几种典型的地铁减振浮置轨道的对比分析

赵纣斌

几种典型的地铁减振浮置轨道的对比分析

赵纣斌

（南宁轨道交通集团有限责任公司，南宁 530029）

针对目前国内地铁工程所用到的钢弹簧浮置板、减振垫浮置板、橡胶隔振器浮置板、浮置式梯形轨枕等不同浮置轨道技术，在按重量级别、隔振元件、浮置板浇注方式及浮置板是否设预应力等不同方式进行分类的基础上对比分析各自不同的技术特点，可为不同工程条件下的正确选型提供参考。提出理论及实际减振效果的差异性、减振与降噪效果的区别、典型不利工程条件的适应性以及综合造价的核算等浮置轨道选型及设计应用的要点和建议，并探讨未来运营线浮置轨道的高效检查维修技术，以及设计速度≥140 km/h线路浮置轨道系统设计及安全可靠性保障技术等后续发展方向。

地铁；轨道；减振；降噪；隔振器；减振垫；浮置板；梯形轨枕

1 研究背景

近年来，国内城市轨道交通建设及运营规模不断扩大，其对城市区域环境振动及噪声的影响也越来越大。浮置板技术减振效果最好，从2002年引进国内开始，在地铁中得到越来越广泛的推广应用，为地铁工程运营满足相关振动噪声控制标准起到了重要作用。以南宁市各地铁线为例，1、2、3号线的浮置轨道铺设长度分别为4.6 km、4 km、11.2 km，应用或试铺了多种浮置板类型[1]。

由于不同地铁工程条件和需求的多样化和复杂化，浮置轨道也由最初单一的钢弹簧浮置板而逐步演变出橡胶/聚氨酯减振垫浮置板、橡胶隔振器浮置板、浮置式梯形轨枕等多种类型。不同类型浮置轨道的减振原理均大致相近，但细节构造形式、减振元件、接口关系、适用条件及造价等方面均存在不同程度的差异。在具体工程设计中，需针对不同的工程特点及条件来合理进行浮置轨道类型的选择和设计，以确保既达到期望的减振效果，又不至产生额外的问题和病害。

随着浮置轨道应用经验的不断积累，建设部还颁布了专门的《浮置板轨道技术规范》（CJJ/T 191-2012）来规范和引导浮置板的合理化应用[2]。

2 浮置轨道的主要类型及技术特点

根据不同的分类方式，浮置轨道可按重量级别、隔振元件、浮置道床浇筑方式、浮置道床是否设预应力等多种方式进行分类，不同的类型具有不同的技术特点。

2.1 按重量级别划分

按重量级别进行划分[3]，浮置轨道可分为重型浮置板、中型浮置板及轻型浮置板，断面图见图1～3，技术特征见表1。

图1 中/重型（钢弹簧）浮置轨道

图2 轻/中型（钢弹簧）浮置轨道

图3 浮置式梯形轨枕

该划分方式主要是结合两方面的工程条件进行考虑的：一是减振效果需求，即减振要求高时，需采用中型或重型浮置轨道，减振要求相对较低时，则采用中型或轻型浮置轨道；二是浮置轨道铺设段的隧道及桥梁等下部基础的轨道结构高度及承载能力条件，当轨道结构高度条件宽松且隧道桥梁承载能力足够时，可选用中型或重型浮置轨道，反之则选用中型或轻型浮置轨道。

对于地下线而言，轨道结构高度及隧道承载能力通常情况下并不制约浮置轨道的选择，主要考虑减振效果需求即可。

表1 按重量级别划分的浮置轨道技术特征

对于高架线而言，轨道结构高度及桥梁承载能力往往是很主要的制约因素，比如高架桥轨道结构高度通常采用520～540 mm，容许的轨道自重≤20 kN/m，若超过限值，则需要对桥梁作特别加强设计。此外，影响高架线减振降噪目标实现的条件和因素比地下线更复杂，比如背景振动及噪声、桥梁位置、高度及类型、敏感建筑与线路的相对位置关系等，在减振效果之外，浮置轨道的重量级选择需经过更全面综合的权衡和取舍。

