我国市域快速轨道交通减振设计方案研究

王羽杰

（中铁工程设计咨询集团有限公司，北京100055）

1 概述

随着国内城市城镇化率的不断提高，市域快速轨道交通工程线路也随之逐步增加。北京、台州、温州、成都等多地已开工建设市域快速轨道线路，其中一部分线路已通车运营。市域快速轨道较普通地铁设计速度高20～60km/h，轨道系统各部件设计在满足列车高速、安全、平稳运行的同时，还须满足环评报告要求的减振效果要求，最终达到安全、绿色运行。

轨道结构应根据工程的环境影响评估报告书等要求，确定减振地段位置及减振等级【1】。根据国内地铁轨道工程环评报告和GB 50157—2013《地铁设计规范》的有关规定，轨道减振级别一般分为3 类：中等减振、高等减振及特殊减振，具体详见表1。

表1 轨道减振级别分类表

2 国内快速轨道减振方案介绍

成都—都江堰市域快速铁路设计速度200km/h，在红光路广场高架段采用了隔离式减振垫整体道床，道床宽度2.4m，厚度230mm，每延米道床板质量1 300kg，为梯形轨枕的2.6 倍。

兰新客专设计速度250km/h，在为保护嘉峪关古长城建筑，下穿嘉峪关长城段轨道设计采用CRTSⅢ型板式减振型无砟轨道结构和双块式减振无砟轨道结构。

北京新机场线轨道交通工程设计最高速度160km/h，采用CRH6 动车组车辆。轨道设计为双块式混凝土枕整体道床，配套采用WJ-8B 型扣件，减振设计方案采用隔离式减振垫整体道床。

青岛—平度市域快速轨道交通工程设计最高速度160km/h，采用地铁车辆，直流供电。轨道设计采用双块式整体道床，在高架桥经过敏感点时采用了隔离式减振垫整体道床。

3 方案比选

对比国内外市域快速轨道交通减振设计方案可以看出，减振设计方案没有参用扣件类及轨枕类方案，主要采用的是道床类减振方案。

3.1 方案一：隔离式减振垫整体道床

隔离式减振垫整体道床最早于1975 年在柏林地铁采用，后来在欧洲国家铁路采用，于2009 年引入我国，成灌高铁第一次采用隔离式减振垫整体道床，2010 年通车运营，其主要组成有覆盖层、夹层及阻尼层等。

由于浮置板轨道是质量、弹簧与阻尼系统，浮置板越厚，轨道参振质量越高，设计参数的选择范围越广，相应的减振效果较好【2】。道床板厚的增加还可以提高轨道板的抗弯刚度，相应可减小轨道结构的变形及钢轨的应力，对轨道结构长期稳定有利。

通过建模对运行速度160km/h 情况下，4 种不同板厚道床振动特性计算分析，结果见表2。

表2 不同板厚轨道振动特性统计表

由表2 可知，板厚增加使得轨道结构垂向位移减小，说明增加板厚可以减小轨道系统的固有频率。另外，随着板厚的增加，钢轨、轨道板以及基础的振动位移都会减小。板厚从0.2m 增加到0.5m 时，轨道板垂向位移从2.8×10-8m/N 变为1.6×10-8m/N，减小了43%。说明板厚的增加对轨道结构垂向振动位移的减小影响较为明显。

减振垫体刚度（K）与其弹性模量（E）、截面积（A）和厚度（L）通过公式K=AE/L计算可得。本文选取4 种橡胶垫刚度：8×106N/m3、2×107N/m3、4×107N/m3、8×107N/m3，分别对应弹性模量为: 4×104N/m2、10×104N/m2、20×104N/m2、40×104N/m2。对4 种不同弹性模量的减振垫道床振动特性进行计算分析，结果见表3。

