李建斌

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300000)

0 引言

目前，城市軌道交通的發(fā)展日新月異，軌道交通不僅緩解了城市公交的壓力，也提高了市民出行舒適度，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益。然而在投入運營后，軌道交通系統(tǒng)不可避免地給城市環(huán)境帶來振動和噪聲等問題，不但影響乘客和軌道沿線人們正常生活，也會引起有關(guān)設(shè)備和結(jié)構(gòu)以及周邊建筑物的疲勞損壞，縮短使用壽命。因此，如何做好軌道的減振降噪設(shè)計是城市軌道交通建設(shè)的一個重要課題，也是改善乘客舒適性和環(huán)境保護的一個重要課題。

從軌道交通振動與噪聲的來源入手進行分析，確定主要噪聲源。對各種減振降噪型軌道結(jié)構(gòu)進行合理比選，得出合理、有效的減振降噪措施，從而減小軌下基礎(chǔ)的振動，大大緩解地面振動以及高架結(jié)構(gòu)的二次噪聲，最終達到減振降噪的目的。

1 城市軌道交通振動與噪聲的來源分析

大量結(jié)果表明:列車引起的噪聲可分為4個部分:輪軌噪聲、集電噪聲、車廂的空氣動力噪聲和橋梁結(jié)構(gòu)的二次振動噪聲。軌道交通的主要噪聲源隨著列車的運行速度的變化而變化。當列車速度小于60 km/h時，主要噪聲源為動力系統(tǒng)噪聲;當列車速度在60～200 km/h時，主要表現(xiàn)為輪軌噪聲;當列車速度大于200 km/h時，主要是為空氣動力噪聲［1］。

我國的軌道交通運行速度一般為80 km/h，噪聲的主要來源是輪軌噪聲。解決好輪軌噪聲是解決城市軌道交通減振降噪的關(guān)鍵。

地鐵運行時的輪軌相互作用，激起鋼軌和軌下基礎(chǔ)的振動，鋼軌就向外輻射噪聲，振動隨軌下基礎(chǔ)向周圍傳遞，激發(fā)建筑物產(chǎn)生低頻噪聲。輪軌噪聲分為3種類型:尖叫噪聲、沖擊噪聲和滾動噪聲。

(1)尖叫噪聲。當列車通過小曲線半徑時，由于車輪受轉(zhuǎn)向架的約束，不能正切于鋼軌運行，引起車輪沿著鋼軌滾動時橫向滑動軌頭，由此產(chǎn)生輪軌接觸表面的粘著和空轉(zhuǎn)，引起車輪共振而產(chǎn)生強的窄頻帶尖叫噪聲。

(2)沖擊噪聲。車輪通過軌縫、道岔或擦傷的車輪在鋼軌上滾動時引起的是沖擊噪聲。

(3)滾動噪聲。通常是沒有擦傷的車輪在狀態(tài)良好的直線鋼軌上滾動時所發(fā)出的噪聲，只是由于車輪和鋼軌表面上的小面積粗糙造成的。

軌道結(jié)構(gòu)在列車、軌道、以及橋梁這個振動系統(tǒng)中，不僅是主要振源，同時也是傳遞振動的實體。合理選擇減振降噪型軌道結(jié)構(gòu)的型式，才能有效地控制城市軌道交通的振動與噪聲。

2 減振降噪型軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則

減振降噪應(yīng)以工程環(huán)境評價報告為依據(jù)，經(jīng)現(xiàn)場詳細調(diào)研，明確振動與噪聲的保護對象和范圍，確定期望值，根據(jù)線路鋪設(shè)形式、地質(zhì)條件等合理選型。

減振降噪型軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)遵循以下主要設(shè)計原則［2］:①良好的穩(wěn)定性和耐久性，良好的減振降噪性;②結(jié)構(gòu)簡單，施工和安裝的簡便性;③軌道幾何形位的可調(diào)性;④低成本、少養(yǎng)護維修。

上海地鐵1號線有測試表明:在飽和軟土地層中，對于一般埋深(10 m左右)的地下線，其中心線處地表振動超標5～10 dB;當線路埋深超過30 m時，混凝土基礎(chǔ)的建筑物的振動大大降低［3］。在做軌道減振設(shè)計時，如果線路埋深很深(即超過30 m)時，可以適當采取低一級別的減振降噪措施，以達到節(jié)約工程造價，避免浪費的目的。

3 各種減振降噪措施的比選

傳統(tǒng)的軌道減振措施一般分三級:一般減振、較高減振、特殊減振。本文減振措施分為四級，在較高減振和特殊減振之間增加了高等減振措施;主要是考慮較高減振和特殊減振措施的減振效果存在明顯的差距，當較高減振措施剛剛不能滿足環(huán)評要求時，采用特殊減振又比較浪費，因此引入高等減振措施是一個既經(jīng)濟、又合理的減振方案。