2.2 按隔振元件划分

浮置轨道的隔振元件主要分为钢弹簧隔振器、橡胶隔振器、橡胶或聚氨酯减振垫3大类，其中橡胶或聚氨酯减振垫又可分为点支承、条支承及面支承3种（见图4，图5），技术特征见表2。

图4 橡胶隔振器浮置轨道

图5 橡胶/聚氨酯减振垫浮置轨道[7]

表2 按隔振元件划分的浮置轨道技术特征[4-7]

钢弹簧材料强度高，容许压缩变形相对较大，故钢弹簧隔振器刚度值可设得相对较低，配置的浮置轨道可以更厚重，因而减振效果相对较好。此外，钢弹簧的性能稳定，耐久性好，自身具备横向刚度，故无需设置额外的水平限位装置，但钢弹簧自身并不具备阻尼特性，需单独设置阻尼材料，造价相对较高。

橡胶隔振器浮置板即采用橡胶隔振器替代传统的钢弹簧隔振器。与钢弹簧相比，橡胶隔振器自带阻尼特性，结构简单，可有效降低隔振器高度，从而更具灵活性。但橡胶材料具有蠕变和衰减特性，使得其使用寿命低于钢弹簧。

橡胶/聚氨酯减振垫是最常用的隔振材料，减振垫浮置板结构简单，施工方便，但对材料的强度、耐久性、刚度及阻尼稳定性等方面的要求较高。减振垫浮置板有面支承、条支承及点支承等3种支承方式，国内目前应用的以面支承（减振垫浮置板）及点支承（浮置式梯形轨枕）为主。面支承减振垫浮置板的质量较大，但减振垫检修、更换及沉降整治等很困难，一般建议用在下部基础变形小、无渗漏水的地段；点支承方便检查维修及调整，但减振垫面积较小，对材料性能技术要求很高。

广州地铁1号线在国内率先采用了浮置板（橡胶点支承浮置板），2002年国内开始推广应用的是钢弹簧浮置板；2005年，点支承聚氨酯减振垫的浮置式梯形轨枕开始在北京地铁铺设应用；2009年，采用面支承方式的橡胶减振垫浮置板开始在成都、深圳、杭州等地铺设应用。橡胶隔振器浮置板在国内尚处在研究试铺阶段，南宁地铁2号线于2016年在国内首次试用这种浮置轨道。国内橡胶材料技术成熟，但减振垫细部构造或浮置轨道系统设计、供货及使用若存在缺陷，耐久性及可靠性往往受到影响，聚氨酯材料性能稳定、耐久性好，但目前国内已应用的聚氨酯减振垫主要为国外进口，价格较高。

2.3 按浮置轨道浇筑方式划分

浮置轨道浇筑方式分为现浇、预制及部分预制等3种[5]（见图6～8）。国内最初的应用均为现浇浮置轨道，但随着建设规模及建设速度的不断提高，现浇浮置轨道因其构造复杂，现场浇筑施工的质量也良莠不齐，易出现外观差、钢筋外露、表面开裂以及（小半径曲线）轨道几何尺寸精度偏差大等问题，在这种情况下，预制浮置板开始被研究并应用。

图6 现浇浮置轨道

图7 预制浮置轨道

图8 部分预制浮置轨道

预制浮置板克服了现浇浮置板的种种不足，尺寸精度高、外观好、浇筑质量均匀，但受制于运输及吊装的限制，预制浮置板的长度仅能做到3.6～6 m，无法达到现浇浮置板的25～30 m，较短的长度对减振效果有所影响，并增加了剪力铰的数量。此外，预制浮置板的造价比现浇浮置板增加约10%。

国内应用较多的浮置式梯形轨枕采用了特殊的预制纵梁+横梁结构，因质量相对较轻，故可直接采用与普通轨道一致的轨排法或架轨法进行快速施工，常规施工速度可达到120 m/d，是施工速度最快的一种浮置板。

部分预制浮置板在预制浮置板的基础上，将承轨台部分预留后浇筑，对浮置板的安装精度要求有所放宽，但相应的架轨、精调及二次浇筑工序及难度有所增加，国内仅在天津、成都、宁波等地的个别地铁中有过尝试，尚未大量推广。

