北京新机场线车辆段上盖物业开发轨道减振降噪设计

刘 玮 李克飞 张东风

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055； 2.北京轨道交通建设管理有限公司，北京 100068)

1 概述

随着城市轨道交通的迅速发展，车辆段、停车场上盖开发综合利用已成为新的热点[1-2]。车辆段和停车场的合理开发对提高城市土地利用率[3]、优化城市空间布局[4]、弥补部分轨道交通建设成本有着重要现实意义[5-7]。目前，北京市已开展上盖综合利用的项目有四惠车辆段、郭公庄车辆段、马泉营车辆段等[8]。总结已有上盖开发的经验，其关键问题之一就是合理控制车辆段的振动和噪声。

北京轨道交通新机场线一期工程磁各庄车辆段位于大兴区团河地区，占地30.3 hm2，为实现土地集约化利用，将咽喉区、联合检修库、运用库以及大型房地产开发进行一体化设计。其中，盖上为非轨道交通运营管理的社会化房地产开发部分，包括商业楼、住宅楼及配套的公建区；盖下为车辆段部分，包括运用库、联合检修库、工程车库、洗车库、材料棚、镟轮库、内燃机车库等(见图1)。

图1 磁各庄车辆段物业开发示意

2 车辆段列车运行振动和噪声特点

车辆段振动和噪声主要包括列车在车辆段内运行产生的振动和噪声，以及车辆段架修设备产生的振动与噪声[9]。轨道设计要着重解决的是车辆运行产生的振动和噪声[10]。车辆段内车速相对较低，地面振动主要表现在低频(20～60 Hz)，噪声源主要表现在中高频(200～800 Hz)[11]。

车辆段列车运行产生的振动、噪声源为：①列车自重通过轮轨接触点引起的钢轨周期性上下振动；②车轮经过钢轨、道岔的接缝处或呈波纹状钢轨(表面磨损)时，车轮撞击这些部位产生的冲击振动，以及轮轨滚动噪声、冲击噪声和摩擦噪声[12]。这些振动及噪声通过车轮、钢轨、轨枕、道床、路基等向外传播，当这些振动通过基础、立柱及平台等钢筋混凝土结构时，振动受到的阻尼小，振级衰减较慢[13]。

上盖物业车辆段轨道振动与噪声具有以下特点。

(1)车辆通过速度低

车辆段内一般列车运行速度较低(除试车线外)，库内线路运行速度更低。磁各庄车辆段咽喉区车辆最大运行速度不超过35 km/h，库内线路速度一般小于5 km/h，出库时速度为7～8 km/h。

(2)碎石道床减振体系不完善

磁各庄车辆段库外咽喉区及试车线均采用混凝土枕碎石道床，其本身弹性较好，列车通过时的振动较整体道床低3 dB左右，但可适用于碎石道床轨道的减振形式不多(一般只有道砟垫和梯形轨枕两种)。

(3)车辆段库外线路小半径曲线多，道岔多，接头多

车辆段库外一般采用有缝线路，钢轨接头多；咽喉区道岔多，小曲线半径多(一般情况下150 m，困难条件100 m)。磁各庄车辆段咽喉区最小曲线半径为200 m，实现无缝线路设计技术难度大(《铁路无缝线路设计规范》(TB10015—2012)3.13条“允许铺设无缝线路的最小曲线半径为300 m”)。列车通过钢轨接头处的冲击带来的振动与噪声是车辆段轨道振动与噪声的最大影响因素之一。

3 轨道减振降噪设计措施

目前，车辆段上盖减振降噪治理措施单一，轨道结构可采用的措施有限，在实际应用过程中存在过度投资、效果不理想等问题[14-16]。因此，根据车辆段上盖开发的特点，需要设计安全可靠、经济性好，适用于50 kg/m钢轨和库内检查坑结构的减振措施。

3.1 库内无缝线路

相较于正线，车辆段振动与噪声控制有利的因素为车辆运行速度低，车辆空车运行；不利的因素为车辆段轨缝多，轨缝处振动冲击大。因此，对于车辆段轨道，减少轨缝处的冲击振动是减振降噪的关键。由于车辆段咽喉区小半径曲线多、道岔多，采用无缝线路尚存在技术难度，目前还没有实际工程案例，而库内线路一般为直线，具备实施无缝线路的条件[17]。磁各庄车辆段的信号工程采用计轴设备，无需考虑在轨缝处设置绝缘轨节，故决定在磁各庄车辆段库内采用无缝线路。

