木東升 尹華拓 黃國(guó)慶
(1.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司,廣州 510010; 2.廣州地鐵建設(shè)管理有限公司,廣州 510010)
因地制宜地選擇城市軌道交通停車(chē)場(chǎng)及車(chē)輛段軌道減振降噪措施,可使列車(chē)運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)和噪聲對(duì)上蓋建筑的影響滿(mǎn)足環(huán)保要求[1]。目前,已有許多學(xué)者開(kāi)展相關(guān)研究,何永春等針對(duì)深圳地鐵5號(hào)線(xiàn)塘朗車(chē)輛段上蓋物業(yè)開(kāi)發(fā)的減振降噪問(wèn)題,根據(jù)車(chē)輛段軌道振動(dòng)和噪聲源以及振動(dòng)和噪聲值的預(yù)測(cè)成果,對(duì)各種減振與降噪措施進(jìn)行綜合比較[1];鄔玉斌等對(duì)北京某車(chē)輛段地鐵振動(dòng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),認(rèn)為庫(kù)上建筑受地鐵振動(dòng)影響明顯,建筑振動(dòng)以豎向?yàn)橹?,樓板振?dòng)程度與自身固有頻率有關(guān),應(yīng)盡量避開(kāi)地鐵振動(dòng)的主頻范圍[2];于占洋通過(guò)對(duì)線(xiàn)路特征及聲源進(jìn)行總體分析,根據(jù)車(chē)輛段軌道自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及噪聲的特性,結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)和廣泛調(diào)研提出減振降噪措施及管理措施[3];孫亮明等針對(duì)國(guó)內(nèi)某地鐵車(chē)輛段試車(chē)線(xiàn)上蓋住宅進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),獲得列車(chē)以不同時(shí)速運(yùn)行時(shí)上蓋住宅各層的豎向和橫向振動(dòng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),并分析樓板振動(dòng)在時(shí)域和頻域內(nèi)的振動(dòng)特點(diǎn)及衰減規(guī)律,探討不同車(chē)速對(duì)上蓋住宅樓板振動(dòng)的影響規(guī)律[4];周杰等針對(duì)下沉式地鐵車(chē)輛段環(huán)境噪聲問(wèn)題,采用問(wèn)卷調(diào)查與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法,對(duì)下沉式地鐵車(chē)輛段環(huán)境噪聲特性開(kāi)展研究[5]。
廣州市軌道交通22號(hào)線(xiàn)是廣州首批市域快線(xiàn),設(shè)計(jì)最高運(yùn)行速度160 km/h。線(xiàn)路建成后將串聯(lián)番禺區(qū)和荔灣區(qū),連接廣州南站、白鵝潭樞紐等大型鐵路樞紐,發(fā)揮市域快線(xiàn)功能,將廣州打造成為國(guó)家“十三五計(jì)劃”提出的國(guó)際性綜合交通樞紐。廣州市軌道交通22號(hào)線(xiàn)工程設(shè)陳頭崗?fù)\?chē)場(chǎng)一處,位于石壁村北側(cè)。陳頭崗?fù)\?chē)場(chǎng)占地24.21 hm2,主要功能為停車(chē)列檢、月檢、臨修、試車(chē)、洗車(chē)和鏃輪。本工程采用國(guó)產(chǎn)8節(jié)市域快線(xiàn)列車(chē)編組,軸重≤17 t,站場(chǎng)內(nèi)曲線(xiàn)最小半徑為200 m。
