车辆段上盖开发轨道振动噪声控制技术研究

马晓华，曲 村，郑瑞武

(1. 北京城建设计发展集团股份有限公司，北京 100037；2. 北京市轨道结构工程技术研究中心，北京 100037；3. 城市轨道交通绿色与安全建造技术国家工程实验室，北京 100037)

自20世纪60年代北京建成第一条地铁线路以来，经过50多年的发展，中国进入了城市轨道交通的蓬勃发展期[1]，北京、上海、广州等多个城市相继进入城市轨道交通网络化运营时代，城市轨道交通已经成为解决大中城市交通问题的主要方式。

随着城市轨道交通的快速发展，工程建设占用了大量的城市土地，其中车辆段(停车场)占地面积较大，但土地利用率却相对偏低。随着城市轨道交通线网的完善，城市规模也在不断扩大，而土地作为稀缺资源，利用价值不断攀升。因此，有必要对车辆段的土地进行综合利用。目前，对车辆段土地进行上盖开发已成为一种趋势。

车辆段上盖开发是在保证轨道交通功能的前提下，结合车辆段(停车场)布局特点进行的开发利用，除南京地铁1号线南延线大学城停车场是高架模式外，其余物业开发一般均为地毯模式。目前，上盖开发结构形式主要有转化层大平台和核心筒落地(剪力墙落地)两类，上盖区多采用梁式转换或隔振支座，如宁波地铁天童庄车辆段、杭州地铁七堡车辆段、北京地铁东小营车辆段等。

上盖开发的建筑类型很多，主要包括住宅、学校、医院、商业办公、休闲娱乐、绿地等。早期的上盖开发主要集中在运用库和部分落地区，如北京地铁郭公庄车辆段、平西府车辆段，无锡地铁雪浪停车场等；后期逐渐向车辆段咽喉区扩展，如北京地铁五路停车场、杭州地铁五常车辆段、福州地铁新店车辆段等；现在很多车辆段都进行了全上盖物业开发，如北京地铁北安河车辆段、东小营车辆段、石家庄地铁嘉华车辆段等。

目前我国对地铁车辆段(停车场)进行上盖开发的主要有香港、北京、上海、广州、深圳、杭州、苏州、无锡、合肥、长沙、厦门、福州、郑州、石家庄、宁波、武汉、西安等城市[2-4]。

1 车辆段上盖开发发展历程

香港地铁在1977年建设荃湾线时，就考虑了地铁上盖开发。随着荃湾线荃湾车辆段、将军澳线将军澳车辆段、港岛线柴湾车辆段的成功开发，我国其他城市也陆续开始了地铁车辆段的上盖开发建设。

我国内地早期在北京地铁1号线四惠车辆段进行了上盖开发的尝试，结构型式为2层大平台[5]，上盖开发建筑直接位于平台顶面，除车辆段外，复八线、八通线正线均从大平台下通过。目前，车辆通过时上盖开发的房屋内轮轨振动噪声明显，体感较差。随着轨道交通建设和运营的不断发展，城市轨道交通引发的居民投诉也不断增加，在2008年之前，国家环境保护总局要求车辆段(停车场)等设施与居民区等敏感目标的距离控制在30 m以上，上盖开发除了四惠车辆段的尝试外，基本上处于停滞状态。

2008年后，随着北京奥运会的举办，轨道交通带来周边土地的升值，越来越多的人口涌入大城市，住房供求关系日趋紧张。上海、北京等城市物业开发项目相继落地。

随着轨道交通技术的进步和大城市住宅需求的不断攀升，国家对于车辆段开发的态度也在发生转变。2015年以后国家生态环境部提出：在满足标准要求的情况下，不反对车辆段(停车场)上盖建设敏感建筑物。

目前，全国各大城市地铁车辆段上盖开发建设开展得如火如荼，但也存在着轨道振动噪声超标[6]、消防与降噪冲突等方面的问题。本文主要对已有工程出现的轨道振动噪声问题和控制措施进行总结和分析，为后续工程提供技术支持。

2 车辆段上盖物业开发的振动与噪声分析

车辆段(停车场)一般包含出入线、库外线、库内线，车辆段还包含试车线，主要承担停车列检、综合维修、试车等作业。车辆段(停车场)线路特征与正线有明显区别：空车低速运行、曲线半径小，大部分线路位于平坡，接头多、道岔多。

