时速160 km市域快线轨道减振设计研究

李 平

（广州地铁设计研究院股份有限公司 广东广州 510000）

1 引言

随着城市的发展，人们对城轨交通运营中所产生的环境振动影响越来越关注［1］，而国内外尚无设计时速达到160 km的市域快线，因此，有必要针对市域快线进行轨道减振设计研究。

广州市轨道交通十八及二十二号线工程串联了广州南沙新区、南沙自贸区、琶洲片区、珠江新城、广州东站、广州南站等区域，设计速度160 km／h，全地下敷设。轨道主要技术标准如表1所示。

表1 轨道主要技术标准

2 环境振动评价标准

2.1 评价范围

根据《环境影响评价技术导则—城市轨道交通》（HJ-453-2008）［2］，运营期环境振动评价内容包括列车运行振动对评价范围内振动环境保护目标的振动影响评价，环境振动影响评价范围为外轨中心线两侧60 m以内区域，二次结构噪声评价范围为隧道垂直上方至外轨中心线两侧10 m。必要时，可根据工程及环境实际情况适当扩大。

2.2 评价指标

美国、日本、德国、英国以及国际标准化组织ISO都针对各类振源引起的环境振动提出了相关规范和标准［3］。为了控制城市环境振动污染，我国制定了《城市区域环境振动标准》（GB 10070-88）［4］及《城市区域环境振动测量方法》（GB／T 10071-88）［5］，并将垂向Z振级列为城市各类区域的评价指标。文献［4-5］定义了4种振级，包含振动加速度级VAL、振动级VL、Z振级VLz、累积百分Z振级VLzn。为更方便国内从业者计算Z振级，我国颁布了《机械振动与冲击人体暴露于全身振动的评价第1部分：一般要求》（GB／T 13441.1-2007）［6］，给出了5种计权因子（见表2），表中x轴为水平纵向，y轴为水平横向，z轴为垂向。其中Z振级即是按该要求规定的全身振动Z计权因子W修正后得到的振动加速度级。从表2可知，评价城轨交通对环境振动影响时，Z计权因子应取Wk值。

表2_计权因子

2.3 环境振动控制标准

由于环境振动控制标准属于人体舒适度标准，故对于城轨交通引起的地面振动，不论设计时速的大小，均可执行GB 10070-88，如表3所示。

表3_环境影响评价标准

3 振动预测

3.1 源强的选取

振动源强的选取直接影响着环境振动预测结果的大小，而目前尚未有时速160 km的市域快线，由于该工程车辆、轨道均执行城际铁路无砟轨道标准，项目组针对武广客运专线金沙洲隧道段2个断面进行了振动实测。断面1距隧道出口300 m、轨面埋深15 m，地质情况主要是淤泥质粉质黏土、粉砂；断面2在隧道中部、轨面埋深35 m，地质情况为炭质灰岩、粉砂、淤泥质粉质黏土。两个断面位于直线段，轨道结构采用CRTSⅠ型双块式轨道。测试结果与文献［7］进行对比如表4所示。

表4_振动源强测试结果对比

根据文献［8］方法，将此次实测数据速度修正至120 km／h，轴重修正至14 t，轨道结构修正至有砟轨道后，隧道壁VLzmax＝84.6 dB，与沪宁铁路测试结果差值小于3 dB。沪宁铁路实测数据应用广泛，且是两者中的较大值，故建议采用沪宁铁路的实测数据作为环境振动预测的源强。

3.2 预测方法

列车振动产生和传播是一个异常复杂的过程，它与列车的构造、性能和行车速度、轨道、隧道、沿线地质条件等许多因素有关，目前尚无精准预测方法，一般采用模式预测方法。目前轨道交通使用比较广泛的方法包括文献［2］和文献［9］的两种方法。通过对比可知，两种方法所采用的公式基本一致，所考虑的修正因素主要为列车速度、轴重、轨道结构、轨道条件、隧道或地质类型、距离以及建筑物类型，主要区别在于两者考虑线路敷设方式不一致而引起修正参数方面的差别。综合文献［2］和文献［9］的对比，结合工程实际和环境特征，采用分析、类比、计算调查的方法进行预测，本次振动预测模式如式（1），式中各参数的取值参见文献［8］。

