广州地铁4号线北延段工程轨道减振方案比选

王羽杰

(中铁工程设计咨询集团有限公司轨道工程设计研究院，北京 100055)

1 概述

城市轨道交通的建设，在缓解城市公共交通压力的同时也存在着诸多问题，其中市民反映最为强烈和集中的是轨道交通所产生的振动和噪声问题。轨道结构在车、轨、隧道(桥)耦合振动体系中，不但是振源，同时也是振动的传递因素，其结构参数(质量、刚度、几何尺寸等)直接决定了振动输出的效果。因此，合理选择轨道结构的形式和结构参数，是解决减振降噪的积极措施，其结果是可直接减小轨下基础振动，从而有效降低地面振动或高架结构“二次噪声”。因此，轨道结构的减振降噪，对于整个轨道交通的振动与噪声防治，是积极的，也是较为直接和经济的防治措施。

2 方案介绍

广州地铁4号线北延段工程北起黄村站，南至车陂南站，全长3.02 km。经过区间为黄村、车陂村等城乡结合部，沿线主要分布有学校、居民和村民住宅等建筑，除黄村站附近有高层建筑外，其余区段均以2～5层的私宅为主，建筑物结构类型以Ⅰ、Ⅱ类建筑为主，没有供居住的Ⅲ类建筑。

城市各类区域铅垂向Z振级标准值见表1［1］。

表1 各类区域Z振级标准值 dB

线路中心距离医院、学校、音乐厅、精密仪器厂、文物保护和高级宾馆等建筑物小于20 m及穿越地段，宜采用特殊减振轨道结构，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［2］。根据《广州市轨道交通4号线北延段工程环境影响评价报告书》(以下简称“环评报告”)，本工程共有3处环境敏感点预测值超标，详见表2。

表2 预测值超标地段

振动环境影响评价工作等级应根据建设项目特点、工程运营前后振动级变化程度，以及沿线环境敏感程度及其环境振动标准来确定，一般分为2级［3］。

采用高弹性减振扣件是所有轨道交通工程中最普遍的做法，特别适用于一般地段的轨道结构，该扣件种类很多，各国都研制了不同的结构，基本都是采用橡胶的压缩变形来吸收振动，一般来讲，这种扣件可以降低振动 3 ～8 dB［4］。

根据环评报告预测结论，上述3处敏感点振动超标值最大为7 dB，属于中等减振范畴。本工程为直线电机牵引系统，且为国内首条已通车运营的广州地铁4号线车陂南—黄阁段的北延长段(4号线车陂南—黄阁段已采用LORD减振扣件)，结合以往地铁轨道减振经验，有以下3种扣件减振方案。

(1)GJ-Ⅲ型减振扣件

GJ-Ⅲ型双层非线性减振扣件，是一种新型的轨道减振扣件，GJ-Ⅲ型扣件是基于底板型扣件系统(标准型或特制型)，并通过设计双层非线性弹性垫板系统以降低系统刚度和提高结构阻尼来控制二次噪声与振动。它由轨下橡胶垫、上铁垫板、中间橡胶垫、下铁垫板和自锁机构等组成，如图1所示。与传统扣件相比，其优势在于系统刚度较小，允许钢轨在列车通过时具有较大的垂直变形。低刚度系统减少了对其支撑系统的振动传播，从而减少了对地面振动的传播。

图1 GJ-Ⅲ型减振扣件

双层非线性减振扣件属于缓冲减振类型，利用缓冲尼龙垫板及上、下层铁垫板结构实现自锁，且能传递纵、横向力，主要由上、下两层橡胶垫板弹性起到一定的缓冲减振效果［5］。

该扣件技术的关键是上垫板与下垫板的锁定装置。锁定装置使得下铁垫板对下通过锚固螺栓将整个扣件固定在钢轨上、对上通过锁定机构将上铁垫板位置锁定，限制铁垫板前后左右及向上方向的运动，只允许其向下在中间橡胶垫上做弹性运动。缓冲尼龙套既是上、下铁垫板间水平方向运动的缓冲垫，又起锁定上垫板位置的作用。同时该系统不会因列车通过时产生大的钢轨扭转及增加轨道扣件和施工高度。

根据2007年2月6日由铁道科学研究院金属及化学研究所出具的检验报告“(2007)金化检字第82号”，该扣件静刚度为10.94 kN/mm，动静刚度比 ＜1.3。相对于DTVI2型扣件，在大于63 Hz频带的减振效果为4.8～15.9 dB，最大减振效果15.9 dB，出现在频率210 Hz处。

