談成都軌道交通18號(hào)線工程減振扣件設(shè)計(jì)方案

杜華楊

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

1 概述

隨著市域快速軌道交通工程日益增多，同時(shí)市民群眾生活水平的提高，環(huán)保意識(shí)加強(qiáng)，地鐵運(yùn)營中所產(chǎn)生的振動(dòng)越來越受到重視。為綜合治理列車運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)影響，在市域快速軌道交通工程中必須考慮采用有效的減振措施，以保證沿線敏感目標(biāo)的噪聲和振動(dòng)滿足國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。一般情況下，減振等級(jí)根據(jù)環(huán)評(píng)最大振動(dòng)級(jí)的預(yù)測超標(biāo)量分為中等、高等和特殊減振三個(gè)等級(jí)[1]。中等減振主要是采用扣件方式減振，市域快速軌道交通工程較常規(guī)地鐵工程線路設(shè)計(jì)速度高，減振扣件在市域快速軌道交通工程中沒有成熟的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，本文以成都軌道交通18號(hào)線為依托，對(duì)市域快速軌道交通工程減振扣件進(jìn)行設(shè)計(jì)方案研究。

2 工程概況

成都軌道交通18號(hào)線工程起于火車北站，止于臨江站，是服務(wù)于市區(qū)和天府國際機(jī)場之間的市域快速軌道交通線路兼機(jī)場線，復(fù)合了機(jī)場快線和市域快線功能，也是天府新區(qū)連接主城區(qū)并提供快速服務(wù)功能的主要通道。線路沿人民北路、人民中路、人民南路、天府大道往南，經(jīng)火車北站、騾馬市、省體育館、火車南站、孵化園、博覽城后折向東南方向經(jīng)興隆、合江，穿越龍泉山后經(jīng)三岔湖至天府國際機(jī)場。線路全長86.72 km，共設(shè)置18座車站，其中地下站16座，高架站2座，設(shè)停車場和車輛段各1座。

主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：雙線；設(shè)計(jì)速度140 km/h(共線段預(yù)留160 km/h)；市域A型車，8輛編組；單相工頻(50 Hz)，25 kV交流，接觸網(wǎng)供電；最小曲線半徑1 200 m；線路最大縱坡35‰。

3 方案比選

減振扣件一般通過在鋼軌和鐵墊板下設(shè)置橡膠墊等方法實(shí)現(xiàn)減振，主要有雙層非線性減振扣件、Lord型扣件、軌道減振器扣件。

雙層非線性減振扣件[2]通過設(shè)計(jì)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(dòng)，具有整體尺寸緊湊、重量輕的特點(diǎn)，可在廠內(nèi)進(jìn)行預(yù)組裝，也可在現(xiàn)場維修時(shí)局部更換零部件，主要有VIPA與GJ-Ⅲ兩種類型。VIPA扣件已在丹麥、瑞典、馬來西亞等國鋪設(shè)應(yīng)用于160 km/h～180 km/h線路上。GJ-Ⅲ型雙層非線性減振扣件，獨(dú)特的“自鎖結(jié)構(gòu)”解決上、下鐵墊板之間的連接問題，不用螺栓錨固，也不用硫化粘接，能方便地更換失效的中間橡膠墊，大大降低了維護(hù)費(fèi)用，已在廣州、深圳、成都等多地使用。

Lord型扣件[3]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?？奂苯又С袖撥?，下面設(shè)置調(diào)高墊板，通過調(diào)距扣板的齒紋移動(dòng)鐵墊板，利用鐵墊板的長圓孔來實(shí)現(xiàn)扣件調(diào)距。結(jié)構(gòu)尺寸緊湊，其減振效果和減振器扣件相當(dāng)，缺點(diǎn)是橡膠與鐵墊板復(fù)合技術(shù)特殊，需硫化處理，抗橫移剛度較低。在上海、廣州等地有采用。

