幾種典型的地鐵減振浮置軌道的對比分析

趙紂斌

幾種典型的地鐵減振浮置軌道的對比分析

趙紂斌

（南寧軌道交通集團有限責(zé)任公司，南寧 530029）

針對目前國內(nèi)地鐵工程所用到的鋼彈簧浮置板、減振墊浮置板、橡膠隔振器浮置板、浮置式梯形軌枕等不同浮置軌道技術(shù)，在按重量級別、隔振元件、浮置板澆注方式及浮置板是否設(shè)預(yù)應(yīng)力等不同方式進行分類的基礎(chǔ)上對比分析各自不同的技術(shù)特點，可為不同工程條件下的正確選型提供參考。提出理論及實際減振效果的差異性、減振與降噪效果的區(qū)別、典型不利工程條件的適應(yīng)性以及綜合造價的核算等浮置軌道選型及設(shè)計應(yīng)用的要點和建議，并探討未來運營線浮置軌道的高效檢查維修技術(shù)，以及設(shè)計速度≥140 km/h線路浮置軌道系統(tǒng)設(shè)計及安全可靠性保障技術(shù)等后續(xù)發(fā)展方向。

地鐵；軌道；減振；降噪；隔振器；減振墊；浮置板；梯形軌枕

1 研究背景

近年來，國內(nèi)城市軌道交通建設(shè)及運營規(guī)模不斷擴大，其對城市區(qū)域環(huán)境振動及噪聲的影響也越來越大。浮置板技術(shù)減振效果最好，從2002年引進國內(nèi)開始，在地鐵中得到越來越廣泛的推廣應(yīng)用，為地鐵工程運營滿足相關(guān)振動噪聲控制標準起到了重要作用。以南寧市各地鐵線為例，1、2、3號線的浮置軌道鋪設(shè)長度分別為4.6 km、4 km、11.2 km，應(yīng)用或試鋪了多種浮置板類型[1]。

由于不同地鐵工程條件和需求的多樣化和復(fù)雜化，浮置軌道也由最初單一的鋼彈簧浮置板而逐步演變出橡膠/聚氨酯減振墊浮置板、橡膠隔振器浮置板、浮置式梯形軌枕等多種類型。不同類型浮置軌道的減振原理均大致相近，但細節(jié)構(gòu)造形式、減振元件、接口關(guān)系、適用條件及造價等方面均存在不同程度的差異。在具體工程設(shè)計中，需針對不同的工程特點及條件來合理進行浮置軌道類型的選擇和設(shè)計，以確保既達到期望的減振效果，又不至產(chǎn)生額外的問題和病害。

隨著浮置軌道應(yīng)用經(jīng)驗的不斷積累，建設(shè)部還頒布了專門的《浮置板軌道技術(shù)規(guī)范》（CJJ/T 191-2012）來規(guī)范和引導(dǎo)浮置板的合理化應(yīng)用[2]。

2 浮置軌道的主要類型及技術(shù)特點

根據(jù)不同的分類方式，浮置軌道可按重量級別、隔振元件、浮置道床澆筑方式、浮置道床是否設(shè)預(yù)應(yīng)力等多種方式進行分類，不同的類型具有不同的技術(shù)特點。

2.1 按重量級別劃分

按重量級別進行劃分[3]，浮置軌道可分為重型浮置板、中型浮置板及輕型浮置板，斷面圖見圖1～3，技術(shù)特征見表1。

圖1 中/重型（鋼彈簧）浮置軌道

圖2 輕/中型（鋼彈簧）浮置軌道

圖3 浮置式梯形軌枕

該劃分方式主要是結(jié)合兩方面的工程條件進行考慮的：一是減振效果需求，即減振要求高時，需采用中型或重型浮置軌道，減振要求相對較低時，則采用中型或輕型浮置軌道；二是浮置軌道鋪設(shè)段的隧道及橋梁等下部基礎(chǔ)的軌道結(jié)構(gòu)高度及承載能力條件，當(dāng)軌道結(jié)構(gòu)高度條件寬松且隧道橋梁承載能力足夠時，可選用中型或重型浮置軌道，反之則選用中型或輕型浮置軌道。

