摘    要：城市軌道交通的減振降噪問題已經(jīng)提上議事日程,受到各方面的關注。文章不僅介紹了道床減振的原理和軌下、枕下、道床下隔振的不同方法,而且還具體介紹了鋼彈簧浮置板(道床下隔振) 技術在北京城鐵敏感地段的實際應用及其減振效果。
關鍵詞：軌道交通　減振降噪　鋼彈簧浮置板　隔振道床

1 概況

北京城市鐵路(西直門—東直門) 為北京首條以高架和地面線為主的城市軌道交通線路,在東直門車站一帶為地下線。在東直門附近某居民區(qū),線路從兩居民塔樓中間地下穿過, 隧道外邊緣距塔樓基礎只有117 m 左右,屬于隔振要求很高的路段。若不采取特殊隔振措施,居民樓內的環(huán)境振動將會嚴重超標,給居民生活造成不良影響。根據(jù)市領導“以人為本”的指示精神,城鐵公司和北京市城建設計研究院為保護環(huán)境, 確保居民塔樓內環(huán)境振動達到國家標準,經(jīng)過方案比選及專家論證,決定在此路段采用鋼彈簧浮置板隔振技術。

2 道床隔振基本原理

傳統(tǒng)的城市軌道交通結構對附近地面建筑物產(chǎn)生較大的振動和噪聲影響(圖1) 。振動和噪聲主要由于軌道的不平順和輪軌間相對運動而產(chǎn)生,其中噪聲通過空氣介質傳播到建筑物中(一次噪聲),而振動則通過在本道岔研究設計時,力求減少今后的養(yǎng)護維修量和提高安全性能,采用了一些諸如精密鑄造鐵座、鐵墊板螺栓防轉孔等結構,給道岔的制造增加了一定的難度。經(jīng)過工廠的制造工藝攻關,順利地實現(xiàn)了設計意圖。為確保道岔運至城鐵工地后的順利鋪設,分別在工廠對第一組單開道岔和交叉渡線進行了試組裝。組裝工序進行順利,這也是對道岔的研究設計和制造的一次有效的驗證。

2001年7月31日和9 月26 日,業(yè)主組織設計監(jiān)理、施工監(jiān)理、施工等單位,分別對單開道岔和交叉渡線進行了廠內試鋪驗收。過軌道結構—道床—隧道壁(或橋墩) —地基傳到建筑物上,再通過建筑物結構本身的耦合放大(通常是放大) 而激發(fā)出樓板的低頻振動,振動源中沒有衰減掉的高頻成分(20～500 Hz) 則通過墻壁和地板、天花板發(fā)出結構聲(二次噪聲) 。這種振動和噪聲都會對人造成不良影響。

城市軌道交通的減振降噪問題是從20 世紀60 年代才開始引起人們重視的。各國地鐵根據(jù)自身的特點研究出了不同的減振降噪方法。針對噪聲(一次噪聲) 的措施主要是改善輪軌接觸的平順性,這是治本治源的措施(也有利于減振),或者加裝隔聲吸聲屏。針對振動和固體聲的措施都基于隔振原理,即在軌道—軌枕—道床—結構—地基—建筑物這一振動傳播鏈中間某一環(huán)節(jié)加入彈性和阻尼介質,降低系統(tǒng)固有頻率,從而對固有頻率114 倍以上的頻率實現(xiàn)隔離和吸收(高頻濾波),振動沒有了,結構噪聲也就不會產(chǎn)生。按照各種措施介入的不同環(huán)節(jié),分為軌下隔振、枕下隔振、道床下隔振3 個層次(圖2) 。

根據(jù)隔振原理和結構動力學,隔振系統(tǒng)的參振質量越大,彈性越高,隔振效果越好。從軌道結構來看, 隔振節(jié)點離鋼軌越遠,彈性可以越大,參振質量可以越大,固有頻率和隔振頻率范圍可以越低,隔振效果越好。然而剛度和質量在不同的節(jié)點都有一定的客觀制約范圍,不能隨意擴大或減小。如在軌下,任意增大墊板彈性會造成鋼軌變形和位移過大,影響行車安全。

圖1 　城市軌道交通噪聲振動的產(chǎn)生和傳播

圖2 　軌下、枕下、道床下隔振措施

3 各種道床隔振技術及其性能比較

3.1 軌下彈性墊板

軌下彈性墊板是最基本的減振措施,用橡膠和其他高分子材料制成的各類彈性墊板幾十年來一直在優(yōu)化和改進之中?？坡〉笆浅Ｒ姷妮^好隔振措施之一, 最早應用在科隆地鐵,在我國上海地鐵等地也有應用, 一般可以取得隔振5～8 dB 的效果。它是將橢圓錐形內圈(與鋼軌相聯(lián)) 和外圈(與道床相聯(lián)) 用橡膠膠結在一起,利用橡膠的剪切變形取得較高的彈性。其缺點是橫向剛度較低,不適于曲線段,如橡膠工藝不嚴格容易造成橡膠圈脫落而失效。

3.2 彈性支承塊

彈性支承塊(彈性套靴) 經(jīng)濟實用,可以達到隔振5～10 dB 的效果,在北京地鐵等地得到使用。套靴的橫向剛度較科隆蛋好,因套靴四周側面剛度較大,能提供較好的橫向約束,而在垂向可采用不同剛度的彈性墊板提供垂向彈性。主要的問題是套靴側面磨損后, 橫向剛度會降低。