GJ-Ⅲ扣件减振失效时可直接更换垫层，方便维修。独特的“自锁结构”设计通过在铸件结构中镶嵌尼龙结构件，巧妙地解决了上、下铁垫板之间的连接问题，不用螺栓锚固，也不用硫化粘结，便能传递纵、横向力和翻转力矩;能方便地更换失效的中间橡胶垫，而铁垫板可继续使用，大大降低了维护费用［6］。

(2)LORD减振扣件

美国LORD扣件是由美国LORD公司研制的一种压缩型减振扣件，在我国主要是在上海地铁多条线路大批量应用。该扣件用弹性材料把顶板(用来固定钢轨)和底板(用以连接基础)粘接起来由相当厚的弹性材料提供弹性［7］。

该扣件是由洛得公司开发的一种扣件，见图2，其主要结构是三明治型橡胶与金属的胶结垫板。主要特点是将承轨板、带孔橡胶和底板硫化为整体，利用橡胶孔的变形进行减振。LORD扣件直接支承钢轨，下面设置调高垫板，扣件调距通过调距扣板的齿纹移动铁垫板，利用铁垫板的长圆孔来实现“无级”调距的目的。

图2 LORD减振扣件

根据2006年8月同济大学铁道与城市轨道交通院提供的检测报告，LORD扣件相对于单趾弹簧扣件在小于800 Hz频带范围内的减振效果1～12 dB，最大减振效果出现在250～800 Hz频带范围内，综合的减振效果为6.29 dB。

(3)减振器扣件(克隆蛋)

参照国外有关轨道减振器资料和国内其他减振器，根据地铁轨道结构特点，为避免应力集中，把减振器设计为椭圆锥形，见图3，能有效地耗散轨道振动能量，起到减振和缓冲作用［8］。减振器扣件是将椭圆锥形内圈(与钢轨相联)和外圈(与道床相联)用橡胶硫化胶结在一起的结构形式。减振器扣件在车轮荷载作用下有较大的挠曲，从而降低上部建筑的力学阻抗，减小振动的激发，利用橡胶的剪切变形取得较高的弹性进行减振。

图3 减振器扣件

轨道减振器是从垂向、横向和纵向支撑轨道的，并且通过垂向、横向和纵向的弹性支撑结构缓冲传递的振动。所以，轨道减振器对轨道的纵向和横向限制力应相等，而且必须具有高弹性［9］。

根据2007年4月株洲橡塑时代提供的产品检测报告，扣件垂直静刚度为7～12 kN/mm。2007年4月由铁道科学研究院出具的轨道减振器与DTVI2型扣件减振性能比较的实验报告表明，减振器扣件在80～1 000 Hz频带的减振效果为2.9～12 dB，最大减振效果17.6 dB出现在频率400 Hz处。

3 方案比选

轨道减振设计的主要原则如下:

(1)轨道减振结构应确保轨道结构强度及稳定性，且应满足环境评价减振要求;

(2)轨道减振应采用成熟的工艺、设备，尽可能减少工程风险，且应与既有、在建线减振措施统一，便于维修，降低运营成本;

(3)减振类型应尽量统一，并进行经济分析比较，采用能降低全寿命周期成本的减振产品。

上述3种减振扣件在国内各城市地铁线路中均有应用，是成熟的减振扣件。3种减振扣件的技术经济比较见表2。

表2 3种减振扣件技术、经济比较

从表2可知，上述3种减振扣件均能满足环评报告要求的减振要求。LORD减振扣件已在广州地铁4号线车黄段工程中采用过，其余2种扣件均未在直线电机系统轨道减振设计中采用。

LORD减振扣件具有一体化设计、整体性好、结构高度与既有线路一致、钢轨垂直下沉量小于1.5 mm，满足直线电机技术要求等优点，已在4号线首期工程铺设。但从近5年来实际运营的情况来看，该扣件还存在如下弊端。

(1)该扣件不设轨距块，承轨槽一级无法调整轨距，只能用铁垫板二级调整轨距，不符合广州地铁分2级调整轨距的扣件设计原则，加大了运营维修工作量。

(2)钢轨直接落在承轨槽上，无轨下垫板。无法根据实际使用需求调整钢轨的爬行阻力。

(3)弹条直接扣在钢轨轨底，没有尼龙轨距块的缓冲，有可能会影响弹条的扣压力，使用初期钢轨的爬行阻力可能偏小，使用后期随着钢轨、弹条接触面的锈蚀，爬行阻力会增加。

(4)该扣件是一体化结构，出现问题时需整体更换，维修成本高。根据广州地铁1号线使用经验，橡胶件使用8年左右就需要更换，而铁件使用寿命预计可达30年，两者使用寿命相差较大，同时整体更换经济性较差。据运营部门反馈，4号线车黄段已发现部分硫化垫板橡胶层开裂现象。

