地鐵車輛段上蓋物業(yè)開發(fā)綜合減振降噪措施

吳 青 松

(1.中交城市軌道交通設計研究院有限公司，湖北 武漢 430056； 2.中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430056)

0 引言

隨著城市化進程的不斷發(fā)展，TOD發(fā)展模式應運而生。在城市軌道交通建設中，地鐵車輛段一般占地約20 ha～40 ha，主要特點有占地面積大、投資規(guī)模大、土地集約利用效率低。隨著城市的發(fā)展，城市土地資源愈顯珍貴，對建設用地的綜合利用是城市發(fā)展的必然選擇。國務院關于城市優(yōu)先發(fā)展公共交通的指導意見(國發(fā)[2012]64號)明確提出要加強公共交通用地綜合開發(fā)。為了響應國家號召、適應城市發(fā)展的需要，國內越來越多的地鐵車輛段選擇TOD上蓋物業(yè)開發(fā)，以土地出讓、二級開發(fā)的形式增加收益，為建設和運營提供資金。根據(jù)車輛段與地面的相對關系，車輛段上蓋物業(yè)開發(fā)分為地毯模式、地下掩土模式和高架模式[1,2]。隨著生活品質不斷提升，對車輛段減振降噪要求越來越高，設計建設階段和運營維護階段需充分考慮綜合減振降噪。

1 振動和噪聲來源及傳播路徑

列車行駛過程中，輪軌系統(tǒng)相互作用引起的噪聲主要有沖擊噪聲、滾動噪聲和摩擦噪聲。大量研究結果表明，列車在通過鋼軌接頭、固定轍叉“有害空間”、軌道不平順和小曲線半徑時，列車輪對與鋼軌之間產生沖擊振動是車輛段振動噪聲超標的根源。車輛段內輪軌相互作用區(qū)域劃分[3]如表1所示。

表1 車輛段振動噪聲源分布表

輪軌沖擊振動經過軌枕、道床、下部基礎等固體媒介傳播，并通過地層傳播到周圍建筑中，誘發(fā)鄰近建筑物的振動及二次噪聲，對建筑物的結構安全、日常工作生活產生影響。不同上蓋物業(yè)開發(fā)模式振動傳播路徑[4]略有不同，均位于車輛段正上方或正下方。盡管列車在車輛段內空載、低速運行，但振動傳遞路徑短、衰減小，對庫區(qū)上蓋建筑影響較大，是上蓋物業(yè)開發(fā)的重要制約因素；此外車輛段早發(fā)車、晚收車，振動噪聲的影響時段相比運營時間更長，人們對于列車運行產生的振動噪聲更為敏感。為了降低列車運行對環(huán)境的不利影響，在進行上蓋物業(yè)開發(fā)的規(guī)劃設計、運營維護時，需充分考慮列車運行產生的振動噪聲影響，根據(jù)不同區(qū)域列車運行特點、結構特點，綜合選取減振降噪措施。

2 軌道減振降噪措施

輪軌作用是車輛段振動噪聲主要噪聲源之一，軌道減振是從源頭控制，方法直接、效果好，長期以來是減振降噪的主要措施。針對不同軌道部件，有鋼軌減振、扣件減振和道床減振措施[5]。

1)鋼軌。

鋼軌為輪軌作用的載體，其平順性直接影響輪軌作用力大小，可考慮采用無縫線路，消滅鋼軌接頭，提升軌道平順性，降低輪軌沖擊振動噪聲。為抑制和衰減鋼軌振動，目前有鋼軌振動阻尼吸振器、懸掛式鋼軌吸振器、調諧質量阻尼系統(tǒng)(TMD)。鋼軌振動阻尼吸振器通過在鋼軌軌顎、軌腰和軌底上設置高阻尼橡膠復合板，使振動得到衰減，達到減振降噪目的。鋼軌吸振器是阻尼彈簧系統(tǒng)，根據(jù)裝置點共振頻率，產生較高的機械阻抗，從而抑制鋼軌振動。調諧質量阻尼系統(tǒng)通過調整吸振器質量和橡膠彈性，改變吸振器固有頻率，起到調諧作用，吸收振動能量。此外，還可以采用重型鋼軌以增加參振質量，相比50 kg/m鋼軌，采用60 kg/m鋼軌可降低約10%的鋼軌振動頻率及幅射噪聲水平[6]。綜上，對于上蓋物業(yè)開發(fā)來說，設計時選用60 kg/m鋼軌和無縫線路，能更好的從源頭上降低輪軌噪聲。

