域Z振級標(biāo)準(zhǔn)值 dB

線路中心距離醫(yī)院、學(xué)校、音樂廳、精密儀器廠、文物保護(hù)和高級賓館等建筑物小于20 m及穿越地段，宜采用特殊減振軌道結(jié)構(gòu)，即在一般減振軌道結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用浮置板整體道床或其他特殊減振軌道結(jié)構(gòu)形式［2］。根據(jù)《廣州市軌道交通4號線北延段工程環(huán)境影響評價報告書》(以下簡稱“環(huán)評報告”)，本工程共有3處環(huán)境敏感點預(yù)測值超標(biāo)，詳見表2。

表2 預(yù)測值超標(biāo)地段

振動環(huán)境影響評價工作等級應(yīng)根據(jù)建設(shè)項目特點、工程運營前后振動級變化程度，以及沿線環(huán)境敏感程度及其環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)來確定，一般分為2級［3］。

采用高彈性減振扣件是所有軌道交通工程中最普遍的做法，特別適用于一般地段的軌道結(jié)構(gòu)，該扣件種類很多，各國都研制了不同的結(jié)構(gòu)，基本都是采用橡膠的壓縮變形來吸收振動，一般來講，這種扣件可以降低振動 3 ～8 dB［4］。

根據(jù)環(huán)評報告預(yù)測結(jié)論，上述3處敏感點振動超標(biāo)值最大為7 dB，屬于中等減振范疇。本工程為直線電機(jī)牽引系統(tǒng)，且為國內(nèi)首條已通車運營的廣州地鐵4號線車陂南—黃閣段的北延長段(4號線車陂南—黃閣段已采用LORD減振扣件)，結(jié)合以往地鐵軌道減振經(jīng)驗，有以下3種扣件減振方案。

(1)GJ-Ⅲ型減振扣件

GJ-Ⅲ型雙層非線性減振扣件，是一種新型的軌道減振扣件，GJ-Ⅲ型扣件是基于底板型扣件系統(tǒng)(標(biāo)準(zhǔn)型或特制型)，并通過設(shè)計雙層非線性彈性墊板系統(tǒng)以降低系統(tǒng)剛度和提高結(jié)構(gòu)阻尼來控制二次噪聲與振動。它由軌下橡膠墊、上鐵墊板、中間橡膠墊、下鐵墊板和自鎖機(jī)構(gòu)等組成，如圖1所示。與傳統(tǒng)扣件相比，其優(yōu)勢在于系統(tǒng)剛度較小，允許鋼軌在列車通過時具有較大的垂直變形。低剛度系統(tǒng)減少了對其支撐系統(tǒng)的振動傳播，從而減少了對地面振動的傳播。

圖1 GJ-Ⅲ型減振扣件

雙層非線性減振扣件屬于緩沖減振類型，利用緩沖尼龍墊板及上、下層鐵墊板結(jié)構(gòu)實現(xiàn)自鎖，且能傳遞縱、橫向力，主要由上、下兩層橡膠墊板彈性起到一定的緩沖減振效果［5］。

該扣件技術(shù)的關(guān)鍵是上墊板與下墊板的鎖定裝置。鎖定裝置使得下鐵墊板對下通過錨固螺栓將整個扣件固定在鋼軌上、對上通過鎖定機(jī)構(gòu)將上鐵墊板位置鎖定，限制鐵墊板前后左右及向上方向的運動，只允許其向下在中間橡膠墊上做彈性運動。緩沖尼龍?zhí)准仁巧?、下鐵墊板間水平方向運動的緩沖墊，又起鎖定上墊板位置的作用。同時該系統(tǒng)不會因列車通過時產(chǎn)生大的鋼軌扭轉(zhuǎn)及增加軌道扣件和施工高度。

根據(jù)2007年2月6日由鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所出具的檢驗報告“(2007)金化檢字第82號”，該扣件靜剛度為10.94 kN/mm，動靜剛度比 ＜1.3。相對于DTVI2型扣件，在大于63 Hz頻帶的減振效果為4.8～15.9 dB，最大減振效果15.9 dB，出現(xiàn)在頻率210 Hz處。

GJ-Ⅲ扣件減振失效時可直接更換墊層，方便維修。獨特的“自鎖結(jié)構(gòu)”設(shè)計通過在鑄件結(jié)構(gòu)中鑲嵌尼龍結(jié)構(gòu)件，巧妙地解決了上、下鐵墊板之間的連接問題，不用螺栓錨固，也不用硫化粘結(jié)，便能傳遞縱、橫向力和翻轉(zhuǎn)力矩;能方便地更換失效的中間橡膠墊，而鐵墊板可繼續(xù)使用，大大降低了維護(hù)費用［6］。

(2)LORD減振扣件

美國LORD扣件是由美國LORD公司研制的一種壓縮型減振扣件，在我國主要是在上海地鐵多條線路大批量應(yīng)用。該扣件用彈性材料把頂板(用來固定鋼軌)和底板(用以連接基礎(chǔ))粘接起來由相當(dāng)厚的彈性材料提供彈性［7］。