根據(jù)工程實(shí)施規(guī)劃,對(duì)陳頭崗?fù)\?chē)場(chǎng)進(jìn)行物業(yè)開(kāi)發(fā),物業(yè)建筑的主要類(lèi)型有:住宅樓、小學(xué)、幼兒園等。其中,上蓋住宅主要位于運(yùn)用庫(kù),上蓋小學(xué)與幼兒園位于咽喉區(qū)正上方,停車(chē)場(chǎng)周邊白地開(kāi)發(fā)為地面住宅。為避免地鐵列車(chē)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)及噪聲影響所開(kāi)發(fā)物業(yè)的商業(yè)價(jià)值,應(yīng)采取針對(duì)性軌道減振降噪措施。
陳頭崗?fù)\?chē)場(chǎng)車(chē)場(chǎng)線(xiàn)采用50 kg/m、U71Mn鋼軌,試車(chē)線(xiàn)、出入場(chǎng)線(xiàn)采用60 kg/m、U75V普通熱軋鋼軌,軌距為標(biāo)準(zhǔn)軌距1435 mm,停車(chē)場(chǎng)內(nèi)最小曲線(xiàn)半徑為200 m。采用1/40軌底坡,道岔及道岔間不足50m的地段不設(shè)軌底坡;當(dāng)?shù)啦硇枧c兩端線(xiàn)路進(jìn)行軌底坡過(guò)渡時(shí),在道岔兩端兩根岔枕處鐵墊板下設(shè)置軌底順坡墊板。
出入場(chǎng)線(xiàn)地面段、試車(chē)線(xiàn)非減振碎石道床地段、車(chē)場(chǎng)線(xiàn)庫(kù)外碎石道床地段采用國(guó)鐵彈條Ⅰ型扣件;庫(kù)內(nèi)整體道床地段采用50 kg/m鋼軌彈條Ⅰ型分開(kāi)式扣件;試車(chē)線(xiàn)梯形軌枕碎石道床地段采用60 kg/m鋼軌彈條Ⅰ型分開(kāi)式扣件。
本工程試車(chē)線(xiàn)采用碎石道床60 kg/m鋼軌9號(hào)彈性可彎尖軌單開(kāi)道岔,車(chē)場(chǎng)線(xiàn)采用碎石道床50 kg/m鋼軌9號(hào)單開(kāi)道岔及9號(hào)5.1 m間距交叉渡線(xiàn),均采用合成岔枕。普速地鐵試車(chē)線(xiàn)一般采用碎石道床60 kg/m鋼軌9號(hào)道岔,車(chē)場(chǎng)線(xiàn)采用碎石道床50 kg/m鋼軌7號(hào)單開(kāi)道岔及交叉渡線(xiàn)。因此,本工程陳頭崗?fù)\?chē)場(chǎng)減振降噪方案與普速地鐵停車(chē)場(chǎng)及車(chē)輛段差異較大。
陳頭崗?fù)\?chē)場(chǎng)敏感區(qū)域振動(dòng)限值按照GB10070—88《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》中“居民、文教區(qū)”考慮,并依照HJ453—2018《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 城市軌道交通》及JGJ/T 170—2009《城市軌道交通引起建筑物振動(dòng)與二次輻射噪聲限值及其測(cè)量方法標(biāo)準(zhǔn)》,以VLzmax作為評(píng)價(jià)量[6-8]。城市各類(lèi)區(qū)域鉛垂向Z振級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值見(jiàn)表1。
