地鐵鋼軌減振扣件應(yīng)用案例研究
——以北京地鐵8號線平西府車輛段減振方案為例

高一軒，肖中嶺，張語通

（京投科技（北京）有限公司，北京 102208）

地鐵在運行時產(chǎn)生的振動是普遍存在的問題，很多國家都已出現(xiàn)由于列車振動和噪聲而引起居民對其影響生活的投訴并且對沿線建筑物產(chǎn)生破壞[1]。近年來，在土地資源緊缺及高效利用的大背景下，軌道物業(yè)開發(fā)已是房地產(chǎn)行業(yè)的重要發(fā)展方向之一，而軌道環(huán)境振動治理是關(guān)系成敗的一項重要內(nèi)容，也是業(yè)主能否安居樂業(yè)的重要指標。在城市軌道交通大發(fā)展時期，環(huán)保及居民的需求對減振行業(yè)提出了更高的要求。因此，如何有效地控制和降低軌道交通引起的環(huán)境振動，具有重要的科研價值和現(xiàn)實意義。

國內(nèi)外學(xué)者對于地鐵的振動問題，在現(xiàn)場測試及數(shù)值計算研究方面做了大量工作，取得了一定成果。Melke和Kraemer提出了分析現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)的方法[2]；Thiede和Natke利用有限元和黏滯邊界條件研究了地鐵隧道壁厚度的變化對地面振動的影響[3]；劉維寧等建立“車輛一軌道基礎(chǔ)”和“襯砌結(jié)構(gòu)一地層系統(tǒng)”空間有限元模型，得出離開隧道軸線一定距離存在1個振動放大區(qū)，并存在1個地層響應(yīng)的主要頻帶等結(jié)論[4]；夏禾等通過鐵路橋梁和鐵路線路附近的2次現(xiàn)場試驗，研究列車對周圍地面和鄰近建筑物的振動影響[5]；潘昌實等利用導(dǎo)出的列車振動荷載，建立二維有限元、有限元與無限元耦合模型等，對其振動響應(yīng)進行驗證研究[6]；閆維明等對某地鐵交通1號線沿線典型區(qū)段引起的環(huán)境振動實況、振動特性及傳播規(guī)律等進行了分析研究[7]。但以上研究都沒有針對地鐵車輛段庫內(nèi)線減振措施進行具體研究。

本文通過查閱文獻，調(diào)查分析目前國內(nèi)外鋼軌減振扣件的研究現(xiàn)狀，以北京市地鐵8號線平西府車輛段庫內(nèi)線減振方案為例，對該車輛段上蓋物業(yè)開發(fā)項目的情況進行簡要介紹，分析該車輛段項目擬解決的振動問題及減振扣件選用時面臨的主要問題，對適用于地鐵車輛段庫內(nèi)線的JT-KJ-1B型減振扣件做了詳細介紹。

1 國內(nèi)學(xué)者減振扣件研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)學(xué)者對地鐵正線上應(yīng)用的鋼軌減振扣件研究較多，但對國內(nèi)關(guān)于地鐵車輛段庫內(nèi)線的減振措施鮮有研究。

耿傳智等人對地鐵彈性扣件軌道建立了落軸沖擊仿真模型，分析了不同結(jié)構(gòu)在落軸沖擊作用下的動力響應(yīng)，得出結(jié)論為軌道結(jié)構(gòu)自振頻率隨扣件剛度的降低而減小[10]。

朱劍月建立了扣件支承完全失效的軌道模型，利用軌道剛度沿縱向發(fā)生突變模擬扣件失效，計算正常狀態(tài)和若干個連續(xù)扣件支承失效后系統(tǒng)響應(yīng)。結(jié)果表明，扣件失效后，輪軌相互作用增強，且影響前后相鄰軌道的動力響應(yīng)，形成長范圍軌道不平順[11]。

王文斌等人對北京市地鐵5號線宋家莊至劉家窯區(qū)段換扣件前后列車運營引起的地面加速度進行頻譜分析。研究團隊建立軌道一隧道一土層結(jié)構(gòu)三維有限元模型，研究垂直地鐵線路方向不同距離的振動響應(yīng)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著距地鐵隧道中心線路距離的增加，振動呈衰減趨勢。在距離隧道軸線一定距離處，存在地面振動加速度放大區(qū)，且水平和垂向振動加速度放大區(qū)的位置有所不同[12]。

高彈性減振扣件類是依靠橡膠的壓縮變形來吸收振動的，例如耿傳智等研制的板式減振型鋼軌扣件[13]、范佩鑫開發(fā)的自鎖式軌道雙層減振降噪扣件和軌道雙層非線性減振降噪扣件[14、15]、吳建忠等設(shè)計的減振彈性分開式扣件和一種新型減振扣件[16、17]。鄧嬌等人對一種用于北京市地鐵5號線的Ⅲ型軌道減振器進行設(shè)計、有限元分析、動靜剛度及疲勞試驗，得出Ⅲ型軌道減振器減振性能較好的結(jié)論[18]。