结合磁各庄车辆段库内轨道结构类型，车辆段库内无缝线路分别采用了钢轨焊接、钢轨冻结接头夹板两种形式。其中50 kg/m钢轨冻结接头夹板为专门针对车辆段上盖物业开发的无缝线路设计产品，采用夹板与高强螺栓联结钢轨，使轨端密贴(实现无缝化)；50 kg/m钢轨冻结接头采用特制六孔夹板和高强度M24螺栓(10.9s)，以及匹配的螺母及平垫圈，可利用较高的紧固扭矩产生较大的接头阻力，实现钢轨接头的有效冻结。该产品尤其适用于车辆段轨道，方便现场无缝线路的施工，增加了施工的灵活性和方便性(见图2、图3)。

图2 磁各庄车辆段50 kg/m钢轨冻结接头夹板

图3 磁各庄车辆段50 kg/m钢轨冻结接头夹板组装

3.2 库内高等级减振扣件

对于库内线轨道，由于线路平直(可实现无缝线路)，运行速度低，再加上道床下土壤对固体噪声的有效隔绝，振动及噪声污染并不明显，一般采用中、高等级减振扣件即可。

根据本工程环评咨询报告的建议，库内应采用浮轨或同等级减振效果的减振措施。考虑浮轨式扣件存在如下缺点：钢轨调高及调距不方便；浮轨扣件定位块易松动，增加了养护维修工作量；轨撑结构设置于轨腰处，与接头夹板冲突，故决定研发适用于车辆段的高等级减振扣件。在既有双层非线性减振扣件结构形式基础上，采用多重弹性层形成串联结构，以获得较低的垂向刚度(扣件静刚度为6～9 kN/mm)，进而达到较高的减振效果。该扣件主要特点：采用上锁式双层非线性的结构形式，技术安全可靠；采用弹性锁紧结构进行扣件预组装，提高了产品运输和现场安装施工效率；钢轨调高及调距方便，方法与普通扣件相同；扣件组装和拆卸方便，利于施工和养护维修(见图4)。

图4 磁各庄车辆段库内高等级减振扣件

研发过程中，在南京地铁小行车辆段进行了铺设和测试。测试结果表明，该扣件减振效果≥8 dB(可满足环评要求)。相较于DTⅥ2扣件，当列车速度为10 km/h时，相对插入损失ΔVLZmax为8.4 dB；当列车速度为20 km/h时，相对插入损失ΔVLZmax为10.4 dB。

3.3 库外高效减振垫碎石道床

对于库外线轨道(尤其是咽喉区)，此区域道岔密布，轨缝众多，列车出库速度增大，易产生轨缝冲击振动，是振动控制的难点。目前，一般采用碎石道床下铺设高效弹性减振垫、轨缝处安装减振接头夹板、安装轨道减振扣件等措施。

道砟减振垫是一种质量弹簧系统，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[18-19]。

根据本工程环评咨询报告的要求，在高效弹性减振垫使用寿命期内，设置高效弹性减振垫与道砟组合后，列车以速度25～35 km/h通过时，最大振级(VLzmax)较普通碎石道床减少10 dB。考虑咽喉区上盖建筑物一般以住宅为主，对振动与噪声的要求较高，咽喉区道砟厚度应适当增加。

由于车辆段碎石道床碎石颗粒不规则，在列车通过时，其碾压可能会破坏砟下的弹性道砟垫。为确保道砟垫结构的弹性和结构的完整性，应在减振垫外设置保护层(见图5)。

图5 高效减振垫碎石道床

3.4 咽喉区小半径地段阻尼钢轨

车辆段咽喉区轨缝较多，一定程度上增加了轮轨的振动冲击噪声[20]。根据环评咨询的建议，咽喉区小半径曲线宜采用阻尼钢轨(见图6)。阻尼钢轨的降噪原理是增加钢轨阻尼，消耗有害振动能量，抑制钢轨共振，降低轮轨振动及曲线“啸叫”[21]。本工程采用的迷宫式阻尼钢轨具有阻尼面积大、阻尼比高、约束刚度高、性能可靠等优点。

图6 阻尼钢轨

4 结束语

在既有上盖物业开发轨道减振降噪成熟措施基础上，研发了安全、可靠、经济性好且适用于库内50 kg/m钢轨无缝线路的钢轨冻结接头夹板及高等级减振扣件，满足上盖的环评要求，解决了磁各庄车辆段上盖物业开发的轨道振动与噪声问题。下一步应进一步探索车辆段咽喉区无缝化成套技术，包括提升钢轨等级、小半径曲线实现无缝线路、采用可动心轨辙叉道岔等技术，为上盖物业开发提供更安静、更舒适、环境更友好的开发条件。