车辆段(停车场)相较于正线有以下特点：

(1) 早上发车时间比正线早，晚上收车时间比正线晚，振动及噪声的影响时段比正线更长。

(2) 车辆段上盖物业开发完全在其正上方，列车引起的振动波不经过土体的衰减，直接通过道床、立柱传递到上盖作用的平台上，影响更大。

(3) 库外线最小曲线半径一般为150 m，列车通过小半径曲线时会产生摩擦啸叫声[7]。

(4) 除试车线外一般均采用普通线路，车辆经过钢轨接头时“咣当”声频繁出现[8]。

(5) 库外线道岔多采用50 kg/m钢轨7号系列道岔，为固定型辙叉，车辆通过道岔“有害空间”的振动放大声明显。

车辆段(停车场)振源主要是轨道车辆在钢轨行驶时，轮轨的不平顺及车轮与轨道的摩擦、撞击等造成的，会通过车轮及钢轨以及轨枕、道床等结构向外传播[9]。由于轮轨冲击作用而引起轨道振动，该振动波通过道床传递到上盖，激发周边建筑物产生振动，并进一步诱发室内结构的二次振动和振动噪声[10-11]。

噪声主要来源于车辆段(停车场)自身公用设备运行、汽车噪声、车辆段运行噪声、地铁风亭和冷却塔噪声等。

本文主要针对轨道专业设计可以改善的轮轨振动及二次结构噪声进行分析。

3 运营车辆段上盖开发采取的减振降噪措施

车辆段上盖开发，目前多采用源强减振，其中轨道减振措施最为成熟。国外常采用的措施有减振接头夹板、减振扣件和钢轨阻尼等。

上盖开发除了源强减振外还应考虑采取综合减振降噪措施，传播途径的减振降噪包含隔振沟、刚性排桩或筏基等；建筑物减振降噪可以考虑采用隔振支座、浮置楼板等减振措施，声屏障、隔音玻璃、隔音窗等降噪措施。国内目前在地铁上盖开发中采取了多种措施，技术较国外更为先进、种类更多，现运营车辆段上盖开发，多是考虑振源减振，采取轨道类的减振降噪措施，主要措施分析如下。

3.1 钢轨类措施

钢轨作为轮轨的接触面，是轮轨冲击振动的源头，目前常采用的措施主要有：

(1) 保持良好的轮轨关系。良好的轮轨关系可以有效地减少轮轨振动及产生的二次结构噪声。目前，国内多个项目测试报告显示，同样的轨道结构形式，不同车辆通过，振动差别为3～7 dB；同样车辆不同养护状态振动差别达到3～7 dB。建议定期打磨钢轨、定期镟轮，在小半径曲线地段设置涂油器等措施既可以保持良好的轮轨关系也可以减少啸叫声，也是目前最易采用、最普遍的措施。

(2) 采用重型钢轨和降低钢轨高度。地铁车辆段项目一般采用50 kg/m钢轨，这也是地铁设计规范的要求。根据以往的研究经验，增加钢轨重量可以有效抑制钢轨的垂向振动，降低钢轨高度和宽度可以减少钢轨垂向和横向辐射。

(3) 减小钢轨接头冲击振动。目前，可以通过采用减振接头夹板[12]、冻结接头和焊接接头的方式实现减小钢轨接头冲击振动的目标。无上盖开发的车辆段多采用普通接头，接头冲击振动能量大，在钢轨接缝处采用减振接头夹板，可以减小接头冲击振动，达到减振的效果。减振接头夹板主要是通过将接头夹板中间部位加高至与轨面平齐，当车轮通过接头范围时，减振接头夹板顶面与钢轨顶面同时接触车轮，减振接头夹板刚度大，可以减小车轮通过轨缝时的台阶和折角，从而减小接头冲击振动。其目前在苏州地铁太平车辆段，长沙地铁黄兴车辆段，北京地铁东小营车辆段、北安河车辆段、天竺车辆段等均有采用。