3.1 一般減振措施

(1)采用60 kg/m重型鋼軌，彈性分開式扣件，鋪設(shè)無縫線路，以減小鋼軌所受的列車沖擊振動，降低地鐵運營對沿線建筑物的振動影響。

(2)在小半徑曲線地段鋼軌側(cè)面經(jīng)常涂油，定期對鋼軌表面進行打磨，對車輪進行鏇削，從而有效抑制滾動噪聲的產(chǎn)生。

(3)在半徑小于400 m的曲線及高架線跨越鐵路、城市主干道等地段，采用彈性減磨、防脫護輪軌。

(4)在環(huán)境敏感地段，線路選線設(shè)計時應(yīng)盡量避免采用小半徑曲線，以減小輪緣對鋼軌內(nèi)側(cè)的沖擊，降低輪軌接觸中的尖叫噪聲。

3.2 中等減振措施

中等減振措施的減振效果為8 dB左右。

(1)采用彈性短軌枕。彈性短軌枕是在短軌枕外面，套上橡膠減振套靴，這樣能大幅度降低道床應(yīng)力，減少振動。如圖1所示。

圖1 彈性短軌枕式整體道床(單位:mm)

鐵科院為高速鐵路研究鋪設(shè)了彈性短軌枕，經(jīng)室內(nèi)試驗表明:采用彈性短軌枕，輪軌間相互作用力減少39～52 kN，短軌枕振動加速度下降17g～46g，減少振動噪聲約10 dB，減振效果良好。根據(jù)瑞士SBB資料介紹彈性短軌枕運營17 a后，軌道幾何形狀保持標準范圍。

該型式道床鋪設(shè)在上海軌道交通明珠線、廣州地鐵二號線、深圳地鐵一期工程、天津地鐵1號線等。

(2)采用GJ-Ⅲ型減振降噪扣件。該扣件由軌下橡膠墊、上鐵墊板、中間橡膠墊、下鐵墊板和自鎖機構(gòu)等組成。

上鐵墊板用來固定彈條和支撐鋼軌;下鐵墊板的作用，對下是通過錨固螺栓將整個扣件固定在軌枕上;對上通過鎖定機構(gòu)將上鐵墊板位置鎖定，限制鐵墊板前后左右上五方向的運動，只允許其向下在中間橡膠墊上做彈性運動。如圖2所示。

軌下橡膠墊和中間橡膠墊是主要的彈性元件，采用彈性好、綜合力學(xué)性能優(yōu)良的天然橡膠制作?？奂撞靠杉釉O(shè)一層或幾層橡塑墊板，其靜剛度高，主要起調(diào)高和加強絕緣的作用，最大調(diào)高量可達30 mm。該扣件與一般彈性扣件一樣可隨時更換其中每一個部件，便于維修和替換。從對扣件的落錘沖擊實驗得出，該扣件較一般彈性扣件，振動降低明顯。

目前該扣件已經(jīng)在北京、上海、深圳地鐵中廣泛采用。

3.3 高等減振措施

高等減振措施的減振效果為8～15 dB?？刹捎肰ANGUARD扣件或Calenberg道砟墊等措施來實現(xiàn)減振降噪。

(1)VANGUARD扣件具有很低的動態(tài)剛度(7.5 kN/mm)或更低，通車條件下的豎向位移達到3 mm或更多;減振效果類同浮置板系統(tǒng)，但成本比浮置板系統(tǒng)低得多，更易于平時的維護保養(yǎng)和調(diào)整。該扣件能有效降低振動及二次噪音;可用于現(xiàn)存的鋼軌高度嚴格受限的區(qū)域;對新線建設(shè)，VANGUARD扣件可降低隧道斷面尺寸，大大節(jié)約建設(shè)投資;所有組件的更換都簡便易行，從而極大地方便了平常的維護保養(yǎng)。如圖3所示。

圖2 GJ-Ⅲ型減振降噪扣件

圖3 VANGUARD扣件示意

(2)Calenberg道砟墊鋪設(shè)在道床下，對結(jié)構(gòu)振動和噪聲具有高效隔離性;可減少軌道部件的應(yīng)力和磨耗;使用壽命長，施工方便、快速;不影響過軌管線，在道岔區(qū)使用方便。但該道砟墊不足之處是更換較為困難。圖4為Calenberg道砟墊示意圖。

