嵌入式连续支承轨道系统应用研究

史海欧，田 骥，刘小清，罗信伟，刘光胜，杨 刚

（1.广州地铁设计研究院股份有限公司，广东广州 510010；2.成都市新筑路桥机械股份有限公司，四川成都 611430）

1 引言

近年来，轨道交通蓬勃发展，在给人民出行带来极大便利的同时也不可避免的给沿线环境带来振动、噪声等影响[1-2]。党的十九大报告明确指出：永远把人民对美好生活的向往作为我们的奋斗目标。为此，国家成立了“中央环保督察组”，开展环境督查工作，高度重视轨道交通振动噪声防治问题。

随着轨道交通技术进步，我国轨道减振降噪技术通过“引进” “吸收” “再创新”，得到长足的发展。轨道减振通常通过降低轨下支承刚度或采用质量弹簧系统的方法，轨道减振措施类型有扣件类、轨枕类和道床类，如图1所示。但部分减振技术在应用时也引起车内噪声增大等不利情况[3-4]。

图1 轨道减振措施类型

2 嵌入式轨道

2.1 轨道结构简介

广州地铁14号线嵌入式连续支承轨道系统（以下简称“嵌入式轨道”）采用连续弹性支承结构，为预制板式无砟轨道结构。自下而上为隧道壁、混凝土底座、砂浆调整层、预制轨道板、槽内弹性约束结构和钢轨，道床结构如图2a所示。预制轨道板上预留纵向U形承轨槽，承轨槽内安装弹性约束结构。弹性约束结构包括钢轨下连续铺设的弹性垫板、钢轨轨腰两侧的调轨组件和降噪块，承轨槽内其他空间被弹性材料填充，弹性约束结构如图2b所示。

图2 广州地铁14号线嵌入式轨道结构示意图

2.2 地铁线路应用

广州地铁14号线率先在地铁线路中建设嵌入式轨道段，如图3所示，应用地段分为2处，一段在知识城站附近（直线），设计最大通过速度120 km/h；一段在镇龙车辆段出段线（R305 m），设计最大通过速度40 km/h。

图3 嵌入式轨道应用概况

3 结构服役性验证

为验证分析嵌入式轨道减振降噪能力、杂散电流防治效果、日常维护频次，分别在运营初期（2017年）以及运营2年后（2019年）对嵌入式轨道性能进行跟踪测试。

3.1 振动噪声测试

3.1.1 车辆动力学性能测试

根据规范UIC 518 Testing and approval of railway vehicles from the point of view of their dynamic behaviour-Safety-Track fatigue-Running behaviour[5]、GB 5599-85《铁道车辆动力学性能评定及试验鉴定规范》[6]、UIC 513 Guidelines for evaluating passenger comfort in relation to vibration in railway vehicles[7]对车辆的安全性、稳定性、平稳性、舒适性进行测试与评价，评价结果如表1所示。

表1 车辆动力学性能测试评价结果

3.1.2 轨道系统振动测试

依据规范GB 10071-88《城市区域环境振动测量方法》[8]、DB11/T 838-2019《地铁噪声与振动控制规范》[9]对不同形式轨道（线形、轨道状态基本一致）的隧道壁振动加速度进行Z振级频谱测试与分析。现场测点情况如图4所示。

图4 线路测试测点布置情况

嵌入式轨道与普通扣件式轨道、GJ-III型减振扣件式轨道在运营2年后，在标准规定位置的隧道壁位置1 ～80 Hz范围内垂向振动加速度Z振级频谱对比如图5所示。将Z振级叠加成总值，如表2所示。

图5 三分之一倍频程隧道壁振动加速度Z振级频谱对比

从表2可知：相较于普通扣件式轨道，嵌入式轨道插入损失为12 dB（Z）；嵌入式轨道比GJ-III型减振扣件式轨道的插入损失高4.6 dB（Z）。

表2 嵌入式轨道与普通扣件式轨道隧道Z振级对比dB（Z）

为评估嵌入式轨道结构振动特性随时间变化衰减情况，分别在线路通车后和线路正常运营2年后，对嵌入式轨道结构振动特性进行力锤敲击试验，测试轨道结构频响情况。测试结果如图6所示。

图6 嵌入式轨道频响曲线

测试结果表明：经过2年的运营，嵌入式轨道频响曲线基本一致，无明显变化。轨道结构一阶固有频率均在139 Hz处，曲线振幅变化较小，嵌入式轨道刚度、阻尼性能基本特性保持良好。