库内线采用普通线路，后期物业开发实施后多建议采用焊接接头，钢轨焊接取消了接缝，可以彻底消除列车通过时的冲击振动、打击噪声，是最直接减小轮轨冲击振动的方式。库外线由于最小曲线半径多为150 m，且道岔数量多，不满足《地铁设计规范》(GB 50157—2013)铺设无缝线路的条件，不建议大面积采用焊接接头。

将准备好的插干挖穴栽植，每穴垂直插干一株。插干所需洞穴由人工挖深法或水冲法获得。将剪制好的插条每30个捆成一捆，头朝上，插干2/3置于清洁的流水中浸泡，时间约30～40d为宜。若无流水条件，视水位而定(低于插干1/3处)及时灌水浸泡。

库内线和试车线多个车辆段上盖开发项目通过采用焊接长轨条的方式取消接缝，是目前库内线减振降噪的首选方案之一，北京地铁五路停车场、郭公庄、平西府、北安河，杭州地铁七堡、湘湖等车辆段(停车场)均采用了此类方案。运营线路采用铝热焊较为便捷，从目前焊接方法反馈来看，铝热焊的折损率约为0.5%。北京运营部门不建议在既有线上采取铝热焊，因此平西府车辆段和五路停车场上盖开发后采取了冻结接头。东小营车辆段采用移动闪光焊，相较于铝热焊、闪光焊焊接效果更好，质量更容易控制。

(4) 采用钢轨阻尼降噪装置。库外线最小曲线半径多为150 m，轮轨作用产生的噪声比较大，建议在库外线铺设钢轨阻尼降噪装置。钢轨阻尼降噪装置主要用于降低噪声及延缓钢轨的波磨，产品的有效作用频率范围应在800～8 000 Hz。

钢轨阻尼降噪装置[13-14]在上海地铁吴中路车辆段、苏州地铁太平车辆段、杭州地铁七堡车辆段、北京地铁东小营、北安河车辆段等均有采用。钢轨阻尼降噪装置主要有两类产品，一类是调频式钢轨阻尼降噪装置(TRD)，如图1所示；一类是宽频型钢轨阻尼减振降噪装置(TMD)，如图2所示。

TRD作用原理为：当钢轨发生振动时，谐振质量块产生谐振，转移吸收钢轨振动能量，抑制钢轨振动，衰减钢轨振幅，降低钢轨的振动和噪声辐射。

TMD是在钢轨表面设置由阻尼材料和约束板构成的复合阻尼板并在轨腰设置吸振器。采用这种阻尼结构后，列车运行时钢轨的振动强迫阻尼体产生剪切变形，将钢轨的振动能量转化为热能，降低钢轨所产生的振动，相应的噪声也大幅降低。轨腰吸振器通过调整质量块和弹簧系统的刚度可以实现精准调频。

采用钢轨类的减振措施在正线上减振效果不小于3 dB，低速状态下缺乏测试数据，工程设计中认为采用此类措施可以有效缓解轮轨振动对上盖建筑的影响；钢轨阻尼降噪装置在招标中要求在车辆段使用降噪效果不小于3 dB。

3.2 扣件类措施

1) 将普通扣件更换为减振扣件

扣件类减振措施是指通过更换车辆段的普通扣件为减振扣件达到减振的效果，在北京地铁五路停车场、郭公庄车辆段、平西府车辆段、北安河车辆段、郑州地铁铁炉西车辆段等均有采用。车辆段减振扣件主要有压缩型扣件、浮轨式扣件两类，压缩型扣件包含双层非线性减振扣件和分体嵌套式减振扣件。浮轨式扣件如图3所示，双层非线性减振扣件如图4所示，分体嵌套式减振扣件如图5所示。

图3 浮轨式扣件

图4 双层非线性减振扣件

图5 分体嵌套式减振扣件

浮轨式扣件把约束钢轨的部位由轨底移动到轨腰，从钢轨两侧夹紧钢轨，正常工作时钢轨处于悬浮状态，利用弹性体的剪切特性，最大限度地获得低的垂向刚度，减少振动向轨下基础传播，目前此类扣件在北京地铁五路停车场、北安河车辆段、福州地铁新店车辆段等有所采用。

