北京市轨道交通大兴线减振轨道结构的选型设计

杨其振,程保青,刘道通

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300251)

1 概述

城市轨道交通大多穿越或位于闹市区,因而轨道交通产生的振动和噪声对周围环境影响变得十分突出,振动和噪声直接影响到人们的生活和健康，已成为建设城市轨道交通的最大障碍。能否将振动和噪声降低在环保规定范围内,避免形成又一社会公害,是轨道交通建设亟待解决的关键问题之一。城市轨道交通线路列车运行密度大,轨道结构养护维修工作只能在夜间停运时间进行,因此世界上大多数轨道交通的轨道结构采用刚性较大的混凝土整体道床,以减少运营中的日常维修工作。轨道结构的弹性主要依靠钢轨扣件和减振型轨道结构提供[1]。弹性较差的钢轨扣件会造成严重的轮轨振动与冲击,不仅影响轨道结构的使用寿命,而且也带来了周围环境污染,一旦超过国家标准[2]必须采取措施。

2 轨道振动源、传播及控制

城市轨道交通引起的振动,主要是车辆运行时轮轨间相互撞击所产生的,由钢轨通过扣件和道床传递到隧道或高架结构,并由该结构传向大地,引发隧道或高架结构附近地面建筑物的振动。影响建筑物振动的因素有很多,包括车辆特性、轨道结构、隧道或高架结构、地质条件、建筑物本身结构等。

北京市轨道交通大兴线工程分为地下段、过渡段(敞开、地面)和高架段3种线路形式,运营期列车运行对环境振动的影响有其各自不同的特点：

(1)地下段列车于地下行驶时产生的振动经过道床传递到隧道结构后再进一步向外传播,由于隧道壁外有较厚的土层覆盖,振动从隧道向外传播过程中振动衰减相对较快,且振动传播经过隧道这一较重结构,也将有所衰减；

(2)过渡段采用碎石道床对振动有所衰减,但由于路基较低,道床结构对振动的传播影响很小；

(3)高架段列车运行产生的振动通过桥梁这一特殊结构传至地面时已有较大衰减,因此高架桥路段振动较一般地面线路有所降低,影响范围也相对较小，主要是列车通过时对周围产生的噪声污染。

城市轨道交通的振动噪声控制是一项综合技术,通过轨道结构振动控制,即在钢轨、轨枕、扣件、道床等方面采取相应的减振措施,从而达到降低高架结构噪声的目的是最为经济可行的。同时还要在必要地段设置声屏障,以降低噪声传播。

3 轨道减振设计原则

《地铁设计规范》(GB50157—2003)[3]第6.5节减振轨道结构中,将减振轨道结构划分为3个等级,即一般减振轨道结构,较高轨道减振结构,特殊轨道减振结构。

一般减振轨道结构：采用无缝线路、弹性扣件、整体道床或碎石道床。

较高轨道减振结构：线路中心距离住宅区、宾馆、机关等建筑物小于20 m及穿越地段,即在一般减振轨道结构的基础上,采用轨道减振器扣件、弹性短轨枕式整体道床或其他较高减振轨道结构形式。

特殊轨道减振结构：医院、学校、音乐厅、精密仪器厂、文物保护和高级宾馆等建筑物距离线路中心线小于20 m的地段,即在一般减振轨道结构的基础上,采用浮置板整体道床或其他特殊减振轨道结构形式[4]。

根据《环境影响报告书》中该工程沿线振动超过国家环保标准地段及超标值,结合多年的设计经验,确定本工程轨道减振设计原则。

(1)在减振等级划分时适当留有余量,设防值比超标值宜高出3 dB；

(2)减振地段设置最小长度标准：150 m；

(3)轨道减振设计标准

一般减振：不超标地段,不特别设防

中等减振：超标1～3 dB,设防4～6 dB

高等减振：超标4～12 dB,设防7～15 dB

特殊减振：超标>12 dB,设防>15 dB

(4)积极推广新技术、新工艺,提高减振降噪的效果,使列车运行状态更平稳,乘坐更舒适。

在轨道减振结构选型设计前,针对《环境影响报告书》中提出的轨道减振降噪要求,按照上述轨道减振标准进行了分类,分类的原则是：

(1)满足减振设计标准；

(2)尽量减少减振轨道结构类型。

4 轨道减振结构现状及发展[5]