表1 城市各類(lèi)區(qū)域鉛垂向Z振級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值 dB
陳頭崗?fù)\?chē)場(chǎng)減振降噪方案設(shè)計(jì)原則如下。
①試車(chē)線(xiàn)及咽喉區(qū)道岔范圍,與上蓋建筑投影距離小于15 m或與地面建筑投影距離小于25 m時(shí),應(yīng)設(shè)置減振措施。
②在上述地段設(shè)置減振措施時(shí),應(yīng)沿軌道方向延伸25 m。
③庫(kù)外整體道床軌道基礎(chǔ)與結(jié)構(gòu)柱及其基礎(chǔ)宜隔離,當(dāng)未隔離時(shí),應(yīng)采用高等及以上等級(jí)的軌道減振措施。
④根據(jù)《軌道交通18/22號(hào)線(xiàn)正線(xiàn)軌道系統(tǒng)設(shè)備用戶(hù)需求書(shū)》《陳頭崗?fù)\?chē)場(chǎng)軌道設(shè)計(jì)變更及五號(hào)線(xiàn)阻尼鋼軌降噪效果報(bào)告審查會(huì)議紀(jì)要》要求,選取條件合適的庫(kù)外道口鋪設(shè)減振降噪性能良好的嵌入式軌道。
(1)減振道砟墊
減振道砟墊是一種質(zhì)量彈簧系統(tǒng),其特點(diǎn)主要為采用面支承,耐水、耐磨、耐老化性能好。在停車(chē)場(chǎng)及車(chē)輛段碎石道床地段鋪設(shè)時(shí),可通過(guò)在道砟底面下設(shè)置減振道砟墊來(lái)實(shí)現(xiàn)減振。減振道砟墊具有減振效果好、施工方便,不影響過(guò)軌管線(xiàn)布置等優(yōu)點(diǎn),已在全球多個(gè)國(guó)家城市的高鐵、地鐵項(xiàng)目中得到廣泛應(yīng)用。目前,在國(guó)內(nèi)香港、臺(tái)灣、國(guó)鐵成灌線(xiàn)等已通車(chē)運(yùn)營(yíng)的項(xiàng)目上,減振道砟墊迄今使用情況良好。根據(jù)深圳地鐵1、2號(hào)線(xiàn)減振道砟墊的測(cè)試,試車(chē)線(xiàn)軌枕處平均減振量為4 dB,距離試車(chē)線(xiàn)中心線(xiàn)6 m處平均減振量為6 dB。
(2)梯形軌枕
梯形軌枕是一種預(yù)制鋼筋混凝土縱梁支撐軌道結(jié)構(gòu),由預(yù)應(yīng)力縱向長(zhǎng)梁和鋼軌形成復(fù)合軌道,兩個(gè)縱向長(zhǎng)梁中間用鋼管或混凝土橫梁連接形成框架,形似梯子而得名[9]。
梯形軌枕在國(guó)內(nèi)多用于正線(xiàn)、停車(chē)場(chǎng)及車(chē)輛段整體道床,在縱向長(zhǎng)梁下設(shè)置彈性聚氨塑脂支墊,使其浮于混凝土基礎(chǔ)之上,在廣州地鐵5號(hào)線(xiàn)魚(yú)珠車(chē)輛段試車(chē)線(xiàn)鋪設(shè)了梯形軌枕試驗(yàn)段。由于梯形軌枕將軌枕從過(guò)去的橫向鋪設(shè),轉(zhuǎn)變?yōu)檠鼐€(xiàn)路方向(縱向)連續(xù)鋪設(shè),軌枕下部面積變寬,可以大幅分散對(duì)線(xiàn)路構(gòu)造物的載荷,使道床受力更加均勻穩(wěn)定,道砟的應(yīng)力峰值大幅降低,從而減輕對(duì)下部構(gòu)造物的負(fù)荷和振動(dòng)。
(3)減振接頭夾板
減振接頭夾板常用在鋼軌接頭非工作邊側(cè)并在接頭夾板中部一定長(zhǎng)度范圍內(nèi)加高至鋼軌軌頂面。車(chē)輪碾過(guò)鋼軌接頭時(shí),與減振接頭夾板頂部接觸,使軌頂面由中斷變?yōu)檫B續(xù),緩解了軌縫和相鄰軌端錯(cuò)牙臺(tái)階的影響,從而減輕輪軌沖擊,減少鋼軌端部的沖擊掉塊和塑性變形等病害,改善了輪軌關(guān)系[10]。根據(jù)石太線(xiàn)小半徑曲線(xiàn)地段的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),鋪設(shè)減振接頭夾板的鋼軌接頭較一般的鋼軌接頭振動(dòng)加速度降低50%以上,鋼軌軌底下沉量減少20%。