(1) 双层非线性减振扣件采用分离式结构，由轨下橡胶垫板、上铁垫板、中间橡胶垫板、下铁垫板和自锁机构等组成，利用两层橡胶垫板的压缩变形实现减振，橡胶垫板与铁件分离，可实现单独更换。双层非线性减振扣件目前主要应用于北京地铁磁各庄车辆段、西安地铁阿房宫车辆段等。

(2) 分体嵌套式减振扣件采用子母铁垫板分体嵌套的理念，由子铁垫板、基础弹性垫板、母铁垫板、绝缘缓冲嵌套圈和其余常规零件如弹条、螺旋道钉、轨距垫等组成，该扣件的特点是：可与普通扣件实现通用互换；减振能力达到同类产品较高水平；造价便宜；结构简单、拆卸方便，可更换减振橡胶，降低维修费用等。分体嵌套式减振扣件目前主要应用于西安地铁阿房宫车辆段。

减振扣件多用于库内线的减振，也应用于北京地铁北安河车辆段和磁各庄车辆段等库外线。

2) 更换扣件垫板为高弹性垫板

更换扣件垫板[15-16]通过将普通扣件垫板更换为弹性更好的材料达到减振效果。在车辆段上盖开发初期，在深圳地铁蛇口西车辆段、塘朗车辆段，长沙地铁黄兴车辆段，无锡地铁雪浪停车场等采用了将库内扣件垫板更换为热塑聚酯高弹性垫板的措施，通过降低扣件节点静刚度以满足减振的需求。该方案相较于其他减振措施投资低、养护维修工作量小，但其减振效果也较为依赖于中标厂家提供产品的质量。

扣件类减振措施在正线的减振效果一般不小于5 dB，车辆段低速状态下减振效果测试数据比较少，暂没有统一的标准。

3.3 轨枕类措施

1) 合成轨枕

目前为止仅在北京地铁北安河车辆段库外线上盖开发项目中采用过合成轨枕作为减振降噪措施，主要使用在道岔区，合成轨枕的优势在于其与各种扣件配套使用灵活，但相对成本较高。

2) 梯形轨枕

梯形轨枕是一种在正线常用的高等减振措施，主要应用在广州、上海等地的地铁车辆段项目，出入线和试车线均有使用，梯形轨枕铺设示意如图6所示。调研发现常使用的梯形轨枕为在纵梁下部铺设减振垫，主要由预制预应力混凝土纵梁与钢轨形成双弹性叠合梁，增大轨道抗弯刚度，扩大轮轨力分布范围，降低基底轮轨动态力的峰值和变化幅度，从而改善轮轨动力学性能，起到减振作用。该方案实施时需要注意在小半径曲线段铺设的精度。

图6 梯形轨枕铺设示意

合成轨枕在车辆段是否存在减振效果有争议，梯形轨枕正线减振效果不小于10 dB，车辆段梯形轨枕的减振效果在行业内尚未达成共识。

3.4 道床类措施

1) 减振垫

减振垫在碎石道床和整体道床均有铺设，垫按照材质可以分为橡胶和聚氨酯两大类。橡胶类材料利用橡胶下部凸台的变形、橡胶实体的刚度和阻尼层实现减振的目标；聚氨酯类是由聚氨酯材料发泡而成的微孔弹性体形成，通过实体的高弹特性实现减振。

碎石道床区减振垫施工时，首先在满足压实度要求的路基上开挖厚度不小于200 mm的基底，绑好钢筋，浇筑混凝土底板，铺设减振垫和道砟，起道至设计高程。其在国内大多数车辆段上盖项目库外线和试车线上均有使用，库外线减振垫如图7所示。库内线检查坑地段减振垫铺设在结构横梁下，按照检查坑的形式进行侧面包裹(按照实际工况选择)，库内线减振垫铺设效果如图8所示。库内线铺设减振垫的项目主要有北京地铁北安河、东小营车辆段，石家庄地铁嘉华车辆段等。该方案需要注意必须铺设减振垫基底，以保持良好的状态，另外在水位较高地段采用聚氨酯材质需要对材料的吸水率提出要求，以免减振垫泡水后影响减振效果。