對于地下線而言，軌道結(jié)構(gòu)高度及隧道承載能力通常情況下并不制約浮置軌道的選擇，主要考慮減振效果需求即可。

表1 按重量級別劃分的浮置軌道技術(shù)特征

對于高架線而言，軌道結(jié)構(gòu)高度及橋梁承載能力往往是很主要的制約因素，比如高架橋軌道結(jié)構(gòu)高度通常采用520～540 mm，容許的軌道自重≤20 kN/m，若超過限值，則需要對橋梁作特別加強設(shè)計。此外，影響高架線減振降噪目標實現(xiàn)的條件和因素比地下線更復(fù)雜，比如背景振動及噪聲、橋梁位置、高度及類型、敏感建筑與線路的相對位置關(guān)系等，在減振效果之外，浮置軌道的重量級選擇需經(jīng)過更全面綜合的權(quán)衡和取舍。

2.2 按隔振元件劃分

浮置軌道的隔振元件主要分為鋼彈簧隔振器、橡膠隔振器、橡膠或聚氨酯減振墊3大類，其中橡膠或聚氨酯減振墊又可分為點支承、條支承及面支承3種（見圖4，圖5），技術(shù)特征見表2。

圖4 橡膠隔振器浮置軌道

圖5 橡膠/聚氨酯減振墊浮置軌道[7]

表2 按隔振元件劃分的浮置軌道技術(shù)特征[4-7]

鋼彈簧材料強度高，容許壓縮變形相對較大，故鋼彈簧隔振器剛度值可設(shè)得相對較低，配置的浮置軌道可以更厚重，因而減振效果相對較好。此外，鋼彈簧的性能穩(wěn)定，耐久性好，自身具備橫向剛度，故無需設(shè)置額外的水平限位裝置，但鋼彈簧自身并不具備阻尼特性，需單獨設(shè)置阻尼材料，造價相對較高。

橡膠隔振器浮置板即采用橡膠隔振器替代傳統(tǒng)的鋼彈簧隔振器。與鋼彈簧相比，橡膠隔振器自帶阻尼特性，結(jié)構(gòu)簡單，可有效降低隔振器高度，從而更具靈活性。但橡膠材料具有蠕變和衰減特性，使得其使用壽命低于鋼彈簧。

橡膠/聚氨酯減振墊是最常用的隔振材料，減振墊浮置板結(jié)構(gòu)簡單，施工方便，但對材料的強度、耐久性、剛度及阻尼穩(wěn)定性等方面的要求較高。減振墊浮置板有面支承、條支承及點支承等3種支承方式，國內(nèi)目前應(yīng)用的以面支承（減振墊浮置板）及點支承（浮置式梯形軌枕）為主。面支承減振墊浮置板的質(zhì)量較大，但減振墊檢修、更換及沉降整治等很困難，一般建議用在下部基礎(chǔ)變形小、無滲漏水的地段；點支承方便檢查維修及調(diào)整，但減振墊面積較小，對材料性能技術(shù)要求很高。

廣州地鐵1號線在國內(nèi)率先采用了浮置板（橡膠點支承浮置板），2002年國內(nèi)開始推廣應(yīng)用的是鋼彈簧浮置板；2005年，點支承聚氨酯減振墊的浮置式梯形軌枕開始在北京地鐵鋪設(shè)應(yīng)用；2009年，采用面支承方式的橡膠減振墊浮置板開始在成都、深圳、杭州等地鋪設(shè)應(yīng)用。橡膠隔振器浮置板在國內(nèi)尚處在研究試鋪階段，南寧地鐵2號線于2016年在國內(nèi)首次試用這種浮置軌道。國內(nèi)橡膠材料技術(shù)成熟，但減振墊細部構(gòu)造或浮置軌道系統(tǒng)設(shè)計、供貨及使用若存在缺陷，耐久性及可靠性往往受到影響，聚氨酯材料性能穩(wěn)定、耐久性好，但目前國內(nèi)已應(yīng)用的聚氨酯減振墊主要為國外進口，價格較高。