表3 不同弹性模量轨道振动特性统计表

由表3 可知，增加橡胶垫弹性模量使轨道结构垂向位移减小，说明增加橡胶垫弹性模量将增大系统的固有频率。橡胶垫弹性模量从4×104N/m2增加到40×104N/m2时，钢轨振动位移峰值从3.9×10-8m/N 骤变为0.9×10-8m/N，减少了77%。表明减振垫弹性模量的增加对轨道板的垂向位移影响最为明显，这是由于减振垫弹性模量的增加直接影响的就是轨道板的垂向位移，从而带动减小了钢轨垂向位移。

由力学分析模型获取的减振轨道和非减振轨道桥梁梁面垂向振动加速度分频振级如图1 所示。可以看出，采用普通非减振无砟轨道的地段，桥梁梁面加速度最大值为0.417m/s2，采用刚度为0.019N/mm3的减振垫无砟轨道的地段，桥梁梁面垂向加速度最大值为0.048m/s2，振动加速度骤减。表明采用隔离式减振垫无砟轨道，可以取得显著的减振效果。

由图1 可知，采用刚度为0.019N/mm3的隔离式减振垫无砟轨道，除在该轨道结构的一阶固有频率（23.2Hz）附近出现振动放大现象外，在各中心频率窄带频率范围内均有一定的减振效果，较高频率的振动分量减振效果较好，在63～200Hz 的频率范围内减振效果最好，最大减振量为19.62dB，即垂向最大Z 振级为19.62dB，满足特殊减振等级要求。

图1 梁面铅锤向振动加速度分频振级（Z计权）

3.2 方案二：钢弹簧浮置板减振轨道

钢弹簧浮置板轨道减振最早在德国地铁应用，后于2002年引入我国，首先在北京地铁13 号线西直门高架车站上采用。钢弹簧浮置板轨道系统可提供较好的隔振性能和横向稳定性。系统固有频率介于7～10Hz，分频振级插入损失达20～30dB，Z 振级最大减振效果为15～25dB。

建立整体道床动力学计算模型，在相同条件下计算得到整体道床的振动响应情况，底座板垂向振动如图2 所示，作为普通段，计算得到浮置板轨道的减振效果。相比于普通轨道，钢弹簧浮置板道床板的加速度要明显大于普通道床板的加速度，但钢弹簧浮置板底座的加速度要明显小于普通道床的底座加速度。由于钢弹簧降低了道床板下的刚度，达到了隔振作用。虽然道床板的加速度被放大，但传递至底座的加速度明显减小，进而传递至隧道、土体等振动响应就会减小。

图2 整体道床底座板垂向加速度

对在相同条件下采集的轨道减振段和非减振段轨旁测点垂向振动加速度，按ISO 2631/1—1985《人体处于全身震动评估》规定的1/3 倍频程中心频率Z 计权因子进行数据处理，分别得到轨道减振段和非减振段轨旁测点垂向振动加速度各中心频率的分频振级。采用评价频率范围内轨道旁非减振段与减振段轨旁测点垂向振动加速度的1/3 倍频程中心频率分频振级的均方根差值作为减振效果评价的主要指标。当振动频率范围为4～200Hz 时有18 个中心频率，计算得到列车以速度160km/h 运行时钢弹簧浮置板系统减振效果为19dB，满足特殊减振要求。

3.3 经济性比较

隔离式减振垫材质主要有橡胶和聚氨酯2 种，轨道结构简单，施工方便，综合造价约1 000 万元/km。钢弹簧浮置板减振元件为内外套筒合体的隔振器，外加剪力铰、限位器，钢筋笼施工较慢，综合造价约1 600 万元/km。

4 结语

国内市域快速轨道交通速度160km/h 的减振设计全部采用隔离式减振垫整体道床。该减振方案最早在德国地铁采用，后来引入国内高铁和地铁，近年来陆续在北京、青岛、成都等城市市域轨道采用，减振效果良好、结构简单、施工进度快、造价较低，是市域快速轨道减振较好的设计方案。