嵌入式連續(xù)支承軌道系統(tǒng)應(yīng)用研究

史海歐，田 驥，劉小清，羅信偉，劉光勝，楊 剛

（1.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東廣州 510010；2.成都市新筑路橋機(jī)械股份有限公司，四川成都 611430）

1 引言

近年來，軌道交通蓬勃發(fā)展，在給人民出行帶來極大便利的同時也不可避免的給沿線環(huán)境帶來振動、噪聲等影響[1-2]。黨的十九大報告明確指出：永遠(yuǎn)把人民對美好生活的向往作為我們的奮斗目標(biāo)。為此，國家成立了“中央環(huán)保督察組”，開展環(huán)境督查工作，高度重視軌道交通振動噪聲防治問題。

隨著軌道交通技術(shù)進(jìn)步，我國軌道減振降噪技術(shù)通過“引進(jìn)” “吸收” “再創(chuàng)新”，得到長足的發(fā)展。軌道減振通常通過降低軌下支承剛度或采用質(zhì)量彈簧系統(tǒng)的方法，軌道減振措施類型有扣件類、軌枕類和道床類，如圖1所示。但部分減振技術(shù)在應(yīng)用時也引起車內(nèi)噪聲增大等不利情況[3-4]。

圖1 軌道減振措施類型

2 嵌入式軌道

2.1 軌道結(jié)構(gòu)簡介

廣州地鐵14號線嵌入式連續(xù)支承軌道系統(tǒng)（以下簡稱“嵌入式軌道”）采用連續(xù)彈性支承結(jié)構(gòu)，為預(yù)制板式無砟軌道結(jié)構(gòu)。自下而上為隧道壁、混凝土底座、砂漿調(diào)整層、預(yù)制軌道板、槽內(nèi)彈性約束結(jié)構(gòu)和鋼軌，道床結(jié)構(gòu)如圖2a所示。預(yù)制軌道板上預(yù)留縱向U形承軌槽，承軌槽內(nèi)安裝彈性約束結(jié)構(gòu)。彈性約束結(jié)構(gòu)包括鋼軌下連續(xù)鋪設(shè)的彈性墊板、鋼軌軌腰兩側(cè)的調(diào)軌組件和降噪塊，承軌槽內(nèi)其他空間被彈性材料填充，彈性約束結(jié)構(gòu)如圖2b所示。

圖2 廣州地鐵14號線嵌入式軌道結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 地鐵線路應(yīng)用

廣州地鐵14號線率先在地鐵線路中建設(shè)嵌入式軌道段，如圖3所示，應(yīng)用地段分為2處，一段在知識城站附近（直線），設(shè)計(jì)最大通過速度120 km/h；一段在鎮(zhèn)龍車輛段出段線（R305 m），設(shè)計(jì)最大通過速度40 km/h。

圖3 嵌入式軌道應(yīng)用概況

3 結(jié)構(gòu)服役性驗(yàn)證

為驗(yàn)證分析嵌入式軌道減振降噪能力、雜散電流防治效果、日常維護(hù)頻次，分別在運(yùn)營初期（2017年）以及運(yùn)營2年后（2019年）對嵌入式軌道性能進(jìn)行跟蹤測試。

3.1 振動噪聲測試

3.1.1 車輛動力學(xué)性能測試

根據(jù)規(guī)范UIC 518 Testing and approval of railway vehicles from the point of view of their dynamic behaviour-Safety-Track fatigue-Running behaviour[5]、GB 5599-85《鐵道車輛動力學(xué)性能評定及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》[6]、UIC 513 Guidelines for evaluating passenger comfort in relation to vibration in railway vehicles[7]對車輛的安全性、穩(wěn)定性、平穩(wěn)性、舒適性進(jìn)行測試與評價，評價結(jié)果如表1所示。

表1 車輛動力學(xué)性能測試評價結(jié)果

3.1.2 軌道系統(tǒng)振動測試

依據(jù)規(guī)范GB 10071-88《城市區(qū)域環(huán)境振動測量方法》[8]、DB11/T 838-2019《地鐵噪聲與振動控制規(guī)范》[9]對不同形式軌道（線形、軌道狀態(tài)基本一致）的隧道壁振動加速度進(jìn)行Z振級頻譜測試與分析?，F(xiàn)場測點(diǎn)情況如圖4所示。

圖4 線路測試測點(diǎn)布置情況

嵌入式軌道與普通扣件式軌道、GJ-III型減振扣件式軌道在運(yùn)營2年后，在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定位置的隧道壁位置1 ～80 Hz范圍內(nèi)垂向振動加速度Z振級頻譜對比如圖5所示。將Z振級疊加成總值，如表2所示。

圖5 三分之一倍頻程隧道壁振動加速度Z振級頻譜對比

從表2可知：相較于普通扣件式軌道，嵌入式軌道插入損失為12 dB（Z）；嵌入式軌道比GJ-III型減振扣件式軌道的插入損失高4.6 dB（Z）。

表2 嵌入式軌道與普通扣件式軌道隧道Z振級對比dB（Z）

為評估嵌入式軌道結(jié)構(gòu)振動特性隨時間變化衰減情況，分別在線路通車后和線路正常運(yùn)營2年后，對嵌入式軌道結(jié)構(gòu)振動特性進(jìn)行力錘敲擊試驗(yàn)，測試軌道結(jié)構(gòu)頻響情況。測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 嵌入式軌道頻響曲線

測試結(jié)果表明：經(jīng)過2年的運(yùn)營，嵌入式軌道頻響曲線基本一致，無明顯變化。軌道結(jié)構(gòu)一階固有頻率均在139 Hz處，曲線振幅變化較小，嵌入式軌道剛度、阻尼性能基本特性保持良好。