2.3 按浮置軌道澆筑方式劃分

浮置軌道澆筑方式分為現(xiàn)澆、預(yù)制及部分預(yù)制等3種[5]（見圖6～8）。國內(nèi)最初的應(yīng)用均為現(xiàn)澆浮置軌道，但隨著建設(shè)規(guī)模及建設(shè)速度的不斷提高，現(xiàn)澆浮置軌道因其構(gòu)造復(fù)雜，現(xiàn)場澆筑施工的質(zhì)量也良莠不齊，易出現(xiàn)外觀差、鋼筋外露、表面開裂以及（小半徑曲線）軌道幾何尺寸精度偏差大等問題，在這種情況下，預(yù)制浮置板開始被研究并應(yīng)用。

圖6 現(xiàn)澆浮置軌道

圖7 預(yù)制浮置軌道

圖8 部分預(yù)制浮置軌道

預(yù)制浮置板克服了現(xiàn)澆浮置板的種種不足，尺寸精度高、外觀好、澆筑質(zhì)量均勻，但受制于運輸及吊裝的限制，預(yù)制浮置板的長度僅能做到3.6～6 m，無法達到現(xiàn)澆浮置板的25～30 m，較短的長度對減振效果有所影響，并增加了剪力鉸的數(shù)量。此外，預(yù)制浮置板的造價比現(xiàn)澆浮置板增加約10%。

國內(nèi)應(yīng)用較多的浮置式梯形軌枕采用了特殊的預(yù)制縱梁+橫梁結(jié)構(gòu)，因質(zhì)量相對較輕，故可直接采用與普通軌道一致的軌排法或架軌法進行快速施工，常規(guī)施工速度可達到120 m/d，是施工速度最快的一種浮置板。

部分預(yù)制浮置板在預(yù)制浮置板的基礎(chǔ)上，將承軌臺部分預(yù)留后澆筑，對浮置板的安裝精度要求有所放寬，但相應(yīng)的架軌、精調(diào)及二次澆筑工序及難度有所增加，國內(nèi)僅在天津、成都、寧波等地的個別地鐵中有過嘗試，尚未大量推廣。

2.4 按浮置板是否設(shè)預(yù)應(yīng)力劃分

浮置板主筋配置有2種形式：普通非預(yù)應(yīng)力鋼筋及預(yù)應(yīng)力鋼筋，目前國內(nèi)所有現(xiàn)澆浮置板及大部分預(yù)制浮置板均采用了普通非預(yù)應(yīng)力鋼筋，僅有浮置式梯形軌枕采用了預(yù)應(yīng)力鋼絞線。

浮置板支承剛度較小，列車通過時的正常動態(tài)變形最大可達到5 mm左右，縱向彎矩最大可達到300 kN·m，所以浮置板需配置足夠的縱向受力鋼筋，但過于密集的鋼筋布置，會影響浮置板的澆筑質(zhì)量，而且非預(yù)應(yīng)力鋼筋無法阻止浮置板表面出現(xiàn)裂紋，從而對浮置板的耐久性不利。

采用預(yù)應(yīng)力鋼筋（鋼絞線）不僅可以減少鋼筋用量，而且可有效提高浮置板的抗彎承載能力，也對耐久性更為有利，所以建議預(yù)制浮置板盡量采用預(yù)應(yīng)力鋼筋，但預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)對預(yù)制浮置板的設(shè)計、生產(chǎn)及運輸技術(shù)要求更高，這是需要引起重視的。

2.5 現(xiàn)有浮置軌道的技術(shù)特征匯總

在上文對比分析的基礎(chǔ)上，以下將目前國內(nèi)應(yīng)用的典型浮置軌道如鋼彈簧浮置板、橡膠/聚氨酯減振墊浮置板、橡膠隔振器浮置板、浮置式梯形軌枕等的技術(shù)特征進行羅列（見表3）。需要說明的是，表3中所列的技術(shù)特征為常規(guī)做法的情況。

