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地铁停车场轨道工程减震降噪措施效果分析

发表时间：2021/6/8 来源：《基层建设》2021年第2期作者：张兴磊

[导读] 摘要：随着城市交通轨道建设规模的日益加大，减振降噪已然成为建设轨道交通中急需解决的一个热点问题。

        中铁建大桥工程局集团第二工程有限公司 518000
        身份证号：13052519881108xxxx
        摘要：随着城市交通轨道建设规模的日益加大，减振降噪已然成为建设轨道交通中急需解决的一个热点问题。伴随城市土地开发综合率不断加大，地铁的停车场、车辆段等占地面积较大，上盖物业用于住房或办公已经成为趋势，但机车走形所形成的震动又在影响着人们的工作和生活。因此，本文以地铁停车场为例简述地铁不同轨道的结构特征以及减振效果，以期减少城市轨道交通对于上部造成的影响，降低城市轨道工程噪声与振动对人体造成的危害。
        关键词：噪音来源减震措施减震效果
        1 轮轨振动及噪声来源分析
        地铁停车场的各运营库（如运用库）设计型式多为全封闭，由于受建筑物遮挡、距离衰减的影响，直达噪声影响较小，但车辆基地内地铁振动及室内二次噪声影响仍较为显著。地铁振动的主要激励来自轮轨振动，依次通过在轨道系统、基础、周围土体及相邻建筑物柱梁进行振动传递。在建筑物内，能感知的振动可能引起人的不舒适，不能觉察到的振动在非常安静的房间内可能听见列车通过时的“隆隆”声，即二次结构噪声。如图1所示，图中实线为振动传递及路径示意，点划线为二次结构噪声。
        为了对上盖建筑提供适宜的居住、工作条件，需要控制车辆基地地铁振动和二次结构噪声。

        图1 地铁轮轨振动及二次结构噪声传播路径示意
        2 振动控制的目标
        由于阻尼的影响，被保护建筑离振源越远，其所受到的振动就越小。国家环境保护标准《环境影响评价技术导则城市轨道交通》（HJ453-2018）对振动随距离的衰减进行了量化规定：
        CD=algr+br+c
        CD为振动源强的距离衰减修正，单位为dB。对于地面线，r为预测点至线路中心线的水平距离，单位为m；a，b，c为系数，a=-8.6，b=-0.130，c=8.4。
        在考虑距离、速度等各项修正后，根据国家标准《城市区域环境振动标准》（GB10070-88）对各类区域铅垂向Z振级标准规定如表1所示。
        表1 城市各类区域铅垂向Z振级标准值单位：dB

        3 停车场轨道减振降噪措施
        轨道专业针对轨道的振动源、振动路径采取减振、隔振及降噪处理，可使列车在运行中产生的振动及噪声影响得到有效控制，综合措施如下：
        1）对钢轨顶面不平度进行打磨，使轨面平顺，保证轮轨接触良好，减少振动和噪声；
        2）小半径曲线钢轨定期侧面涂油，不仅可减少钢轨侧面磨耗，也可减少由磨擦和不均匀磨耗引起的轮轨振动与噪声，因此在咽喉区入口处设置钢轨涂油器；
        3）严格控制轨道设备如扣件、道岔等制造公差，为铺设高质量的轨道系统打下基础；
        4）严格控制轨道施工质量，特别是咽喉区道岔群的施工质量，并对轨道进行经常性的养护维修，使轨道结构保持在良好工作状态；
        5）车场库外平交道全部采用橡胶道口板，库内平交道采用现浇混凝土整体道床加嵌丝橡胶条，以降低列车过道口时振动对周边环境的影响。
        6）为减少钢轨接头冲击引起的振动和噪声，库内车场线铺设无缝线路，库外线钢轨接头采用减振接头夹板。
        7）非岔区曲线设置阻尼钢轨。
        8）库内采用双层非线性减振扣件。
        9）库外线采用减振垫碎石道床，属于高等减振措施，综合减振降噪效果优异。
        主要措施如下图2所示。

                图2 停车场轨道减振降噪措施分布
        停车场采取了扣件类减振降噪措施和道床类减振降噪措施。扣件类减振降噪措施为双层非线性减振扣件，主要用于库内区域。
        双层非线性减振扣件采用分离式结构设计，由轨下橡胶垫板、上铁垫板、中间橡胶垫板、下铁垫板和自锁机构等组成，利用两层低刚度橡胶垫板的压缩变形达到降低扣件刚度的目标，实现减振。地铁无砟轨道普通扣件刚度约30kN/mm，双层非线性减振扣件刚度约12~18kN/mm，刚度降低约50%左右。
        该扣件减振效果约6dB。目前该类扣件已在国内广州、深圳、上海、成都、南昌、厦门地铁等工程中应用。福州地铁在建和开通线路的正线、车辆基地有使用该型扣件。