3.1.3 噪聲測試

依據(jù)規(guī)范GB/T 3449-2011《聲學(xué)軌道車輛內(nèi)部噪聲測量》[10]、GB/T 5111-2011《聲學(xué)軌道機(jī)車車輛發(fā)射噪聲測量》[11]、GB 14892-2006《城市軌道交通列車噪聲限值和測量方法》[12]對不同軌道系統(tǒng)中地鐵車輛運(yùn)行時的噪聲進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表3所示。表3分別給出了地鐵列車以60 km/h速度勻速經(jīng)過嵌入式軌道、GJ-III型減振扣件式軌道以及普通扣件式軌道時司機(jī)室及客室各測點(diǎn)噪聲A計(jì)權(quán)聲壓級總值。為更直觀地進(jìn)行展示，將表3中的車內(nèi)噪聲總值繪制為曲線，如圖7a所示。

圖7 車輛噪聲測試結(jié)果

表3 車輛噪聲測試結(jié)果匯總 dB（A）

由表3和圖7a可知，列車以60 km/h速度勻速經(jīng)過3種軌道時，司機(jī)室和客室內(nèi)各測點(diǎn)噪聲A聲級均小于車內(nèi)噪聲限值；其中嵌入式軌道的車內(nèi)噪聲最小，與GJ-III型減振扣件式軌道和普通扣件式軌道相比，嵌入式軌道平均降低車內(nèi)噪聲3～6 dB（A）。

列車以60 km/h速度勻速通過嵌入式軌道和普通扣件式軌道時不同轉(zhuǎn)向架位置測得的輪軌噪聲如圖7b所示。由圖可知，地鐵車輛運(yùn)行在嵌入式軌道上輪軌噪聲約為96 dB（A），運(yùn)行在普通扣件式軌道上輪軌噪聲約為102 dB（A），嵌入式軌道平均降低車輛輪軌噪聲約6 dB（A）。

3.2 過渡電阻測試

依據(jù)規(guī)范GB/T 28026.2-2011《軌道交通 地面裝置第2部分：直流牽引系統(tǒng)雜散電流防護(hù)措施》[13]基于離線法對過渡電阻進(jìn)行測試。結(jié)果顯示，知識城站下行線嵌入式軌道對地過渡電阻平均值為25 Ω · km，遠(yuǎn)高于“新建線路不應(yīng)小于15 Ω · km”的要求，具備較強(qiáng)的雜散電流防護(hù)能力。

3.3 鋼軌磨耗監(jiān)測

在抑制鋼軌異常磨耗方面，對比測試了同線路位置的普通扣件式軌道和嵌入式軌道鋼軌表面粗糙度情況。經(jīng)過2年的運(yùn)行，普通扣件式軌道出現(xiàn)了波長30～40 mm的波浪型磨耗，嵌入式軌道鋼軌表觀狀態(tài)良好，未見異常磨耗，現(xiàn)場鋼軌磨耗情況如圖8所示，鋼軌表面粗糙度測試結(jié)果如圖9所示[14]。

圖8 現(xiàn)場鋼軌磨耗情況對比

圖9 不同軌道鋼軌磨耗測試對比

3.4 日常維護(hù)

廣州地鐵14號線知識城支線嵌入式軌道段從2017年建設(shè)至今，運(yùn)營近4年，據(jù)運(yùn)營反饋嵌入式軌道狀態(tài)保持良好（直線和曲線段），材料自身穩(wěn)定，日?；久饩S護(hù)，4年未進(jìn)行維修。

4 線路適應(yīng)性設(shè)計(jì)優(yōu)化

在廣州地鐵14號線嵌入式軌道結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步設(shè)計(jì)了適合不同線路情況的嵌入式軌道，如圖10所示。

圖10 應(yīng)用于不同線路情況的嵌入式軌道

（1）拼裝化預(yù)制板式道床，應(yīng)用于路基段、橋梁段等小曲線地段，相比于14號線所用結(jié)構(gòu)在后期維護(hù)中軌距調(diào)整更加便捷、大修換軌工效更高。

（2）既有線改造結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于既有線路改造，針對既有線路的波磨、振動和噪聲超標(biāo)進(jìn)行治理。

（3）嵌入式連續(xù)支承道岔，為提升線路整體運(yùn)營品質(zhì)，降低車輛運(yùn)行在岔區(qū)產(chǎn)生的振動與噪聲，針對線路道岔段設(shè)計(jì)開發(fā)了嵌入式連續(xù)支承道岔。

5 結(jié)論

（1）地鐵車輛運(yùn)行于嵌入式軌道上時車輛運(yùn)行安全、穩(wěn)定、舒適。

（2）相比普通扣件式軌道和GJ-III型減振扣件式軌道，嵌入式軌道可明顯降低隧道壁位置振動加速度，相比普通扣件式軌道，嵌入式軌道隧道壁垂向Z振級降低12 dB（Z），相比GJ-III型減振扣件式軌道降低4.6 dB （Z）。根據(jù)跟蹤測試結(jié)果，嵌入式軌道經(jīng)過2年的運(yùn)營，軌道結(jié)構(gòu)振動特性基本無變化，軌道結(jié)構(gòu)振動與阻尼特性無衰減。

（3）在降噪效果方面，嵌入式軌道車內(nèi)各測點(diǎn)噪聲相比普通扣件式軌道降低3～6 dB（A），輪軌噪聲降低約6 dB（A）。

（4）嵌入式軌道雜散電流防護(hù)效果較好，可減少軌道交通線路運(yùn)營產(chǎn)生的雜散電流。

（5）連續(xù)支承的嵌入式軌道對鋼軌異常磨耗也有減緩作用，同時也有減少軌道日常養(yǎng)護(hù)維修的作用。