3.4 特殊減振措施

特殊減振措施的減振效果一般為15 dB以上。在線路中心距離醫(yī)院、學(xué)校、音樂廳、精密儀器廠、文物保護、高級賓館等建筑物小于20 m、及穿越地段，宜采用特殊減振軌道結(jié)構(gòu)?？刹捎孟鹉z浮置板道床或鋼彈簧浮置板整體道床。

橡膠浮置板道床是利用浮置板下面的大橡膠墊提供彈性，廣州地鐵一號線鋪設(shè)了這種減振軌道結(jié)構(gòu)。更換大橡膠墊較為麻煩。目前在地鐵中，普遍采用鋼彈簧浮置板整體道床。鋼彈簧浮置板減振軌道結(jié)構(gòu)又稱質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)［4］。其基本原理是在軌道上部建筑與基礎(chǔ)間插入一固有振動頻率遠低于激振頻率的線性諧振器，即將具有一定質(zhì)量和剛度的混凝土道床板浮置在橡膠或者彈簧隔振器上，利用浮置板質(zhì)量慣性來平衡列車運行引起的動荷載，僅有沒有被平衡的動荷載和靜荷載才通過鋼彈簧元件傳到路基或者隧道結(jié)構(gòu)上，達到減振的目的。采用鋼彈簧支撐時，隔振器內(nèi)放有螺旋鋼彈簧和粘滯阻尼。

圖4 Calenberg道砟墊示意

圖5 鋼彈簧浮置板整體道床圓形斷面示意(單位:mm)

對于橡膠支座浮置板道床，通常采用增加浮置板厚度和重級配混凝土的辦法降低自振頻率，而對于鋼彈簧浮置板，由于彈簧剛度的可設(shè)計性強，所以鋼彈簧浮置板還可以通過采用減小彈簧剛度來降低自振頻率，因此，鋼彈簧浮置板的固有頻率可以設(shè)計得比橡膠支撐浮置板低，減振效果會更好。

鋼彈簧減振系統(tǒng)的浮置板軌道在德國最先采用，減振效果良好，比橡膠浮置板的減振效果提高了約5 dB。在深圳地鐵1號線續(xù)建工程、2號線、5號線、北京城鐵、上海明珠二期工程、南京地鐵采用了此種道床。

綜合考慮到鋼彈簧浮置板便于維修養(yǎng)護，技術(shù)先進，減振效果良好。目前，在新建線路上推薦采用鋼彈簧浮置板整體道床的特殊減振軌道結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)束語

對軌道減振措施的選擇應(yīng)慎之又慎。一方面要節(jié)約投資，另一方面要考慮環(huán)境等因素又不得不增加投資;不能只考慮節(jié)約投資而忽視環(huán)境、以后運營等問題。一旦建成，要對其整改，所花的費用可能是一次性投資的幾倍。通過對以上減振降噪措施的分析比選，初步得出城市軌道交通設(shè)計中較為經(jīng)濟、合理的減振方案。

(1)城市軌道交通所采取的軌道減振降噪措施。①一般減振地段，采取使用鋪設(shè)無縫線路、重型鋼軌、彈性分開式扣件、小半徑曲線定期涂油、打磨等措施。②中等減振地段?？紤]到彈性短軌枕的彈性套靴失效性、以及損壞后不易更換，目前推薦采用軌道減振器扣件，如GJ-Ⅲ型減振降噪扣件。③高等減振地段。由于VANGUARD扣件具有良好的減振性能和可更換性，推薦采用VANGUARD扣件。④特殊減振地段。由于橡膠浮置板道床損壞后不易更換，推薦采用鋼彈簧浮置板整體道床。

(2)建議。城市軌道交通軌道減振降噪工程是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要相關(guān)專業(yè)共同配合、綜合治理才能取得滿意的效果。減振降噪型軌道結(jié)構(gòu)的比選，需要根據(jù)具體的環(huán)評要求，進行具體的設(shè)計。只有合理的選擇減振降噪型軌道結(jié)構(gòu)型式，才能既經(jīng)濟、又合理地實現(xiàn)軌道的減振降噪，從而真正解決城市軌道交通給城市帶來的振動與噪聲問題。

［1］練松良，劉加華.城市軌道交通減振降噪型軌道結(jié)構(gòu)的選擇［J］.城市軌道交通研究，2003，6(3):35-41.

［2］北京城建設(shè)計研究總院.GB 50157—2003地鐵設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國計劃出版社，2003.

［3］葛世平.城市軌道交通的振動和噪聲對環(huán)境的影響及其對策［J］.城市軌道交通研究，2003，6(3):30-34.

［4］王漢民.城市軌道交通浮置板軌道振動特性研究及對鄰近建筑物的影響［D］.北京:北京交通大學(xué)土木工程學(xué)院，2009.