2.4 按浮置板是否设预应力划分

浮置板主筋配置有2种形式：普通非预应力钢筋及预应力钢筋，目前国内所有现浇浮置板及大部分预制浮置板均采用了普通非预应力钢筋，仅有浮置式梯形轨枕采用了预应力钢绞线。

浮置板支承刚度较小，列车通过时的正常动态变形最大可达到5 mm左右，纵向弯矩最大可达到300 kN·m，所以浮置板需配置足够的纵向受力钢筋，但过于密集的钢筋布置，会影响浮置板的浇筑质量，而且非预应力钢筋无法阻止浮置板表面出现裂纹，从而对浮置板的耐久性不利。

采用预应力钢筋（钢绞线）不仅可以减少钢筋用量，而且可有效提高浮置板的抗弯承载能力，也对耐久性更为有利，所以建议预制浮置板尽量采用预应力钢筋，但预应力结构对预制浮置板的设计、生产及运输技术要求更高，这是需要引起重视的。

2.5 现有浮置轨道的技术特征汇总

在上文对比分析的基础上，以下将目前国内应用的典型浮置轨道如钢弹簧浮置板、橡胶/聚氨酯减振垫浮置板、橡胶隔振器浮置板、浮置式梯形轨枕等的技术特征进行罗列（见表3）。需要说明的是，表3中所列的技术特征为常规做法的情况。

表3 几种常用浮置轨道的技术特征汇总

3 浮置轨道选型及设计应用若干要点

3.1 理论及实际减振效果的差异性

由上文分析可知，在理论减振效果方面，钢弹簧浮置板最好，橡胶隔振器及减振垫浮置板次之，浮置式梯形轨枕相对较低一些。

但一些实铺工程如深圳地铁2号线、宁波地铁1号线等开通后的测试结果表明，作为轻型浮置轨道的浮置式梯形轨枕减振效果并不一定比中/重型浮置板差，原因之一就是因为浮置式梯形轨枕均为预制结构，铺设的轨距及轨底坡等轨道几何精度高，从而降低了列车通过时的振动源强；而采用现浇方式的浮置轨道的轨道几何精度控制质量离散性相对较大，则可能引起振动源强放大，可见浮置轨道的施工质量控制非常重要。

3.2 减振与降噪效果的区别

3.2.1 减振效果

地铁地下线对沿线环境敏感点的影响主要是振动及由振动引起的建筑物室内二次结构噪声问题。浮置轨道对地下线沿线振动控制效果已积累了很多的研究、实测及经验，表3中所列减振效果即为统计性的结果。

3.2.2 室内二次结构噪声控制效果

振动引起的建筑物室内二次结构噪声的影响因素很多且复杂，影响规律目前行业内还不掌握，各种工况条件下浮置轨道能降低的室内二次结构噪声还没有公认的数据。目前项目环评中采用了一个经验公式来预测室内二次结构噪声，一旦预测结果超标，即推荐采用钢弹簧浮置板。采用钢弹簧浮置板固然能降低超标风险，但过多铺设钢弹簧浮置板，除了引起造价高昂，还给施工筹划、运营维修管理带来一系列麻烦，所以这一情况还有待进一步改善。从目前的经验来看，虽然浮置轨道对室内二次结构噪声的降噪效果还没有统计数据，但可以借助室内振动水平的预测来作为参考，将可能受二次结构噪声影响的敏感建筑室内振动设防标准适当提高，基本上可实现二次结构噪声的控制目标，而钢弹簧浮置板并不一定必需。

3.2.3 高架桥二次结构噪声

高架桥噪声[8]主要包括轮轨噪声及桥梁二次结构噪声，桥梁二次结构噪声主要通过轨道减振的方式加以控制，行业内对此已形成共识，越来越多的地铁高架桥在噪声超标地段采用了浮置轨道。

根据上海、杭州、西安、宁波等地高架桥在线实测，包括浮置式梯形轨枕在内的浮置轨道对高架桥二次结构噪声的降噪效果可达到10 dB或以上，从数值上看，“略低于”地下线的减振效果。针对混凝土桥梁二次结构噪声降噪效果设计值，中型钢弹簧浮置板建议为12 dB，其余浮置轨道建议为8～10 dB。