軌道減振器扣件[4]，也稱“科隆蛋”，把承軌板與鐵座之間用減振橡膠硫化粘結(jié)為整體，利用橡膠圈剪切變形獲得彈性。軌道減振器扣件使鋼軌在車輪荷載作用下有較大的撓曲，從而降低上部結(jié)構(gòu)的力學(xué)阻抗，減小振動(dòng)的激發(fā)。缺點(diǎn)是承軌板抗橫移及扭轉(zhuǎn)剛度較低，在列車的動(dòng)力作用下軌距容易發(fā)生變化，鋼軌波磨現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，而且當(dāng)橡膠制造工藝不良時(shí)容易造成橡膠圈脫落而失效，結(jié)構(gòu)高度較大。在上海、廣州等地使用。

上述三種減振扣件主要運(yùn)用于國內(nèi)常規(guī)城市軌道交通線路，列車運(yùn)行速度不超過120 km/h，軸重不大于16 t。相對(duì)于成都軌道交通18號(hào)線17 t軸重車輛，設(shè)計(jì)速度140 km/h的條件，現(xiàn)有減振扣件不能直接應(yīng)用。綜上可見，市域快速軌道交通工程需充分借鑒地鐵減振扣件方案，同時(shí)目前市域快速軌道交通工程減振扣件未形成標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。

4 成都軌道交通18號(hào)線工程減振扣件設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)原則

軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足安全可靠、先進(jìn)成熟、經(jīng)濟(jì)合理、少維修和易維修、可持續(xù)發(fā)展的原則，具有足夠的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性及高平順性；采取相應(yīng)的減振降噪措施，把地鐵運(yùn)行振動(dòng)、噪聲對(duì)環(huán)境的影響，控制在國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍內(nèi)；扣件結(jié)構(gòu)選型應(yīng)盡可能與成都軌道交通既有線路所采用的型式相一致，使其具有通用性、互換性，以方便維修及運(yùn)營管理。

根據(jù)環(huán)評(píng)報(bào)告要求，減振扣件減振效果需達(dá)到3 dB～5 dB。

4.2 技術(shù)可行性分析

盡管國內(nèi)未見減振扣件用于大于120 km/h線路的成熟案例，但參照VIPA扣件使用經(jīng)驗(yàn)，在更高速度及軸重情況下運(yùn)用減振扣件是可行的。

《城際鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》第10.3.4條規(guī)定“正線無砟軌道應(yīng)根據(jù)線路速度等級(jí)及環(huán)境減振降噪需求合理選用與軌道結(jié)構(gòu)匹配的彈性扣件”，同時(shí)其條文解釋“在減振降噪要求較高地段，為滿足環(huán)保要求，可采用具有更好減振降噪效果的特殊軌道扣件[5]”。因此，從規(guī)范來講，成都軌道交通18號(hào)線采用減振扣件也是可行的。

成都軌道交通既有線路均采用GJ-Ⅲ型雙層非線性減振扣件，為了與既有工程實(shí)現(xiàn)資源共享，同時(shí)方便運(yùn)營維護(hù)，同時(shí)保證減振扣件彈條、螺栓套管、錨固螺栓及釘孔距與正線DZⅢ-3型普通扣件通用的原則，減少建設(shè)施工及運(yùn)營維護(hù)的工作和成本，本線中等減振地段推薦采用雙層非線性減振扣件。

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4.3 關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)

普通地鐵減振扣件剛度一般為14 kN/mm，鋼軌垂向位移限值為3 mm，這一標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過了多條120 km/h速度線路的運(yùn)營檢驗(yàn)，狀態(tài)良好，安全可控。軌道交通既有工程中等減振是通過降低扣件自身剛度來實(shí)現(xiàn)減振，一般來說剛度越低減振效果越好，但過低的扣件剛度勢必引起較大的鋼軌垂向位移，影響行車安全，因此減振扣件的剛度取值為其關(guān)鍵設(shè)計(jì)。

為模擬實(shí)際鋼軌在列車載荷作用下的變形情況，采用有限元軟件，建立120 m長的鋼軌模型，采用梁單元模擬，將扣件簡化為彈簧，選擇不同的扣件剛度，計(jì)算對(duì)應(yīng)剛度下的鋼軌位移，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 鋼軌位移計(jì)算結(jié)果

成都軌道交通18號(hào)線為高品質(zhì)的市域快速軌道交通線路，鋼軌垂向位移不應(yīng)大于1.5 mm[6]，根據(jù)表1的計(jì)算結(jié)果，減振扣件的靜剛度應(yīng)不小于20 kN/mm。