轨道减振器扣件是城市轨道交通减振产品中采用较广的一种，北京、上海、广州等多个城市地铁线路中已成功应用，但同时也存在一些问题，经过对国外轨道减振器扣件的技术调查，初步分析减振弹性衰减的主要原因是减振器橡胶圈的橡胶性能不稳定、配方不佳等;另外，减振器的减振参数也不尽合理，如动静刚度比偏大，在10～40 kN荷载范围内达1.4。国产减振器随着使用时间的延长，轨道减振器的减振性能会大大降低，因此，为使减振器具有良好的减振性能，必须努力降低产品的动静刚度比，优化橡胶材料的耐久性、抗老化性等综合性能以及确保产品成型工艺的稳定性［10］。

减振器扣件主要存在以下弊端:

(1)扣件结构高度较大，不适宜直线电机系统感应板安装高度的精确要求;

(2)内、外圈与减振橡胶垫硫化为一整体结构，需整体性更换，后期成本较高;

(3)综合单价较高，较 GJ－Ⅲ型减振扣件高22%。

相比于LORD扣件和轨道减振器扣件，GJ－Ⅲ型减振扣件具有如下优点:

(1)橡胶件采用非线性设计，做到“低荷载低刚度，高荷载高刚度”，能满足不同轴重车辆通行安全，特别是直线电机线路，更能体现此设计的优势，能避免重轴车通过时，钢轨出现大变形;

(2)橡胶件可根据老化情况，单独进行更换，成本较低;

(3)可采用分开式设计，上下两块铁板分离，上铁板完全按照广州地铁普通扣件的承轨槽尺寸设计，保证扣件技术条件的一体性;可在制造厂家进行预组装，也可在现场维修时局部更换零部件;

(4)减振效果较好，尤其是80～100 Hz低频状态下，见图4(广州地铁5号线实测数据)。

广州地铁5号线全线减振地段共计7.4 km，超过8 dB的地段有4.7 km，小于8 dB的地段有2.7 km。由于五号线采用直线电机方式，对钢轨的动态下沉有较高的要求，为慎重起见，在减振要求相对较低，小于8 dB的地段，大沙地—大沙东区间试铺0.8 km双层非线性减振扣件［11］。

图4 GJ－Ⅲ减振扣件与单趾弹簧扣件振动加速度级对比

综上所述，上述3种减振扣件均能满足4号线北延段中等减振的设计要求。经技术和经济两方面综合对比，GJ－Ⅲ型减振扣件减振效果较好、工程造价较低，性价比最好，故推荐广州地铁4号线北延段中等减振采用GJ－Ⅲ型减振扣件。

4 结语

国内城市轨道交通中等减振方案多采用扣件减振，弹性短枕因后期运营无法更换已很少采用。本文中的3种减振扣件是使用率最高的，在具体选用哪种减振扣件时，应结合工程的实际工况，经技术和经济等多方面比选后，综合确定，择优选用。

［1］国家环境保护局.GB100070—88 城市区域环境振动标准［S］.北京:国家环境保护局，1988.

［2］北京城建设计研究总院.GB50157—2003 地铁设计规范［S］.北京:中国计划出版社，2003.

［3］国家环境保护部.HJ453—2008 环境影响评价技术导则·城市轨道交通［S］.北京:国家环境保护部，2009.

［4］任静.Ⅲ型双刚度轨道隔振器扣件的设计［J］.都市快轨交通，2007(1).

［5］李毅，丁静波.双层非线性减振扣件选型设计［J］.科技信息.2010(15).

［6］方剑.GJ－Ⅲ型减振扣件广州地铁一号线的技术应用［J］.城市建设·下旬刊，2010(02).

［7］郭建平，刘衍峰.城市轨道交通在8～12 dB范围轨道减振降噪措施比较［J］.铁道标准设计，2008(3).

［8］李湘久，杨月云，周才宝，张丁盛.轨道减振新型式－轨道减振器［J］.地铁与轻轨，1989(1).

［9］王进，彭立群，侯海彪，林达文.轨道弹性减振器实验方法的研究［J］.城市轨道交通研究，2006(3).

［10］黄友剑，赵熙雍，李金卫.橡胶产品在城市轨道交通中的应用［J］.橡胶科技市场，2004(20).

［11］中国船舶重工集团公司第七二五研究所.GJ－Ⅲ型减振降噪扣件在广州地铁5号线上的轨道动态测试及减振性能评估［Z］.洛阳:中国船舶重工集团公司第七二五研究所，2008.