式中，VLz为Z振动级（dB）；VLz0，i为列车振动源强，列车通过时段的参考点Z计权振动级（dB）；n为列车通过列数，n≮5；C为振动修正项（dB）。

C＝CV＋CW＋CL＋CR＋CH＋CG＋CD＋CB

式中，CV为列车运行速度修正量（dB）；CW为轴重修正量（dB）；CL为轨道结构修正量（dB）；CR为轮轨条件修正量（dB）；CH为隧道结构修正量（dB）；CG为地质修正量（dB）；CD为距离修正量（dB）；CB为建筑物修正量（dB）。

3.3 振动预测

该工程的线路埋深基本在20～40 m之间。根据上述预测方法，按照“交通干线两侧”、“混合区、商业中心区”夜间标准（72 dB）、“居民、文教区”昼间标准（70 dB）、“居民、文教区”夜间标准（67 dB），预测出速度在80～160 km／h、埋深20～40 m时的建筑物室外振动控制距离如表5所示。不同埋深隧道沿线垂直上方地面Z振级VLz预测结果如表6所示。

表5_地表振动控制距离_m

续表5

_表6_垂直上方地面Z振_级_dB

从表5可知，行车速度越高，轨道沿线地表振动控制距离影响越大。以埋深25 m、行车速度120、140、160 km／h为例，沿线地下线路区段外轨中心线23.4、31.1、38.2 m以外区域的环境振动方可满足文献［4］之“居民、文教区”夜间标准要求。从表6可知，为满足“混合区、商业中心区”及“交通干线道路两侧”夜间72 dB标准，当埋深分别为35 m、40 m时，允许最高行车速度分别为120 km／h、140 km／h；当行车速度160 km／h时，即使埋深达到40 m，也将造成振动略有超标，需要采取减振措施。为满足“居民、文教区”夜间67 dB标准，即使埋深达40 m，允许最高行车速度仅为80 km／h。

4 轨道减振措施比选及优化

4.1 无砟轨道减振措施综述

与有砟轨道相比，无砟轨道虽然具有稳定性高、刚度均匀性好、耐久性强、维修工作量少等优点，但存在弹性较差、环境振动较高的不足。为解决这一问题，国内外进行了大量的研究工作，提出了不同解决方案，主要分为扣件减振、轨枕减振、道床减振等，如表7所示。

表7_轨道减振措施_

当城轨交通设计速度提高至160 km／h后，列车对轨道平顺性提出了更高的要求，从而对轨道减振措施的刚度平顺性、下沉量、横向位移及扭曲等均提出了更高的要求。时速120 km以下城轨交通中常用的减振扣件、弹性短轨枕、梯形轨枕等，由于刚度过低，列车经过时下沉量加大，将引起钢轨非正常波磨，养护维修量加大，使用寿命降低，也会影响旅客舒适性，另外整个系统的横向刚度及稳定性需要进一步验证［10］。国外经验表明钢轨动态下沉量决定了轨道养护维修成本和使用寿命。因此，市域快线轨道减振措施不能因减小振动传递比而一味降低轨道结构刚度，应选择参振质量大、稳定性好的道床类减振措施。

4.2 轨道减振措施推荐方案

减振垫浮置板轨道因具有良好的安全性、稳定性和经济性，在世界多个不同地质和气候条件国家的轨道交通项目中得到广泛应用。国内深圳、杭州、北京、西安、宁波等地铁均铺设了减振垫浮置板轨道。2010年以来，减振垫浮置板轨道先后应用于我国成灌、广深港、宁天、沪昆、兰新等城铁和高铁的高架线、地面线和地下线的减振地段。由于该工程为全地下线，为提高参考价值，对广深港高铁狮子洋隧道减振垫浮置板的减振特性进行详细分析。