表3 幾種常用浮置軌道的技術(shù)特征匯總

3 浮置軌道選型及設(shè)計應(yīng)用若干要點

3.1 理論及實際減振效果的差異性

由上文分析可知，在理論減振效果方面，鋼彈簧浮置板最好，橡膠隔振器及減振墊浮置板次之，浮置式梯形軌枕相對較低一些。

但一些實鋪工程如深圳地鐵2號線、寧波地鐵1號線等開通后的測試結(jié)果表明，作為輕型浮置軌道的浮置式梯形軌枕減振效果并不一定比中/重型浮置板差，原因之一就是因為浮置式梯形軌枕均為預(yù)制結(jié)構(gòu)，鋪設(shè)的軌距及軌底坡等軌道幾何精度高，從而降低了列車通過時的振動源強；而采用現(xiàn)澆方式的浮置軌道的軌道幾何精度控制質(zhì)量離散性相對較大，則可能引起振動源強放大，可見浮置軌道的施工質(zhì)量控制非常重要。

3.2 減振與降噪效果的區(qū)別

3.2.1 減振效果

地鐵地下線對沿線環(huán)境敏感點的影響主要是振動及由振動引起的建筑物室內(nèi)二次結(jié)構(gòu)噪聲問題。浮置軌道對地下線沿線振動控制效果已積累了很多的研究、實測及經(jīng)驗，表3中所列減振效果即為統(tǒng)計性的結(jié)果。

3.2.2 室內(nèi)二次結(jié)構(gòu)噪聲控制效果

振動引起的建筑物室內(nèi)二次結(jié)構(gòu)噪聲的影響因素很多且復(fù)雜，影響規(guī)律目前行業(yè)內(nèi)還不掌握，各種工況條件下浮置軌道能降低的室內(nèi)二次結(jié)構(gòu)噪聲還沒有公認的數(shù)據(jù)。目前項目環(huán)評中采用了一個經(jīng)驗公式來預(yù)測室內(nèi)二次結(jié)構(gòu)噪聲，一旦預(yù)測結(jié)果超標，即推薦采用鋼彈簧浮置板。采用鋼彈簧浮置板固然能降低超標風(fēng)險，但過多鋪設(shè)鋼彈簧浮置板，除了引起造價高昂，還給施工籌劃、運營維修管理帶來一系列麻煩，所以這一情況還有待進一步改善。從目前的經(jīng)驗來看，雖然浮置軌道對室內(nèi)二次結(jié)構(gòu)噪聲的降噪效果還沒有統(tǒng)計數(shù)據(jù)，但可以借助室內(nèi)振動水平的預(yù)測來作為參考，將可能受二次結(jié)構(gòu)噪聲影響的敏感建筑室內(nèi)振動設(shè)防標準適當(dāng)提高，基本上可實現(xiàn)二次結(jié)構(gòu)噪聲的控制目標，而鋼彈簧浮置板并不一定必需。

3.2.3 高架橋二次結(jié)構(gòu)噪聲

高架橋噪聲[8]主要包括輪軌噪聲及橋梁二次結(jié)構(gòu)噪聲，橋梁二次結(jié)構(gòu)噪聲主要通過軌道減振的方式加以控制，行業(yè)內(nèi)對此已形成共識，越來越多的地鐵高架橋在噪聲超標地段采用了浮置軌道。

根據(jù)上海、杭州、西安、寧波等地高架橋在線實測，包括浮置式梯形軌枕在內(nèi)的浮置軌道對高架橋二次結(jié)構(gòu)噪聲的降噪效果可達到10 dB或以上，從數(shù)值上看，“略低于”地下線的減振效果。針對混凝土橋梁二次結(jié)構(gòu)噪聲降噪效果設(shè)計值，中型鋼彈簧浮置板建議為12 dB，其余浮置軌道建議為8～10 dB。