目前,天津地鐵1號(hào)線(xiàn)高架橋普通線(xiàn)路地段,深圳地鐵蛇口車(chē)輛段、成都地鐵1號(hào)線(xiàn)等需上蓋物業(yè)開(kāi)發(fā)的車(chē)輛段均采用減振接頭夾板,效果良好。
(4)無(wú)縫線(xiàn)路
無(wú)縫線(xiàn)路主要適用于庫(kù)內(nèi)線(xiàn),庫(kù)內(nèi)線(xiàn)車(chē)輛運(yùn)行速度5 km/h左右,引起的振動(dòng)和噪聲有限。接頭振動(dòng)是庫(kù)內(nèi)線(xiàn)振動(dòng)的主要來(lái)源,鋪設(shè)無(wú)縫線(xiàn)路消除鋼軌接頭可以有效減輕振動(dòng)影響。
(5)熱塑性聚酯高彈性墊板
傳統(tǒng)墊板一般設(shè)計(jì)成圓柱形或溝槽形結(jié)構(gòu),利用橡膠的壓縮變形提供彈性。而熱塑彈性體材料由于具有更好的韌性、彈性及抗彎曲疲勞性,故可以設(shè)計(jì)成波浪形,使墊板能同時(shí)通過(guò)撓曲變形和壓縮變形產(chǎn)生回彈力。并且可以將墊板剛度設(shè)計(jì)得更低,有利于降低扣件豎向剛度,降低振動(dòng)值,預(yù)計(jì)減振效果為1~3 dB。
(1)阻尼鋼軌
從減振降噪原理及一些工程的試鋪效果來(lái)看,阻尼鋼軌主要適合在小半徑曲線(xiàn)地段使用,用于降低輪軌摩擦的高頻噪聲,降噪效果為2~5 dB(A)[11]。
鋼軌阻尼在軌腰安裝,可以靈活避開(kāi)扣件、接頭夾板及軌連線(xiàn)等部位,對(duì)其他軌旁設(shè)備沒(méi)有影響。在線(xiàn)路開(kāi)通運(yùn)營(yíng)以后,應(yīng)根據(jù)線(xiàn)路上噪聲的組成及量值來(lái)選擇是否采用鋼軌阻尼。因此,阻尼鋼軌在曲線(xiàn)地段可作為一種降噪輔助措施。
(2)吸聲板
吸聲板的種類(lèi)和材質(zhì)較多,有泡沫塑料、石棉、微孔陶?;炷?、陶瓷等。吸聲板在國(guó)內(nèi)地鐵中應(yīng)用很少,僅在個(gè)別工程中有過(guò)試驗(yàn)段。2010年,上海3號(hào)線(xiàn)曾在石龍路站地面線(xiàn)試鋪了雙線(xiàn)100 m微孔陶?;炷廖暟宀⑦M(jìn)行了降噪效果測(cè)試[12]。
根據(jù)上海地鐵3號(hào)線(xiàn)試鋪段的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果,吸聲板對(duì)100~8 000 Hz范圍噪聲均有不同程度的吸聲效果,對(duì)250~2 000 Hz的輪軌噪聲可降低5~7 dBA;對(duì)于2 000 Hz以上的高頻噪聲,可降低3~5 dBA。從頻譜上看,對(duì)500~1 000 Hz輪軌噪聲的降噪效果比較明顯。
嵌入式連續(xù)支承無(wú)砟軌道(簡(jiǎn)稱(chēng)“嵌入式軌道”)是一種將鋼軌嵌入到混凝土整體道床中,采用彈性墊板連續(xù)支撐、高分子阻尼材料連續(xù)鎖固鋼軌的新型軌道結(jié)構(gòu),具有整體性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠、壽命長(zhǎng)、減振降噪、日常運(yùn)營(yíng)維護(hù)工作量少等特點(diǎn)[13-20]。