狮子洋隧道减振垫浮置板减振轨道，从上至下依次为钢轨、弹性扣件、轨道板、CA砂浆、减振垫（27mm）以及钢筋混凝土底座［11］。为获得其减振效果，文献［12］通过对实测底座及隧道回填层振动加速度时域波形进行分析识别，计算了Z振级，得到了该减振措施的减振效果如表8和表9所示。从中可以看出，随着列车速度增加，底座及隧道回填层Z振级有逐渐增大趋势，而减振垫的减振效果有逐渐减小的趋势；分析底座Z振级（见表8）可知，狮子洋隧道无砟轨道减振断面的减振效果最大值、最小值分别为10.0 dB、3.1 dB；分析隧道回填层Z振级（见表9）可知，其减振效果最大值、最小值分别为9.8 dB、4.5 dB。考虑到本工程设计时速为160 km，对比表8和表9，并预留一定的减振效果余量，确定减振垫浮置板在本工程的减振效果为6～10 dB。考虑减振垫浮置板已在时速大于160 km的城铁和高铁中得到成功应用，结合高速铁路对轨道静动态几何形位的严格要求［13］，建议市域快线正线轨道减振措施采用隔离式减振垫浮置板。

_表8_底座Z振级 dB

_表9_隧道回填层Z振级 dB

4.3 重型钢弹簧浮置板优化设计

通过对比表5、表6、表8和表9可知，当线路下穿埋深较浅的敏感目标且行车速度较高时，隔离式减振垫浮置板因其减振效果有限而难以胜任。因此，有必要研发一种减振效果更好的轨道减振产品用以应对该工程可能出现的环境振动严重超标的恶劣工况。

钢弹簧浮置板由于参振质量大，固有频率相对于扣件、轨枕减振措施显著减小，具有良好的减隔振效果［14］，已普遍应用于地铁项目中。

根据轨道结构减振原理［15］可知，增加“质量＋弹簧”系统的参振质量有利于降低减隔振系统的自振频率，而从轨道交通的扰动频率来看，多为高频扰动，降低减隔振系统的自振频率有利于提高减隔振系统的减隔振效果，而目前本工程的单洞单线盾构隧道内径已达到7.7 m，具有重型钢弹簧浮置板系统的实施条件。参考韩国首尔～釜山高铁天安站的应用情况，提出增大参振质量的重型钢弹簧浮置板方案，如图1、图2所示。

图1 重型钢弹簧浮置板平面图

图2 重型钢弹簧浮置板剖面图（单位：mm）

考虑列车高速运行对轨道的动态平顺性、长大区间的设置对轨道养护便利性均提出了更高的要求，该方案采取了增设板端限位装置、中间暗沟优化为两侧明沟等措施。不过，该方案的可行性及其他具体设计参数尚待深入研究，建议尽快开展该方面的科研工作。

5 结束语

（1）通过分析多本国家规范，明晰了市域快线引起环境振动评价范围、评价指标以及控制标准。

（2）针对武广客运专线金沙洲隧道进行了现场振动测试，通过对比分析，得到了适用于该工程的振动源强；根据环境振动评价标准和评价方法，结合工程实际情况和环境特征，获得了该工程线路沿线建筑物建议振动控制距离，预测了不同埋深、不同速度条件下垂直上方地面的Z振级。

（3）概况分析了扣件、轨枕以及道床三大类轨道减振措施在市域快线中的适用性；通过分析隔离式减振垫浮置板的应用情况和减振效果，结合高速铁路轨道静动态几何形位的控制标准，建议市域快线轨道减振措施采用隔离式减振垫浮置板。

（4）为应对工程可能出现的环境振动严重超标的恶劣工况，提出了一种重型钢弹簧浮置板优化方案，建议下一步进行深入的理论、试验及工程应用研究，以期为后续类似的工程设计提供科学指导。