        图3 双层非线性减振扣件
        停车场库外线采用了减振垫碎石道床，属于道床类减振措施，由基础、减震垫、碎石道床组成。基础要求密实平整后填充100mm的碎石垫层，并碾压密实，之后浇筑200mm的C35钢筋混凝土板硬化层，硬化层上再铺设减振垫。
        减振垫系统属于高等减振措施。在碎石道床地段铺设时，通过在道砟底面设置减振道砟垫来实现减振，具有减振效果好，施工方便、快速，不影响过轨管线布置等特点。
        深圳地铁蛇口车辆段、塘朗车辆段，杭州地铁七堡车辆段配合物业开发均采用了减振道砟垫。福州地铁在建和开通线路的车辆基地有使用该型减振措施。

                             图4 减振垫碎石道床
        停车场有缝线路采用了减振接头夹板，在夹板中部一定长度范围内加高至钢轨轨顶以上，用在钢轨接头非工作边侧。车轮碾过钢轨接头时，同时与减振接头夹板顶部和底部接触，使轨顶面由中断变为连续，缓解了轨缝和相邻轨端错牙台阶的影响，从而减轻了轮轨冲击，也减少了钢轨端部的冲击掉块和塑性变形等病害，改善了轮轨关系。
        根据国铁在石太线小半径曲线地段的铺设实测，铺设减振接头夹板的钢轨接头比一般的钢轨接头振动加速度降低50％以上，钢轨轨底下沉减少20％，列车通过时轮轨噪声可降低5dB。由于有效降低了接头冲击，减振接头夹板能减少接头病害，可节省维修成本。目前，天津地铁1号线高架桥普通线路地段，深圳蛇口车辆段、成都地铁1号线等需上盖物业开发的车辆段均采用了减振接头夹板，效果良好。

                 图5 减振接头夹板
        停车场内分布了众多半径为150m的小半径曲线，列车通过曲线时轮缘与钢轨发生接触，产生了较直线地段更剧烈的轮轨振动和噪声。针对小半径曲线的振动和噪声，可采取了阻尼钢轨进行减振降噪。
        目前国内阻尼钢轨主要有两类产品，分别为迷宫式阻尼钢轨以及钢轨吸振器，如下图所示。

        图6 迷宫式阻尼钢轨            图7 钢轨吸振器
        新型迷宫式约束阻尼钢轨是最新研制的一种阻尼钢轨类型，这种阻尼钢轨通过巧妙的迷宫格室设计，使阻尼面积可大大超过粘贴表面积，阻尼层变形大，约束刚度高，阻尼比远高于普通的单层约束阻尼，对阻尼材料性能的依赖性较低，可以获得更好的阻尼降噪效果。
        北京地铁13号线西直门～大钟寺区间高架桥直线段、北京地铁1号线古城车辆段及上海地铁10号线的吴中路车辆段试铺了新型迷宫式约束阻尼钢轨。古城车辆段对曲线段有无铺设阻尼钢轨噪声进行了测试对比，测试结果表明，在地面曲线段，由于曲线嚣叫强烈，迷宫式约束阻尼钢轨的降噪效果明显，而且行驶速度越高，降噪效果越好。迷宫式约束阻尼钢轨除抑制噪声外，还可有效地降低轮轨的振动，故对小半径曲线地段的钢轨波磨也可形成有效的抑制作用。
        钢轨吸振器安装于轨腰两侧，可以从振源上降低噪声。它主要由减振契块、弹性夹、橡胶垫条及粘结材料组成，可根据钢轨的不同类型、及轨枕间距订制。减振契块由不同硬度橡胶制成，形成约束阻尼处理结构。内部含有特殊配重物，增加振动质量，起到衰减振动的作用。在这约束阻尼处理结构中，不仅承受拉压变形，还同时承受剪切变形，将有序的机械能转变为无序的热能，从而起到降噪的作用。减振契块与钢轨粘合后，采用弹性夹进行紧固。目前，钢轨吸振器已在国内长春、深圳等地的城市轨道交通中已有应用。
        车场内曲线半径小且数量较多，车辆进出场所产生的噪声必然会对周边环境产生影响，上述两类阻尼钢轨均能起到不低于3dB的降噪效果，均适用停车场车场线曲线非道岔区范围内采用。