該扣件是由洛得公司開發(fā)的一種扣件，見圖2，其主要結(jié)構(gòu)是三明治型橡膠與金屬的膠結(jié)墊板。主要特點是將承軌板、帶孔橡膠和底板硫化為整體，利用橡膠孔的變形進(jìn)行減振。LORD扣件直接支承鋼軌，下面設(shè)置調(diào)高墊板，扣件調(diào)距通過調(diào)距扣板的齒紋移動鐵墊板，利用鐵墊板的長圓孔來實現(xiàn)“無級”調(diào)距的目的。

圖2 LORD減振扣件

根據(jù)2006年8月同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通院提供的檢測報告，LORD扣件相對于單趾彈簧扣件在小于800 Hz頻帶范圍內(nèi)的減振效果1～12 dB，最大減振效果出現(xiàn)在250～800 Hz頻帶范圍內(nèi)，綜合的減振效果為6.29 dB。

(3)減振器扣件(克隆蛋)

參照國外有關(guān)軌道減振器資料和國內(nèi)其他減振器，根據(jù)地鐵軌道結(jié)構(gòu)特點，為避免應(yīng)力集中，把減振器設(shè)計為橢圓錐形，見圖3，能有效地耗散軌道振動能量，起到減振和緩沖作用［8］。減振器扣件是將橢圓錐形內(nèi)圈(與鋼軌相聯(lián))和外圈(與道床相聯(lián))用橡膠硫化膠結(jié)在一起的結(jié)構(gòu)形式。減振器扣件在車輪荷載作用下有較大的撓曲，從而降低上部建筑的力學(xué)阻抗，減小振動的激發(fā)，利用橡膠的剪切變形取得較高的彈性進(jìn)行減振。

圖3 減振器扣件

軌道減振器是從垂向、橫向和縱向支撐軌道的，并且通過垂向、橫向和縱向的彈性支撐結(jié)構(gòu)緩沖傳遞的振動。所以，軌道減振器對軌道的縱向和橫向限制力應(yīng)相等，而且必須具有高彈性［9］。

根據(jù)2007年4月株洲橡塑時代提供的產(chǎn)品檢測報告，扣件垂直靜剛度為7～12 kN/mm。2007年4月由鐵道科學(xué)研究院出具的軌道減振器與DTVI2型扣件減振性能比較的實驗報告表明，減振器扣件在80～1 000 Hz頻帶的減振效果為2.9～12 dB，最大減振效果17.6 dB出現(xiàn)在頻率400 Hz處。

3 方案比選

軌道減振設(shè)計的主要原則如下:

(1)軌道減振結(jié)構(gòu)應(yīng)確保軌道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及穩(wěn)定性，且應(yīng)滿足環(huán)境評價減振要求;

(2)軌道減振應(yīng)采用成熟的工藝、設(shè)備，盡可能減少工程風(fēng)險，且應(yīng)與既有、在建線減振措施統(tǒng)一，便于維修，降低運營成本;

(3)減振類型應(yīng)盡量統(tǒng)一，并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析比較，采用能降低全壽命周期成本的減振產(chǎn)品。

上述3種減振扣件在國內(nèi)各城市地鐵線路中均有應(yīng)用，是成熟的減振扣件。3種減振扣件的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較見表2。

表2 3種減振扣件技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較

從表2可知，上述3種減振扣件均能滿足環(huán)評報告要求的減振要求。LORD減振扣件已在廣州地鐵4號線車黃段工程中采用過，其余2種扣件均未在直線電機(jī)系統(tǒng)軌道減振設(shè)計中采用。

LORD減振扣件具有一體化設(shè)計、整體性好、結(jié)構(gòu)高度與既有線路一致、鋼軌垂直下沉量小于1.5 mm，滿足直線電機(jī)技術(shù)要求等優(yōu)點，已在4號線首期工程鋪設(shè)。但從近5年來實際運營的情況來看，該扣件還存在如下弊端。

(1)該扣件不設(shè)軌距塊，承軌槽一級無法調(diào)整軌距，只能用鐵墊板二級調(diào)整軌距，不符合廣州地鐵分2級調(diào)整軌距的扣件設(shè)計原則，加大了運營維修工作量。

(2)鋼軌直接落在承軌槽上，無軌下墊板。無法根據(jù)實際使用需求調(diào)整鋼軌的爬行阻力。

(3)彈條直接扣在鋼軌軌底，沒有尼龍軌距塊的緩沖，有可能會影響彈條的扣壓力，使用初期鋼軌的爬行阻力可能偏小，使用后期隨著鋼軌、彈條接觸面的銹蝕，爬行阻力會增加。

(4)該扣件是一體化結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)問題時需整體更換，維修成本高。根據(jù)廣州地鐵1號線使用經(jīng)驗，橡膠件使用8年左右就需要更換，而鐵件使用壽命預(yù)計可達(dá)30年，兩者使用壽命相差較大，同時整體更換經(jīng)濟(jì)性較差。據(jù)運營部門反饋，4號線車黃段已發(fā)現(xiàn)部分硫化墊板橡膠層開裂現(xiàn)象。