图7 库外线减振垫

图8 库内线减振垫铺设效果

目前北京地铁16号线北安河车辆段在道岔区采用了减振垫与减振扣件组合的减振措施。

2) 道砟加厚

在车速、土层相近的深圳地铁前海车辆段和横岗车辆段采用单层道砟和双层道砟不同工况下，振动源强相差8.1 dB[17]，通过模拟计算发现道砟每加厚10 cm相较于普通碎石道床振动减弱4 dB，加厚20 cm减弱约6.5 dB。因此，在北京地铁东小营车辆段上盖开发中，库外线采取了加厚道砟的方案，交叉渡线区段加厚20 cm，其余地段加厚10 cm。后期在北京地铁磁各庄、石家庄地铁嘉华车辆段上盖物业开发项目中也采用了此方案。该方案工程实施容易，但在全上盖开发中需要预留足够的轨道结构高度，以免后期影响上盖下净空。

3) 钢弹簧浮置板

车辆段内整体道床钢弹簧浮置板主要用在出入线整体道床地段和试车线整体道床，其工况近似于正线工程，相关案例也比较多。

在合肥地铁滨湖车辆段首次采用了碎石道床钢弹簧浮置板，如图9所示。系统设计固有频率为6 Hz，在混凝土基础上设置现浇槽形板，侧式钢弹簧隔振器支撑在结构底板，槽形板内铺设道砟。

图9 碎石道床钢弹簧浮置板

此方案需要的轨道结构高度比较大，北京地铁马泉营车辆段轨道结构高度为1.84 m，合肥地铁滨湖车辆段轨道结构高度为1.35 m，都用在试车线，相较于以往车辆段采用的碎石道床基础处理费用也有所增加。上述工程在单开道岔区采用了此方案，而交叉渡线区因为荷载较大，采用此方案需要根据实际情况进行分析，目前没有应用案例。

正线减振垫、钢弹簧浮置板的减振效果不小于10 dB，对于低速状态下的减振效果，目前已知的测试数据离散性比较大。

4 结论及建议

本文通过调研和分析目前全国各城市车辆段(停车场)常用的轨道减振降噪控制措施，在实际使用中建议根据工程具体情况选择合理的方案，建议如下：

(1) 车辆段开发初期需要结合振动噪声分布情况，合理设置上盖的业态分布；上盖物业开发中轨道方面的改进措施是目前最为成熟的减振降噪控制措施，但是同时也要意识到车辆段的激励、荷载与正线不同，轨道专业对其研究也处于初期阶段，上盖开发设计还要充分考虑综合减振措施，如隔振措施、结构减振措施等。

(2) 车辆段内行驶车辆最大的特点是低速、空载，各类措施的减振效果在行业内未达成共识，工程中不能将正线的减振效果数据引用到车辆段；另外车辆段内振动噪声的传播途径与正线不同，直接由道床、柱传递到上盖，目前对于车辆段的减振降噪处于研究阶段，有必要对振源、已采取的措施效果进行综合的测试研究。

(3) 车辆段在库内采用轨道减振措施，建议首选焊接接头，出库速度控制在5 km/h以内，东小营车辆段采用的无缝线路方案相较于普通线路，费用增加约25 万元/km，为最成熟、安全性最高的方案。困难时考虑采用减振扣件或者铺设减振垫道床，减振扣件在上盖开发项目中应用较多，磁各庄车辆段铺设减振扣件增加费用约76.3 万元/km；减振垫方案在北安河和东小营项目中应用，效果如何需要进一步验证，东小营车辆段库内线采用全包裹的减振垫方案，增加费用约352.8 万元/km。

车辆段库外线轨道减振降噪措施首选道砟加厚、减振接头夹板，东小营车辆段采用此方案增加费用约为20 万元/km；困难时考虑铺设减振垫或者梯形轨枕，采用减振垫一般增加费用506万元/km，梯形轨枕增加费用600 万元/km；对于组合道床的减振措施慎用；库外线和试车线轨道减振降噪控制措施建议采用钢轨阻尼降噪措施，此措施中应采用含质量块、弹簧系统、弹性元件的装置。试车线轨道减振措施建议采用铺设减振垫或者钢弹簧浮置板的措施。

(4) 建议车辆段上盖开发下阶段进一步深化研究钢轨接头处的措施，尽量减少道岔区有害空间的影响。