2 北京地鐵8號線平西府車輛段庫內(nèi)線減振方案研究

2.1 平西府車輛段上蓋物業(yè)開發(fā)項目概況

北京市地鐵8號線平西府車輛段進行的公園悅府上蓋物業(yè)開發(fā)項目，其軌道線路分布情況和建筑規(guī)劃分別見圖1、圖2。其中，車庫正上方蓋上建筑物的設(shè)計圖和立體效果圖分別見圖3、圖4。從圖中可見，蓋上建筑物是直接落在平臺上，依靠庫內(nèi)的承力柱進行支撐建設(shè)的。

2.2 平西府車輛段項目擬解決的主要問題

根據(jù)平西府車輛段上蓋物業(yè)開發(fā)的環(huán)評報告，即《北京市昌平區(qū)東小口鎮(zhèn)住宅混合公建用地（配套公共租賃住房）項目環(huán)境影響報告書》指出，平西府蓋上建筑物存在噪聲超標的可能性，提出的振動治理措施為在庫內(nèi)采用高等級減振扣件。

圖1 平西府車輛段的地鐵線路分布圖

圖2 平西府車輛段的物業(yè)開發(fā)規(guī)劃圖

圖3 平西府車輛段庫上建筑物設(shè)計圖

圖4 平西府車輛段庫上建筑物立體效果圖

平西府車輛段原扣件采用的DJK5-1普通扣件見圖5。

圖5 平西府車輛段庫內(nèi)線現(xiàn)場

北京市勞動保護科學(xué)研究所前期對平西府蓋上建筑物進行了實測，測試結(jié)果表明蓋上建筑物存在較為嚴重的噪聲超標現(xiàn)象，即：按照《城市區(qū)域環(huán)境振動標準》（GB 10070—88），最大超標量為5.4dB。按照《城市軌道交通引起建筑物振動與二次輻射噪聲限值及其測量方法標準》（JGJ/T 170—2009），最大超標量為14.1dB。因此，平西府上蓋物業(yè)開發(fā)的項目公司擬執(zhí)行環(huán)評報告相關(guān)內(nèi)容，利用高等級減振扣件對庫內(nèi)線進行更換。

2.3 平西府庫內(nèi)線減振扣件選用中的主要問題

2.3.1 安裝要求及其相應(yīng)問題

平西府車輛段已經(jīng)投入使用，為減少對正常運營的影響，應(yīng)避免工程量大、耗時長的軌枕更換，宜直接將現(xiàn)有的DJK5-1扣件拆除后，在現(xiàn)有的軌枕和錨釘上進行減振扣件換裝。

目前已有的各種減振扣件都有自身的軌枕尺寸和錨釘安裝位置，無法在平西府直接進行安裝使用，且都涉及金屬件和非金屬件的尺寸和參數(shù)調(diào)整，一旦尺寸和參數(shù)調(diào)整了，就不能簡單直接地當成安全可靠的產(chǎn)品進行使用，就需等同于新型扣件，需嚴謹、全面而系統(tǒng)地就安全性和隔振性能進行重新的技術(shù)鑒定和技術(shù)評估。

2.3.2 安全性要求及其帶來的相應(yīng)問題

扣件是保障行車安全性的重要元件，每個扣件的節(jié)點處鋼軌橫向位移約束、垂向位移約束和翻轉(zhuǎn)位移約束都是由扣件提供和保障的。實踐經(jīng)驗表明，扣件的任何零部件在實際使用中都有斷裂或損壞的可能，為此，絕大部分扣件都具有如下功能：任何一個零件斷裂或損壞，鋼軌橫向位移約束、垂向位移約束和翻轉(zhuǎn)位移約束都不會全部喪失，例如，普通的 DTVI-2 扣件的彈條斷裂后，扣件仍具有一定的橫向位移約束和垂向位移約束能力。絕大部分扣件擁有的這一屬性有利于行車安全性。

因此，對于安全性要求更高的平西府庫內(nèi)減振扣件，在扣件結(jié)構(gòu)形式和產(chǎn)品類型上，應(yīng)盡量避免采用單一零件斷裂或損害就會讓扣件節(jié)點處鋼軌橫向位移約束、垂向位移約束和翻轉(zhuǎn)位移約束全部喪失的扣件類型。

2.3.3 隔振性要求及其帶來的相應(yīng)問題

平西府庫內(nèi)軌道振動特點：1）工況特點。平西府庫內(nèi)列車的實際工況為，列車在空車狀態(tài)下，出庫時是緩慢加速狀態(tài)，入庫時是緩慢減速狀態(tài)，最大車速小于15km/h。這一工況與正線有較大差異，在這一特殊工況下，已有的減振扣件到底具有多大的隔振能力，由于前期缺乏實際案例而難以準確評估。2）振動傳播特點。平西府蓋上建筑物的振動傳播途徑為：輪軌振動傳遞到道床后，直接由立柱向上傳遞到建筑物。相比于正線周邊建筑物的振動傳播途徑，這一傳播途徑不僅少了泥土的振動衰減環(huán)節(jié)，而且建筑與軌道的距離更近。