3.1.3 噪声测试

依据规范GB/T 3449-2011《声学轨道车辆内部噪声测量》[10]、GB/T 5111-2011《声学轨道机车车辆发射噪声测量》[11]、GB 14892-2006《城市轨道交通列车噪声限值和测量方法》[12]对不同轨道系统中地铁车辆运行时的噪声进行测试，测试结果如表3所示。表3分别给出了地铁列车以60 km/h速度匀速经过嵌入式轨道、GJ-III型减振扣件式轨道以及普通扣件式轨道时司机室及客室各测点噪声A计权声压级总值。为更直观地进行展示，将表3中的车内噪声总值绘制为曲线，如图7a所示。

图7 车辆噪声测试结果

表3 车辆噪声测试结果汇总 dB（A）

由表3和图7a可知，列车以60 km/h速度匀速经过3种轨道时，司机室和客室内各测点噪声A声级均小于车内噪声限值；其中嵌入式轨道的车内噪声最小，与GJ-III型减振扣件式轨道和普通扣件式轨道相比，嵌入式轨道平均降低车内噪声3～6 dB（A）。

列车以60 km/h速度匀速通过嵌入式轨道和普通扣件式轨道时不同转向架位置测得的轮轨噪声如图7b所示。由图可知，地铁车辆运行在嵌入式轨道上轮轨噪声约为96 dB（A），运行在普通扣件式轨道上轮轨噪声约为102 dB（A），嵌入式轨道平均降低车辆轮轨噪声约6 dB（A）。

3.2 过渡电阻测试

依据规范GB/T 28026.2-2011《轨道交通 地面装置第2部分：直流牵引系统杂散电流防护措施》[13]基于离线法对过渡电阻进行测试。结果显示，知识城站下行线嵌入式轨道对地过渡电阻平均值为25 Ω · km，远高于“新建线路不应小于15 Ω · km”的要求，具备较强的杂散电流防护能力。

3.3 钢轨磨耗监测

在抑制钢轨异常磨耗方面，对比测试了同线路位置的普通扣件式轨道和嵌入式轨道钢轨表面粗糙度情况。经过2年的运行，普通扣件式轨道出现了波长30～40 mm的波浪型磨耗，嵌入式轨道钢轨表观状态良好，未见异常磨耗，现场钢轨磨耗情况如图8所示，钢轨表面粗糙度测试结果如图9所示[14]。

图8 现场钢轨磨耗情况对比

图9 不同轨道钢轨磨耗测试对比

3.4 日常维护

广州地铁14号线知识城支线嵌入式轨道段从2017年建设至今，运营近4年，据运营反馈嵌入式轨道状态保持良好（直线和曲线段），材料自身稳定，日常基本免维护，4年未进行维修。

4 线路适应性设计优化

在广州地铁14号线嵌入式轨道结构的基础上，进一步设计了适合不同线路情况的嵌入式轨道，如图10所示。

图10 应用于不同线路情况的嵌入式轨道

（1）拼装化预制板式道床，应用于路基段、桥梁段等小曲线地段，相比于14号线所用结构在后期维护中轨距调整更加便捷、大修换轨工效更高。

（2）既有线改造结构，应用于既有线路改造，针对既有线路的波磨、振动和噪声超标进行治理。

（3）嵌入式连续支承道岔，为提升线路整体运营品质，降低车辆运行在岔区产生的振动与噪声，针对线路道岔段设计开发了嵌入式连续支承道岔。

5 结论

（1）地铁车辆运行于嵌入式轨道上时车辆运行安全、稳定、舒适。

（2）相比普通扣件式轨道和GJ-III型减振扣件式轨道，嵌入式轨道可明显降低隧道壁位置振动加速度，相比普通扣件式轨道，嵌入式轨道隧道壁垂向Z振级降低12 dB（Z），相比GJ-III型减振扣件式轨道降低4.6 dB （Z）。根据跟踪测试结果，嵌入式轨道经过2年的运营，轨道结构振动特性基本无变化，轨道结构振动与阻尼特性无衰减。

（3）在降噪效果方面，嵌入式轨道车内各测点噪声相比普通扣件式轨道降低3～6 dB（A），轮轨噪声降低约6 dB（A）。

（4）嵌入式轨道杂散电流防护效果较好，可减少轨道交通线路运营产生的杂散电流。

（5）连续支承的嵌入式轨道对钢轨异常磨耗也有减缓作用，同时也有减少轨道日常养护维修的作用。