國(guó)內(nèi)大部分帶上蓋物業(yè)的停車(chē)場(chǎng)、車(chē)輛段試車(chē)線(xiàn)及道岔區(qū)均采用減振道砟墊,如深圳地鐵蛇口車(chē)輛段、塘朗車(chē)輛段、杭州地鐵七堡車(chē)輛段、廣州地鐵鎮(zhèn)龍車(chē)輛段、蘿崗車(chē)輛段、官湖車(chē)輛段等。陳頭崗?fù)\?chē)場(chǎng)道岔區(qū)也采用減振道砟墊。
陳頭崗?fù)\?chē)場(chǎng)庫(kù)外車(chē)場(chǎng)線(xiàn)減振墊碎石道床采用新Ⅱ型預(yù)應(yīng)力混凝土枕,一般段鋪設(shè)密度1 440根/km,庫(kù)外平交道口軌枕鋪設(shè)密度為1 820根/km,單層道砟即一級(jí)道砟。道床頂部寬2.9 m,砟肩寬200 mm,半徑不大于300 m的曲線(xiàn)外側(cè)砟肩加寬0.1 m,道床邊坡坡率為1∶1.5,碎石道床減振道砟墊設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。
圖1 碎石道床減振道砟墊方案(單位:mm)
根據(jù)廣州地鐵廈滘車(chē)輛段與蘿崗車(chē)輛段試車(chē)線(xiàn)的振動(dòng)測(cè)試結(jié)果,距離線(xiàn)路中心線(xiàn)6 m處的平均減振效果約為9.5 dB。
碎石道床梯形軌枕在廣州地鐵應(yīng)用廣泛,5號(hào)線(xiàn)魚(yú)珠車(chē)輛段、6號(hào)線(xiàn)蘿崗車(chē)輛段、13號(hào)線(xiàn)官湖車(chē)輛段的試車(chē)線(xiàn)均鋪設(shè)了梯形軌枕。
考慮廣州地鐵5號(hào)線(xiàn)魚(yú)珠車(chē)輛段試車(chē)線(xiàn)21號(hào)線(xiàn)鎮(zhèn)龍車(chē)輛段、6號(hào)線(xiàn)蘿崗車(chē)輛段、13號(hào)線(xiàn)官湖車(chē)輛段試車(chē)線(xiàn)均鋪設(shè)梯形軌枕,減振效果良好,軌道狀態(tài)穩(wěn)定,陳頭崗?fù)\?chē)場(chǎng)試車(chē)線(xiàn)采用梯形軌枕。
試車(chē)線(xiàn)梯形軌枕碎石道床鋪設(shè)雙層道砟,由底砟和道砟組成,道床頂面寬度為2.8 m,砟肩堆高150 mm,道床邊坡坡率1∶1.75,道砟等級(jí)為一級(jí),道床的密實(shí)度不得小于1.7 t/m3。曲線(xiàn)地段超高通過(guò)全超高方式實(shí)現(xiàn),即將梯形軌枕軌排繞內(nèi)股軌頂中心旋轉(zhuǎn),使內(nèi)股鋼軌不動(dòng)、外股鋼軌抬高一個(gè)超高值,內(nèi)外側(cè)道砟的外形布置相應(yīng)進(jìn)行調(diào)整;圓曲線(xiàn)地段,超高通過(guò)梯形軌枕整體旋轉(zhuǎn)在砟上實(shí)現(xiàn);緩和曲線(xiàn)地段,應(yīng)先按照扣件調(diào)整量表調(diào)整扣件高度,再按設(shè)計(jì)超高值調(diào)整扣件處鋼軌。單塊梯形軌枕包含10對(duì)扣件,扣件間距為600 mm。每塊梯形軌枕鋪設(shè)長(zhǎng)度6 000 mm,實(shí)際長(zhǎng)度5 800 mm,標(biāo)準(zhǔn)枕縫200 mm,具體枕縫范圍150~250 mm,梯形軌枕總寬2 300 mm(限位凸臺(tái)位置)。單邊縱梁寬580 mm,高185 mm。兩片縱梁之間設(shè)2道混凝土橫梁,2道鋼管橫梁,側(cè)面各設(shè)1個(gè)縱向防爬凸臺(tái),混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60。梯形軌枕道床設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2。