針對這一獨特的傳播特性，由于缺乏前期實踐經(jīng)驗和測試數(shù)據(jù)，因而很難簡單地用一個總的隔振量去評估哪種扣件能滿足要求，而需綜合考慮經(jīng)過列車后各頻率成分的大小，以及各頻率成分在振動傳播中各自的衰減特性后才能估出什么樣的扣件能讓建筑物達標。

總體而言，對于平西府庫內(nèi)這類缺乏前期實際案例和數(shù)據(jù)積累的隔振問題，涉及專項研制或者專項評估以及現(xiàn)場試用等問題。這之前，就算對于熟知的已有減振扣件，也很難準確地認為其能夠達到多少分貝的隔振量，能讓建筑物達到什么樣隔振效果。

2.3.4 軌枕間距現(xiàn)狀及其帶來的相應(yīng)問題

平西府庫內(nèi)線前半段為檢查坑，軌枕間距約為1.4m，后半段是停車線，軌枕間距為0.65m。這表明在列車經(jīng)過時，檢查坑單個扣件承受的載荷遠大于停車線上的扣件，粗略計算二者數(shù)值超過2倍。這一實際情況帶來兩個問題：1）針對1.4m 軌枕間距情形，目前尚沒有成熟的減振產(chǎn)品可選用，涉及保障安全性下的專項設(shè)計問題；2）目前軌枕是固定的，在軌枕間距固定不變情況下，如何對兩種扣件的剛度進行銜接的問題顯得尤為突出。

兩種軌枕間距這一實際現(xiàn)狀讓平西府庫內(nèi)線減振扣件的更換問題成了難題，需進行專項設(shè)計和專項的安全性和隔振性能評估。

2.4 JT-KJ-1B庫內(nèi)減振扣件簡介

針對平西府車輛段庫內(nèi)線隔振需求而研發(fā)的JT-KJ-1（A、B）型高等級壓縮型減振扣件，主要由浮置鐵墊板、橡膠隔振墊板、底座鐵墊板、自潤滑側(cè)板、彈性側(cè)板等構(gòu)成。該扣件具備如下特征：1）可直接利用現(xiàn)有的軌枕和錨釘孔進行安裝；2）各項指標滿足軌道安全性要求；3）兩種型號分別適用于0.65m和1.4m軌枕間距情形下的隔振需求，并在兩種軌枕間距不變情況下，解決了二者之間的銜接問題；4）已在第三方檢測機構(gòu)完成安全性、隔振性和使用壽命等技術(shù)鑒定工作，鑒定結(jié)果達標。

扣件組裝完成后通過浮置鐵墊板與底座鐵墊板之間的橡膠隔振墊版提供垂向彈性、通過彈性側(cè)板提供橫向彈性，從而實現(xiàn)了垂向及橫向減振。與普通彈性扣件相比，其庫內(nèi)減振效果可達8～10dB。

JT-KJ-1B庫內(nèi)減振扣件成功應(yīng)用于平西府車輛段庫內(nèi)線試驗段扣件改造工程，獲得了顯著的社會效益和經(jīng)濟效益，提升了軌道隔振領(lǐng)域的科研實力和技術(shù)水平。JT-KJ-1B庫內(nèi)減振扣件見圖6；JT-KJ-1B庫內(nèi)減振扣件現(xiàn)場見圖7。

圖6 JT-KJ-1B庫內(nèi)減振扣件

圖7 JT-KJ-1B庫內(nèi)減振扣件現(xiàn)場

3 結(jié)語

通過調(diào)查目前國內(nèi)外專家學(xué)者對地鐵鋼軌減振扣件的基本研究情況，以北京市地鐵8號線平西府車輛段庫內(nèi)線減振方案為例，對平西府車輛段上蓋物業(yè)開發(fā)項目情況進行了簡要介紹，分析了平西府車輛段項目擬解決的振動問題及減振扣件選用時面臨的主要問題，介紹了適用于地鐵車輛段庫內(nèi)線的鋼軌減振扣件，總結(jié)了現(xiàn)階段減振扣件研究取得的成果。

隨著軌道交通的不斷發(fā)展，其振動噪聲影響不斷凸顯，各國針對軌道減振都做了大量工作，采取了眾多的軌道減振措施。近年來，我國學(xué)者通過結(jié)構(gòu)動力學(xué)、有限元、試驗分析等方法，對眾多軌道減振措施進行研究.合理設(shè)計軌道各元件的剛度、阻尼等參數(shù)及不同減振措施間的組合，取得了顯著的減振效果，為軌道減振措施的發(fā)展應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。