3.3 典型不利工程條件的適應(yīng)性

國內(nèi)地鐵工程中，浮置軌道經(jīng)常遇到的不利工程條件主要包括基礎(chǔ)不均勻沉降、隧道滲漏積水等[9]。

基礎(chǔ)不均勻沉降有可能是由軟弱地質(zhì)條件，也有可能是地鐵隧道本身或沿線其他構(gòu)筑物施工所致。這種地段鋪設(shè)的浮置軌道，需考慮方便沉降變形檢查及軌道高度調(diào)整?，F(xiàn)有浮置軌道中，鋼彈簧浮置板及浮置式梯形軌枕檢查較為方便，只要限界允許，鋼彈簧或橡膠隔振器浮置板的隔振器采用墊片方式，調(diào)整量可達到60～100 mm，梯形軌枕減振墊下部可分層無限墊高；相對而言，采用面支承方式的減振墊浮置板很難實現(xiàn)墊高（見圖9）。

除采用明溝排水的浮置式梯形軌枕之外，其余浮置軌道均采用位于基底的暗溝作為排水通道。暗溝標高較低，斷面較小，若隧道內(nèi)滲漏水較多，很容易發(fā)生淤積，影響浮置軌道的減振效果及隔振元件的使用壽命。針對這一問題，需在浮置軌道的設(shè)計及施工中，與線路、排水等專業(yè)緊密配合，做好線路縱坡、排水泵房位置及入水口高程、上游截水溝及沉淀池、下游排水溝過渡段等方面的設(shè)計，避免出現(xiàn)積水病害。

圖9 浮置式梯形軌枕應(yīng)對差異沉降的調(diào)高方案

3.4 綜合造價的核算

在普通軌道的基礎(chǔ)上，浮置軌道不僅要增加隔振元件及配套其他部件，軌道結(jié)構(gòu)方面，也要更為復(fù)雜，對施工設(shè)備、技術(shù)及人員要求更高，施工效率相對較低，故針對浮置軌道相對于普通軌道增加的造價，需要綜合考慮工料機綜合造價的增加，而不僅僅是隔振元件的造價增量[10]。

鋼彈簧浮置板、減振墊浮置板及浮置式梯形軌枕的工料機綜合造價在普通軌道基礎(chǔ)上分別需增加1 200～1 400、700～800、600～700萬元/km。其中，鋼彈簧浮置板及減振墊浮置板除隔振元件的造價外，鋼筋混凝土材料、施工機具及人工的造價也較高。如中量級鋼彈簧浮置板成本（1200萬元/km）包括了隔振元件（800萬元/km）、鋼筋混凝土材料及施工造價（400萬元/km），浮置式梯形軌枕則主要增加了減振部件的采購成本，施工成本增加較少，可由節(jié)省的普通軌枕及道床混凝土抵扣。

4 小結(jié)及展望

經(jīng)過此前10多年來“引進—消化吸收—再創(chuàng)新”的發(fā)展，浮置軌道的類型越來越豐富，設(shè)計及施工技術(shù)和經(jīng)驗不斷積累，性能越來越可靠，在我國地鐵減振降噪領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。

未來一個時期，隨著各城市地鐵運營規(guī)模不斷擴大，以及城市軌道交通向市郊、市域拓展，設(shè)計速度不斷提高，浮置軌道技術(shù)的發(fā)展主要有兩個重點方向，一是運營線浮置軌道的高效檢查維修技術(shù)，二是設(shè)計速度≥140 km/h線路的浮置軌道系統(tǒng)設(shè)計及安全可靠性保障技術(shù)。

[1] 南寧軌道交通集團有限責(zé)任公司. 橡膠浮筏板減振軌道系統(tǒng)及實時監(jiān)測技術(shù)研究報告[R].南寧, 2016: 15-20.

Nanning Rail Transit Co., Ltd. Research Report of rubber isolator floating vibration damping track and real time monitoring technology[R]. Nanning, 2016: 15-20.

[2] 浮置板軌道技術(shù)規(guī)范: CJJ/T 191—2012 [S]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2012.

Technical code for floating slab track: CJJ/T 191—2012 [S]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2012.