軌道減振器扣件是城市軌道交通減振產(chǎn)品中采用較廣的一種，北京、上海、廣州等多個城市地鐵線路中已成功應(yīng)用，但同時也存在一些問題，經(jīng)過對國外軌道減振器扣件的技術(shù)調(diào)查，初步分析減振彈性衰減的主要原因是減振器橡膠圈的橡膠性能不穩(wěn)定、配方不佳等;另外，減振器的減振參數(shù)也不盡合理，如動靜剛度比偏大，在10～40 kN荷載范圍內(nèi)達(dá)1.4。國產(chǎn)減振器隨著使用時間的延長，軌道減振器的減振性能會大大降低，因此，為使減振器具有良好的減振性能，必須努力降低產(chǎn)品的動靜剛度比，優(yōu)化橡膠材料的耐久性、抗老化性等綜合性能以及確保產(chǎn)品成型工藝的穩(wěn)定性［10］。

減振器扣件主要存在以下弊端:

(1)扣件結(jié)構(gòu)高度較大，不適宜直線電機(jī)系統(tǒng)感應(yīng)板安裝高度的精確要求;

(2)內(nèi)、外圈與減振橡膠墊硫化為一整體結(jié)構(gòu)，需整體性更換，后期成本較高;

(3)綜合單價較高，較 GJ－Ⅲ型減振扣件高22%。

相比于LORD扣件和軌道減振器扣件，GJ－Ⅲ型減振扣件具有如下優(yōu)點:

(1)橡膠件采用非線性設(shè)計，做到“低荷載低剛度，高荷載高剛度”，能滿足不同軸重車輛通行安全，特別是直線電機(jī)線路，更能體現(xiàn)此設(shè)計的優(yōu)勢，能避免重軸車通過時，鋼軌出現(xiàn)大變形;

(2)橡膠件可根據(jù)老化情況，單獨進(jìn)行更換，成本較低;

(3)可采用分開式設(shè)計，上下兩塊鐵板分離，上鐵板完全按照廣州地鐵普通扣件的承軌槽尺寸設(shè)計，保證扣件技術(shù)條件的一體性;可在制造廠家進(jìn)行預(yù)組裝，也可在現(xiàn)場維修時局部更換零部件;

(4)減振效果較好，尤其是80～100 Hz低頻狀態(tài)下，見圖4(廣州地鐵5號線實測數(shù)據(jù))。

廣州地鐵5號線全線減振地段共計7.4 km，超過8 dB的地段有4.7 km，小于8 dB的地段有2.7 km。由于五號線采用直線電機(jī)方式，對鋼軌的動態(tài)下沉有較高的要求，為慎重起見，在減振要求相對較低，小于8 dB的地段，大沙地—大沙東區(qū)間試鋪0.8 km雙層非線性減振扣件［11］。

圖4 GJ－Ⅲ減振扣件與單趾彈簧扣件振動加速度級對比

綜上所述，上述3種減振扣件均能滿足4號線北延段中等減振的設(shè)計要求。經(jīng)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面綜合對比，GJ－Ⅲ型減振扣件減振效果較好、工程造價較低，性價比最好，故推薦廣州地鐵4號線北延段中等減振采用GJ－Ⅲ型減振扣件。

4 結(jié)語

國內(nèi)城市軌道交通中等減振方案多采用扣件減振，彈性短枕因后期運營無法更換已很少采用。本文中的3種減振扣件是使用率最高的，在具體選用哪種減振扣件時，應(yīng)結(jié)合工程的實際工況，經(jīng)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)等多方面比選后，綜合確定，擇優(yōu)選用。

［1］國家環(huán)境保護(hù)局.GB100070—88 城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:國家環(huán)境保護(hù)局，1988.

［2］北京城建設(shè)計研究總院.GB50157—2003 地鐵設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國計劃出版社，2003.

［3］國家環(huán)境保護(hù)部.HJ453—2008 環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則·城市軌道交通［S］.北京:國家環(huán)境保護(hù)部，2009.

［4］任靜.Ⅲ型雙剛度軌道隔振器扣件的設(shè)計［J］.都市快軌交通，2007(1).

［5］李毅，丁靜波.雙層非線性減振扣件選型設(shè)計［J］.科技信息.2010(15).

［6］方劍.GJ－Ⅲ型減振扣件廣州地鐵一號線的技術(shù)應(yīng)用［J］.城市建設(shè)·下旬刊，2010(02).

［7］郭建平，劉衍峰.城市軌道交通在8～12 dB范圍軌道減振降噪措施比較［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2008(3).

［8］李湘久，楊月云，周才寶，張丁盛.軌道減振新型式－軌道減振器［J］.地鐵與輕軌，1989(1).

［9］王進(jìn)，彭立群，侯海彪，林達(dá)文.軌道彈性減振器實驗方法的研究［J］.城市軌道交通研究，2006(3).

［10］黃友劍，趙熙雍，李金衛(wèi).橡膠產(chǎn)品在城市軌道交通中的應(yīng)用［J］.橡膠科技市場，2004(20).

［11］中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所.GJ－Ⅲ型減振降噪扣件在廣州地鐵5號線上的軌道動態(tài)測試及減振性能評估［Z］.洛陽:中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所，2008.