研究表明[7]，以DZⅢ-3型普通扣件(靜剛度為35 kN/mm)為參考，減振扣件靜剛度為22 kN/mm時(shí)，減振效果大于3 dB。

綜上分析，減振扣件靜剛度為22 kN/mm時(shí)，鋼軌垂向位移及減振效果均滿足設(shè)計(jì)要求。

4.4 室內(nèi)試驗(yàn)測試

根據(jù)上述減振扣件方案，在室內(nèi)進(jìn)行減振扣件剛度及縱向阻力測試、疲勞試驗(yàn)、減振性能測試。

按照現(xiàn)場實(shí)際使用工況，對(duì)單個(gè)扣件進(jìn)行組裝成扣件系統(tǒng)。將單個(gè)扣件系統(tǒng)平置于試驗(yàn)機(jī)上，先對(duì)試樣進(jìn)行預(yù)壓。以1 kN/s～2 kN/s的速度垂向加載至80 kN，靜停1 min后卸載，反復(fù)至少兩次，然后進(jìn)行正式試驗(yàn)。以(2±1)kN/s的速度垂向加載，當(dāng)載荷至5 kN和35 kN時(shí)各停留1 min，反復(fù)試驗(yàn)三次記錄鋼軌位移平均值S1,S2。按下式計(jì)算扣件靜剛度K=22.6 kN/mm，符合設(shè)計(jì)要求。

K=30/(S2-S1)。

4.4.2鋼軌縱向阻力測試

鋼軌縱向阻力測試參照TB/T 3396.1規(guī)定進(jìn)行，按標(biāo)準(zhǔn)組裝狀態(tài)用扣件將鋼軌固定在軌枕的一個(gè)承軌面上，將軌枕放在剛性基礎(chǔ)上并予以錨定，測得鋼軌縱向阻力為12.1 kN，符合設(shè)計(jì)要求。

4.4.3疲勞試驗(yàn)

減振扣件組裝疲勞試驗(yàn)參照TB/T 3396.4規(guī)定進(jìn)行，試驗(yàn)荷載參數(shù)根據(jù)18號(hào)線車輛軸重確定。試驗(yàn)加載頻率為4 Hz。經(jīng)300萬次疲勞試驗(yàn)后各零部件無損傷和開裂，疲勞試驗(yàn)前后軌底橫向移動(dòng)量為1.26 mm，單邊軌距擴(kuò)張1.47 mm，鋼軌縱向阻力變化率8.26%，扣件靜剛度變化率6.35%，動(dòng)靜比1.24，鋼軌垂向位移1.48 mm，均符合規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。

4.4.4減振性能測試

減振效果是指雙層非線性減振扣件與DZⅢ-3型普通扣件在相同工況下，軌枕、道床基礎(chǔ)的減振指標(biāo)對(duì)比測試。減振扣件與鋼軌、軌枕、道床組成整體性完好的軌道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，采用落錘試驗(yàn)進(jìn)行測試減振性能[8]。

采用50 kg的落錘，在錘頭和錘體之間墊有10 mm厚的橡膠緩沖墊片，落高為100 mm，自由落下。在鋼軌、軌枕和整體道床兩側(cè)分別布置加速度計(jì)，在錘頭沖擊軌頭的瞬間，測量鋼軌、軌枕及距道床邊緣20 cm的地面振動(dòng)加速度。

在4 Hz～200 Hz頻段范圍內(nèi)減振扣件振動(dòng)強(qiáng)度相對(duì)于DZⅢ-3型普通扣件減少6.11 dB，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語

國內(nèi)主要有雙層非線性減振扣件、Lord型扣件、軌道減振器扣件三種類型減振扣件，本文以成都軌道交通18號(hào)線為依托，通過方案比選，確定18號(hào)線中等減振地段采用GJ-Ⅲ型雙層非線性減振扣件，并對(duì)減振扣件靜剛度這一關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，綜合考慮減振效果與行車安全因素，確定減振扣件靜剛度為22 kN/mm；通過室內(nèi)試驗(yàn)測試可知扣件系統(tǒng)相關(guān)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。其他市域快速軌道交通工程項(xiàng)目減振扣件可根據(jù)其特點(diǎn)綜合比選后參考設(shè)計(jì)。