2)減振扣件。

減振扣件通過降低軌道的機械阻抗，減小振動傳遞、降低二次噪聲。根據(jù)彈性的大小進行分類。一般彈性減振扣件包含軌下和鐵墊板下彈性墊，通過調整其剛度對扣件彈性進行調整，主要有WJ-2型、DTⅢ型彈性扣件。中等彈性減振扣件主要有Lord扣件、Z系列扣件，其中Z系列扣件通過設計雙層非線性彈性墊板以降低系統(tǒng)剛度和提高結構阻尼，控制二次噪聲和振動，減振效果約5 dB，在國內應用較多。高彈性減振扣件主要有軌道減振器扣件、先鋒扣件。軌道減振器采用硫化工藝將橡膠圈與承軌板及底座粘結，充分利用橡膠剪切變形能力，減振效果較一般扣件高5 dB左右。先鋒扣件將鋼軌懸撐，其減振效果可達10 dB以上，由于造價較高、穩(wěn)定性差和易產生波磨等原因，在國內使用較少。

3)減振道床。

有砟軌道使用道砟墊降低軌道剛度，減輕輪軌相互作用，降低軌道振動噪聲；無砟軌道則采用浮置板隔振軌道結構，通過插入固有振動頻率遠低于激振頻率的線性諧振器，形成質量—彈簧體系，使振動能量衰減后再傳遞給下部結構，達到減振目的。浮置板隔振軌道結構具體可分為橡膠浮置板、鋼彈簧浮置板、浮置板有砟軌道。橡膠浮置板初期減振效果可達10 dB～15 dB，但橡膠老化后減振效果不理想，不易檢修更換。鋼彈簧浮置板用鋼彈簧隔振器替代橡膠支座，還可安裝與螺旋彈簧并聯(lián)的粘滯阻尼器，具有固有頻率低、隔振效果好、使用壽命長、方便維修等優(yōu)點，減振效果可達25 dB～30 dB，是目前特殊減振地段首選措施。浮置板有砟軌道是有砟軌道和浮置板的結合，如圖1所示，在浮置板型上設置道砟槽，輪軌作用經過道砟和浮置板雙重減振，是目前減振降噪性能最好的軌道結構，缺點是軌道結構剛度較高、自重大，相應的造價也較高。

3 設計建設綜合減振降噪措施

車輛段上蓋物業(yè)開發(fā)減振降噪通常是一項復雜的系統(tǒng)工程，涉及振源控制、振動傳播途徑控制、受振體控制，需線路車輛、軌道、結構等相關專業(yè)協(xié)同配合。現(xiàn)以佛山2號線車輛段采取的綜合減振降噪措施進行說明。佛山2號線車輛段定位為線網(wǎng)性車輛大架修基地，承擔2號線列車的大架修、定修、臨修任務，以及列車的停車列檢、雙周/三月檢任務。車輛段開發(fā)模式為地下掩土模式，車輛段大庫共2層，1層為架空車庫，2層為軌道交通停車場。庫區(qū)上蓋規(guī)劃建設2排共20棟33層居民樓，咽喉區(qū)北側共規(guī)劃建設1排10棟居民樓，西側咽喉區(qū)上方規(guī)劃建設學校，東側咽喉區(qū)以及庫區(qū)南側規(guī)劃商業(yè)建筑。整個上蓋建筑的規(guī)劃融合了TOD概念。

3.1 綜合減振措施

針對不同區(qū)域輪軌噪聲特點，采取相應的減振降噪措施。

1)庫外線。

咽喉區(qū)軌縫多、小半徑曲線多、列車運行速度較快，輪軌沖擊振動較強，振動經樓板、柱體傳至上蓋建筑物內，引發(fā)二次結構噪聲。為了降低振動對上蓋建筑的影響，咽喉區(qū)與庫區(qū)通過設置結構變形縫，延長振動傳播距離，設置結構變形縫后傳遞路徑為：水平傳至框架柱，豎向傳遞至土層，經土層衰減作用后，水平傳遞一定距離至庫區(qū)框架柱，豎向傳遞至建筑物。此外，還要求樓板固有頻率避開列車振動荷載主頻范圍，防止發(fā)生共振[12]。

除上述結構減振措施外，根據(jù)咽喉區(qū)距離上蓋建筑物距離及建筑物使用環(huán)境，對軌道采取針對性的減振措施。西側入段線終點里程至上蓋學校東側30 m位置，由于距離學校較近、行車速度高，咽喉區(qū)設置橡膠浮置板或鋼彈簧浮置板；西側牽出線距離上蓋建筑物20 m內，設置橡膠浮置板或鋼彈簧浮置板，其余位置設置普通扣件或減振扣件；東側咽喉區(qū)因設置有變形縫，傳遞距離大于20 m，線路采用減振墊方案，僅輪軌作用較強的交叉渡線采用鋼彈簧浮置板。