近年来减振技术迅猛发展,轨道减振结构形式及减振部件种类更加繁多,减振效果各有不同,减振技术逐步趋于成熟。因此,减振结构形式设计时,应根据需要选用适用的轨道减振结构及减振部件,既满足环评要求、技术成熟先进,又降低造价、使用寿命长。

目前常用的轨道减振高弹性扣件性价比分析见表1,轨道减振型道床见表2。表中所列静刚度及减振效果,仅供设计者参考,以便选择性价比合理的减振轨道结构,表中所列造价仅供选择轨道减振结构方案用,不能作为概、预算指标。

表1 高弹性扣件性价比分析汇总

表2 减振型道床性价比分析

注：刚性道床按300万元/km计算。

5 大兴线轨道减振结构

(1)一般减振地段轨道结构

铺设区间无缝线路,减少了钢轨接头,能有效地减少轮轨间的冲击力,使列车运行的基本单位阻力减少10%～20%。据欧美国家资料介绍运营噪声可降低2～10 dB,我国资料介绍可降低2～3 dB。

小半径曲线地段,对钢轨涂油,减轻钢轨磨耗。设置磨轨车对钢轨顶面不平顺进行打磨,定期对车轮进行镟削。据日本资料介绍钢轨经打磨后可降低噪声5～6 dB,我国资料介绍可降低3～5 dB。

采用弹性扣件,扣压力大,减缓钢轨对混凝土道床的直接冲击,使钢轨振动衰减很快,起到减振降噪作用。

严格施工及维护养护要求等,提高轨道平顺度。

(2)中等减振地段轨道结构

中等减振地段为超标1～3 dB、设防4～6 dB的减振地段。按照减振设计标准要求,能够满足中等减振要求的减振轨道结构形式主要有弹性短轨枕式整体道床、减振器扣件(科隆蛋)、LORD扣件、ZG型扣件等，以上4种减振轨道结构均可应用于中等减振地段。弹性短轨枕存在橡胶老化快、损坏时不易更换等缺陷,国内各大城市地铁工程中已经不再采用。LORD扣件利用橡胶的挤压变形,减振效果不理想,且主要部件依靠进口,养护维修及更换不方便。ZG型扣件采用自锁结构,零部件较多,养护维修及更换较复杂。轨道减振器扣件已广泛应用于国内各大城市轨道交通工程,减振性能良好,本线在中等减振地段采用轨道减振器扣件,如图1所示。

图1 减振器扣件

(3)高等减振地段轨道结构

高等减振地段为超标4～12 dB、设防7～15 dB的减振地段。按照减振设计标准要求,能够满足高等减振要求的减振轨道结构形式主要有Vanguard新型减振扣件、梯形轨枕轨道和中等钢弹簧浮置板等。梯形轨枕轨道结构是一种低噪声、低振动的轨道结构,技术先进,效果优良[5],本工程在地下线的高等减振地段采用该种轨道结构,如图2所示。

图2 梯形轨枕轨道结构

(4)特殊减振地段轨道结构

特殊减振地段为超标>12 dB、设防>15 dB的减振地段。按照减振设计标准要求,能够满足特殊减振要求的减振轨道结构形式主要有钢弹簧浮置板道床和橡胶浮置板道床两种轨道结构形式。综合考虑到钢弹簧浮置板便于维修养护,技术先进,减振效果良好。本线采用金属弹簧浮置板整体道床的特殊减振轨道结构,如图3所示。

图3 金属弹簧浮置板整体道床

6 结语

随着人们生活水平的提高,对环境要求也越来越高,城市轨道交通要走可持续发展的道路,在解决好交通的同时也要确保良好的生活环境。这就要求进行城市轨道交通的规划、设计时要充分考虑对沿线环境的影响,借鉴国外成功技术经验。

轨道减振是一项系统工程,单纯依靠轨道设计者,往往心余力拙,建议城市规划部门、建设单位以及设计单位各专业设计者通力协作,综合治理以达到预期的减振降噪目标。

参考文献：

[1]于春华.地铁轨道减振[J].铁道知识，2004(1)：16-17.

[2]GB10070—88，城市区域环境振动标准[S].

[3]GB50157—2003，地铁设计规范[S].

[4]任静，王进，曾向荣.北京地铁5号线正线轨道设计综述[J].铁道标准设计，2007(10)：16-22.

[5]张 杰，姜坚白，邓玉姝，等.浮置式梯形轨道的承载性能与环境性能分析[J].铁道标准设计，2007(10):51-54.

[6]于春华，杨其振.城市轨道交通轨道减振技术的现状和发展[J].世界轨道交通，2005(12)：50-51.