圖2 梯形軌枕道床方案(單位:mm)
為降低庫(kù)內(nèi)線(xiàn)接頭振動(dòng),決定鋪設(shè)無(wú)縫線(xiàn)路,扣件采用熱塑性聚酯高彈性墊板。
目前,阻尼鋼軌已在杭州、福州、寧波等待開(kāi)發(fā)的車(chē)輛段(停車(chē)場(chǎng))和部分正線(xiàn)上推廣使用。陳頭崗?fù)\?chē)場(chǎng)庫(kù)外小半徑曲線(xiàn)地段采用阻尼鋼軌,阻尼鋼軌降噪效果達(dá)4 dB。
阻尼鋼軌包括但不限于約束阻尼結(jié)構(gòu)、吸振器結(jié)構(gòu)或二者結(jié)合等裝置。以同一線(xiàn)路、同一地段安裝阻尼鋼軌前后相同測(cè)點(diǎn)處A計(jì)權(quán)噪聲級(jí)的差值作為降噪效果的評(píng)價(jià)依據(jù),測(cè)點(diǎn)為鋼軌外側(cè)3 m外、軌頂高處,在鋼軌表面光亮清潔、曲線(xiàn)嘯叫工況下,阻尼鋼軌降噪效果應(yīng)不低于4 dB(A)。
2015年,廣州地鐵集團(tuán)開(kāi)始對(duì)嵌入式軌道系統(tǒng)的技術(shù)設(shè)計(jì)、材料研究、施工工法、維護(hù)技術(shù)成套技術(shù)進(jìn)行研究。2017年12月28日,在廣州地鐵14號(hào)線(xiàn)知識(shí)城支線(xiàn)的嵌入式軌道試驗(yàn)段正式通車(chē)運(yùn)行,目前已應(yīng)用近4年?!稄V州地鐵嵌入式連續(xù)支承無(wú)砟軌道系統(tǒng)服役性能測(cè)試及評(píng)估》結(jié)果表明:①嵌入式軌道幾何形位保持良好,系統(tǒng)減振降噪以及雜散電流防護(hù)效果保持良好;②相較于普通扣件式軌道,0~80 Hz范圍內(nèi)(Z計(jì)權(quán))嵌入式軌道,減振量為12 dB,且日常養(yǎng)護(hù)維修工作量小。
圖3 嵌入式軌道道床方案(單位:mm)
綜上,嵌入式軌道系統(tǒng)整體性好、減振降噪性能良好、日常養(yǎng)護(hù)維修工作少、外觀(guān)整潔、美觀(guān)、易于清潔,根據(jù)《軌道交通18/22號(hào)線(xiàn)正線(xiàn)軌道系統(tǒng)設(shè)備用戶(hù)需求書(shū)》《陳頭崗?fù)\?chē)場(chǎng)軌道設(shè)計(jì)變更及五號(hào)線(xiàn)阻尼鋼軌降噪效果報(bào)告審查會(huì)議紀(jì)要》要求,選取條件合適的道口鋪設(shè)減振降噪性能良好的嵌入式軌道。
通過(guò)綜合對(duì)比分析國(guó)內(nèi)外軌道交通停車(chē)場(chǎng)及車(chē)輛段減振降噪措施,并結(jié)合廣州市軌道交通既有設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),陳頭崗?fù)\?chē)場(chǎng)軌道減振降噪設(shè)計(jì)方案為:道岔區(qū)采用減振道砟墊,預(yù)計(jì)平均減振量為4~6 dB;試車(chē)線(xiàn)采用梯形軌枕,距離線(xiàn)路中心線(xiàn)6 m處的平均減振效果約為9 dB;庫(kù)內(nèi)線(xiàn)鋪設(shè)無(wú)縫線(xiàn)路,扣件采用熱塑性聚酯高彈性墊板,減振效果為1~3 dB;庫(kù)外小半徑曲線(xiàn)地段采用阻尼鋼軌,阻尼鋼軌降噪效果達(dá)4 dB;道口采用嵌入式軌道系統(tǒng),0~80 Hz范圍內(nèi)(Z計(jì)權(quán))嵌入式軌道減振量為12 dB。