[3] 唐俊, 程桂芝. 城市軌道連續(xù)-現(xiàn)澆-金屬彈簧隔振器式浮置板道床施工工藝探討[J]. 地鐵與輕軌, 2003, 16(6): 22-25.

TANG Jun, CHENG Guizhi. Discussion on construction technology of urban track continuous cast-in-place metal spring vibration isolator floating slab[J]. Subway and light rail, 2003, 16(6): 22-25.

[4] 楊惠喜. 提升軌道交通減振綜合設(shè)計水平的探討[J]. 山西建筑, 2014, 40(33): 147-150.

YANG Huixi. Discussion on improving comprehensive design level of vibration reduction for rail transit[J]. Shanxi architecture, 2014, 40(33): 147-150.

[5] 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.

LIAN Songliang, LIU Jiahua. The selection of low vibra-tion and noise track structure for urban rail transit[J]. Urban mass transit, 2003, 6(3), 35-41.

[6] 孫京建, 曾向榮, 任靜. 地鐵減振存在的問題分析及建議[J]. 都市快軌交通, 2012, 25(4): 94-97, 115.

SUN Jingjian, ZENG Xiangrong, REN Jing. Analysis and advice on metro vibration attenuation[J]. Urban rapid rail transit, 2012, 25(4): 94-97, 115.

[7] 王建立, 張斌, 王建, 等. 鋼彈簧浮置板浸水對其減振效果及振動傳遞的影響[J]. 都市快軌交通, 2015, 28(4): 100-105.

WANG Jianli, ZHANG Bin, WANG Jian, et al. Impact on vibration control effect and vibration transmission when steel spring flaating slab track is soaked in water[J]. Urban rapid rail transit, 2015, 28(4): 100-105.

[8] 同濟大學(xué)城市軌道與鐵道工程系. 浮置板軌道結(jié)構(gòu)的減振降噪效果測試車內(nèi)外噪聲測試報告[R]. 上海, 2007(10): 32-40.

Department of Urban Track and Railway Engineering, Tongji University. Test results of vibration and noise reduction of floating slab track structure[R]. Shanghai, 2007(10): 32-40.

[9] 井恒法. 地鐵不均勻沉降地段的軌道類型比選分析[J]. 山西建筑, 2014, 40(11): 142-144.

JING Hengfa. Analysis of track types in uneven settlement of Metro[J]. Shanxi architecture, 2014, 40(11): 142-144.

[10] 朱勇堅. 從施工及維修角度分析軌道減振措施的取舍[J]. 中小企業(yè)管理與科技, 2014(7): 102-104.

ZHU Yongjian. The selection of track damping measures is analyzed from the point of view of construction and maintenance[J]. Management & technolosy of SME, 2014(7): 102-104.

（編輯：郝京紅）

Comparative Analyses of Several Typical Metro Vibration Damping Floating Tracks

ZHAO Zhoubin

(Nanning Rail Transit Co., Ltd., Nanning 530029)

This paper classifies the various floating track vibration-reduction technologies into steel spring floating slab, damping pad floating slab, rubber vibration isolator floating slab, and ladder sleeper, which are used in domestic metro engineering, according to their grade, vibration isolation element, pouring method, and prestress condition, and then, compares and analyzes their individual technical characteristics, to provide references for better selection under different engineering conditions. This paper also presents several key points and proposals for type selection and design of a floating track, including the difference between theoretical and actual vibration damping effects, difference between vibration damping effect and noise reduction effect, suitability of typical unfavorable engineering conditions, and comprehensive cost accounting, and then discusses two development directions of efficient inspection and maintenance technology for the floating track of the future operation line and the system design and security assurance technology for a floating track of ≥140 km/h.

metro; track; vibration damping; noise-reduction; vibration isolator; damping pad; floating slab; ladder sleeper

U231

A

1672-6073(2018)02-0102-06

10.3969/j.issn.1672-6073.2018.02.017

2017-05-10

2017-05-22

趙紂斌，男，本科，工程師，從事城市軌道交通軌道工程建設(shè)管理工作，zzb2301@126.com