3.3 整體彈性道碴墊

對于隔振要求大于10～15 dB 的場合,一般需要在道床下采取隔振措施。碎石道床和整體道床下的隔振措施有所不同。碎石道床一般采用整體彈性道碴墊,如橡膠墊(發(fā)泡、開槽膠墊,或再生橡膠) 和發(fā)泡聚氨酯彈性墊。發(fā)泡聚氨酯彈性碎石道碴墊比橡膠墊彈性高、壽命長,隔振效果可達10～16 dB , 對地面線碎石道床隔振是一種性能、價格比很好的技術。

3.4 浮置板道床

如果將整體道床與基礎結構分離,做成具有足夠剛度和質量的道床板,再浮置于彈性元件上,即構成浮置板道床。浮置板可以提供足夠的慣性質量來抵消車輛產(chǎn)生的動荷載,只有靜荷載和少量殘余動荷載會通過彈性元件傳到基礎結構上。其彈性元件有面支承、線支承和分布支承3 種形式,其中分布支承效果最好。采用橡膠的稱橡膠浮置板,采用螺旋鋼彈簧(一般采用分布支承) 的稱鋼彈簧浮置板。

橡膠浮置板在新加坡、香港和廣州地鐵中得到應用,其隔振效果好于科隆蛋和彈性套靴,但存在以下問題影響其進一步推廣: ① 橡膠易老化,不易檢修; ② 列車運行中隔振地段車內振動噪聲明顯加劇,鋼軌內側磨損加劇,據(jù)分析是由于橫向剛度較低和阻尼較小所致; ③ 隔振效果約10～15 dB , 但固有頻率在15～20 Hz , 對于軟土地基及對人們較敏感的振源低頻部分隔振效果并不理想。

鋼彈簧浮置板道床由螺旋鋼彈簧和粘滯阻尼組成,有內置式、側置式和適用于橋梁建筑隔振的支座式3 種系列,隔振效果遠高于其它隔振方法,適用于線路從建筑物下面(或附近) 通過,以及建筑物隔振要求較高的場合(如音樂廳、歌劇院、醫(yī)院、市政廳、會議中心、博物館、中高檔住宅和酒店等) 。該技術已成功地應用于國內外20 多個不同場合。德國柏林地鐵、科隆地鐵、法蘭克福—曼茵茨國際機場樓頂快速客運系統(tǒng)、巴西圣保羅地鐵、日本東京地鐵、韓國釜山—漢城高速鐵路的部分地段采用了這項技術。首批使用場合已成功運營達10 年之久,至今情況良好。表1 對幾種常見的隔振措施的特性進行對比。

4 隔振效果

由于鋼彈簧浮置板的固有頻率很低,所以隔振效率很高。據(jù)國外文獻報道,科隆地鐵通車后,實測浮置板到隧道壁的振動傳遞損失,在215～400 Hz 的1Π3 倍頻程內平均高達45 dB(圖4) 。我國鐵道科學研究院對深圳地鐵足尺模型落錘試驗測試結果顯示,鋼彈簧浮置板的峰值振動傳遞損失達30 dB 。

圖4 　科隆地鐵浮置板及隧道壁垂向振動速度(dB) 比較

表1 　幾種常見的隔振方案比較

北京城市鐵路共在3 個地段采用了鋼彈簧隔振技術,其中西直門交通樞紐西直門車站和指揮中心高架線路穿樓段已于2002 年9 月28 日通車。東直門居民樓段浮置板道床于2002 年11 月底頂升完畢, 將于2003 年1 月28 日全線通車。業(yè)主已委托鐵道科學研究院對西線各種隔振措施進行全面測試,結果正在處理中,待東直門居民樓路段通車測試后一并發(fā)表。

根據(jù)現(xiàn)場宏觀感覺,關窗后在指揮中心內感覺不到車進車出;根據(jù)非正式測試結果,站臺層下的監(jiān)控室內車進車出時垂向Z 振級和等效聲級分別為60 dB 和45 dBA , 已滿足了國標GB100070 —1998 和國標GB3096 —1993 對城區(qū)夜間居民區(qū)室內的振動的控制標準(67 dB 和45 dBA) 。

5 鋼彈簧浮置板的應用前景

目前國內各大城市正大力發(fā)展城市軌道交通,但由于國內城市軌道交通起步較晚,土地資源又十分寶貴,軌道線路從建筑物附近甚至正下方穿過的情形難以避免。如果不采取較好的隔振措施,建筑物內的環(huán)境振動將可能超標,不但影響人們的工作和休息,還會造成附近房地產(chǎn)貶值。鋼彈簧浮置板隔振效果徹底, 技術優(yōu)勢明顯,為城市軌道交通的振動噪聲環(huán)境控制提供了有效的技術手段,在特殊隔振地段具有廣闊的應用前景。

正因如此,螺旋彈簧浮置板技術近期在國內地鐵中得到了較快的推廣,除北京城市鐵路外,尚有深圳地鐵、上海地鐵、南京地鐵在特殊的隔振地段設計了螺旋彈簧浮置板,我國臺灣臺北、高雄兩市也將鋼彈簧浮置板列為比選方案之一。城市軌道交通減振降噪是城市可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分,是一門系統(tǒng)學科,希望各方面專家和有關主管部門在城市規(guī)劃和設計研究中能給予足夠的關注。

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