3.3 典型不利工程条件的适应性

国内地铁工程中，浮置轨道经常遇到的不利工程条件主要包括基础不均匀沉降、隧道渗漏积水等[9]。

基础不均匀沉降有可能是由软弱地质条件，也有可能是地铁隧道本身或沿线其他构筑物施工所致。这种地段铺设的浮置轨道，需考虑方便沉降变形检查及轨道高度调整。现有浮置轨道中，钢弹簧浮置板及浮置式梯形轨枕检查较为方便，只要限界允许，钢弹簧或橡胶隔振器浮置板的隔振器采用垫片方式，调整量可达到60～100 mm，梯形轨枕减振垫下部可分层无限垫高；相对而言，采用面支承方式的减振垫浮置板很难实现垫高（见图9）。

除采用明沟排水的浮置式梯形轨枕之外，其余浮置轨道均采用位于基底的暗沟作为排水通道。暗沟标高较低，断面较小，若隧道内渗漏水较多，很容易发生淤积，影响浮置轨道的减振效果及隔振元件的使用寿命。针对这一问题，需在浮置轨道的设计及施工中，与线路、排水等专业紧密配合，做好线路纵坡、排水泵房位置及入水口高程、上游截水沟及沉淀池、下游排水沟过渡段等方面的设计，避免出现积水病害。

图9 浮置式梯形轨枕应对差异沉降的调高方案

3.4 综合造价的核算

在普通轨道的基础上，浮置轨道不仅要增加隔振元件及配套其他部件，轨道结构方面，也要更为复杂，对施工设备、技术及人员要求更高，施工效率相对较低，故针对浮置轨道相对于普通轨道增加的造价，需要综合考虑工料机综合造价的增加，而不仅仅是隔振元件的造价增量[10]。

钢弹簧浮置板、减振垫浮置板及浮置式梯形轨枕的工料机综合造价在普通轨道基础上分别需增加1 200～1 400、700～800、600～700万元/km。其中，钢弹簧浮置板及减振垫浮置板除隔振元件的造价外，钢筋混凝土材料、施工机具及人工的造价也较高。如中量级钢弹簧浮置板成本（1200万元/km）包括了隔振元件（800万元/km）、钢筋混凝土材料及施工造价（400万元/km），浮置式梯形轨枕则主要增加了减振部件的采购成本，施工成本增加较少，可由节省的普通轨枕及道床混凝土抵扣。

4 小结及展望

经过此前10多年来“引进—消化吸收—再创新”的发展，浮置轨道的类型越来越丰富，设计及施工技术和经验不断积累，性能越来越可靠，在我国地铁减振降噪领域发挥着越来越重要的作用。

未来一个时期，随着各城市地铁运营规模不断扩大，以及城市轨道交通向市郊、市域拓展，设计速度不断提高，浮置轨道技术的发展主要有两个重点方向，一是运营线浮置轨道的高效检查维修技术，二是设计速度≥140 km/h线路的浮置轨道系统设计及安全可靠性保障技术。

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（编辑：郝京红）

Comparative Analyses of Several Typical Metro Vibration Damping Floating Tracks

ZHAO Zhoubin

(Nanning Rail Transit Co., Ltd., Nanning 530029)

This paper classifies the various floating track vibration-reduction technologies into steel spring floating slab, damping pad floating slab, rubber vibration isolator floating slab, and ladder sleeper, which are used in domestic metro engineering, according to their grade, vibration isolation element, pouring method, and prestress condition, and then, compares and analyzes their individual technical characteristics, to provide references for better selection under different engineering conditions. This paper also presents several key points and proposals for type selection and design of a floating track, including the difference between theoretical and actual vibration damping effects, difference between vibration damping effect and noise reduction effect, suitability of typical unfavorable engineering conditions, and comprehensive cost accounting, and then discusses two development directions of efficient inspection and maintenance technology for the floating track of the future operation line and the system design and security assurance technology for a floating track of ≥140 km/h.

metro; track; vibration damping; noise-reduction; vibration isolator; damping pad; floating slab; ladder sleeper

U231

A

1672-6073(2018)02-0102-06

10.3969/j.issn.1672-6073.2018.02.017

2017-05-10

2017-05-22

赵纣斌，男，本科，工程师，从事城市轨道交通轨道工程建设管理工作，zzb2301@126.com