2)庫內線。

運用庫內線路列車運行速度較慢，距離上蓋建筑較近，對上蓋建筑物影響較大。列檢線最北側股道距建筑物外墻為2.6 m，雙周/三月檢線距建筑外墻5.6 m。根據(jù)《地鐵設計規(guī)范》對檢查坑的規(guī)定，對隔振支座浮置結構進行設計，如圖2所示。列檢線、雙周/三月檢線距離上蓋建筑最小水平距離小于20 m時，采用隔振支座浮置結構和減振扣件的綜合減振措施；大于20 m時，采用隔振支座浮置結構。

檢修庫內線路上蓋建筑物是菜市場和2層商業(yè)建筑，對振動噪聲的耐受度較高；距離南側上蓋居民樓40 m。由于列車速度低，且與南側上蓋建筑之間設有變形縫，振動傳遞路徑較長，對上蓋建筑物影響較小，采用減振扣件或普通扣件。

試車線位于高架結構上，距離上蓋學校最近5 m，距離上蓋建筑最近4.7 m，但建筑物均位于試車線盡端位置，列車速度較慢，輪軌沖擊稍小，綜合考慮在試車線兩端距離建筑物20 m范圍內采用鋼彈簧浮置板或橡膠浮置板。試車線中段列車速度較快，輪軌沖擊較強，但距離上蓋建筑物較遠，傳遞路徑長、影響較小，采用減振扣件或普通扣件。

洗車線、鏇輪線、走行線、聯(lián)絡線等線路列車少、運行速度低，因距離建筑物較近且無結構縫，振動噪聲傳遞路徑較短，對上蓋影響大。洗車線位于建筑外墻正下方，采用鋼彈簧浮置板或橡膠浮置板；走行線、聯(lián)絡線、鏇輪線距離上蓋建筑稍遠，采用減振扣件或道砟墊。

3)庫內設備。

庫內設備中，橋式起重機引起的振動最為顯著，其主要特點是使用頻次高、速度慢、啟動制動頻繁等。由于檢修庫位于上蓋建筑物南側，兩者之間設置有變形縫，采取無縫鋼軌、減振型壓軌器等措施。

3.2 降噪措施

在車輛段范圍內，降噪主要措施是安裝吸聲材料和消聲器。對于上蓋建筑北側的不落輪鏇庫，采取降噪封閉措施和噪聲漏泄檢查。

4 運營維護綜合減振降噪措施

減振降噪控制措施中，振動傳播途徑在設計中明確、建設完成后就基本定型；而振源控制受服役狀態(tài)的影響，在運營過程中需要持續(xù)關注。

當發(fā)生車輪不圓順、軌道病害時，輪軌相互作用急劇增大，過大的輪軌作用會使軌道結構過早的發(fā)生損壞。運營過程中，應及時進行維護，可分別從軌道結構狀態(tài)和車輪狀態(tài)進行控制。軌道結構在列車荷載循環(huán)往復作用以及環(huán)境等因素的共同作用下，軌道結構不可避免的發(fā)生病害。通過養(yǎng)護維修，使軌道結構始終處于質量均衡、設備有序的可控狀態(tài)。當鋼軌發(fā)生波形磨耗、剝離掉塊等，應及時對鋼軌進行打磨；線路發(fā)生軌道不平順，應及時對線路進行精調，恢復線路平順狀態(tài)。當有砟道床發(fā)生道砟粉化、道床板結等病害，應及時進行清篩、補砟，改善道床彈性。當減振道床主要減振器元器件失效、老化，應及時進行更換。當車輪發(fā)生扁疤、車輪多邊形化等不圓順時，應定期對車輪進行鏇修。

5 結語

通過對車輛段設計建設階段和運營維護階段綜合減振降噪措施進行探討，得到如下結論：

1)綜合考慮軌道結構特點、運行速度、振動傳遞路徑及距離上蓋建筑物距離等因素，采取軌道減振、結構減振措施，將輪軌沖擊振動影響降至允許范圍。

2)軌道減振是振源控制措施，可根據(jù)不同減振需求采用鋼軌減振、扣件減振和道床減振措施。

3)結構減振為傳播途徑控制措施，可通過設置結構變形縫來延長振動傳遞路徑；樓板固有頻率應避開列車振動荷載主頻范圍，防止發(fā)生共振。

4)運營維護中應加強振源控制，及時對車輪、軌道病害進行維修，保證軌道平順、輪軌作用平穩(wěn)。

參考文獻:

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[4] 楊 寧.車輛段上蓋物業(yè)開發(fā)綜合減振降噪措施[J].山西建筑,2015,41(4):127-129.

[5] 同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院.林岳車輛段綜合減振降噪研究報告[R].2018.

[6] 呂 萍.城市輕型軌道交通噪聲環(huán)境影響及實例研究[D].長春：吉林大學,2004.