城市軌道交通減振降噪型軌道結構的選擇
摘 要 城市軌道交通噪聲主要由輪軌噪聲、動力設備噪聲、結構振動噪聲組成。降低輪軌噪聲,是城市軌道交通降噪的關鍵之一。不同的軌道結構,具有不同的減振降噪能力。減振降噪型軌道結構分三類:彈性扣件、彈性支承塊和浮置板。根據這三類減振降噪型軌道結構,提出對降噪要求不同的地區,應選擇不同類型的軌道結構。
關鍵詞 城市軌道交通,減振降噪,軌道結構,類型選擇
大量研究結果表明[ 1 ] ,列車引起的噪聲可分為四個部分:輪軌噪聲、集電弓噪聲、車廂的空氣動力噪聲和橋梁結構的二次振動噪聲。對于城市軌道交通,動力設備、空調系統等噪聲也占較大比例。國外對振動噪聲問題的研究已開展多年,認為當列車速度低于60 km/h 時,主要為發動機噪聲; 當列車速度在60～200 km/ h 時,輪軌噪聲要占較大的比例,當列車速度大于200 km/ h 時,主要是空氣動力噪聲[ 2 ] 。而城市軌道交通的列車速度一般在60 ～80 km/h 之間,故車體的空氣動力噪聲較小,其綜合噪聲主要是由輪軌噪聲、動力設備噪聲、結構振動噪聲組成。
合理選擇減振降噪型軌道結構,可降低輪軌噪聲。對噪聲要求不同的地段,可采用不同的降噪型軌道結構。由于噪聲聲級的對數疊加特性。在整治主要噪聲源的同時,應對其它噪聲源加以控制, 阻斷噪聲的傳播途徑,縮小噪聲污染范圍。因此, 減振降噪是一項系統工程, 需要有關專業共同配合、綜合治理才能取得滿意效果。
1 無碴軌道結構的噪聲特點與設計原則
有碴軌道的道碴提供了很好的彈性,對減振降噪有利。但有碴軌道在列車荷載作用下會發生幾何形位的變化,需進行經常性的養護。軌道交通線路如采用有碴軌道,在運營時間內對其進行養護維修幾乎不可能,而夜間的養護維修作業在安全、質量和設備要求上提出了更為苛刻的要求; 此外,高架橋上采用道碴道床增加了橋梁的自重, 增加投資,且道床的清篩粉塵也對城市環境造成污染。因此,與有碴軌道相比,無碴軌道具有穩定性、平順性、剛度均勻性好、維修工作量少、簡潔易清洗等顯著優點。日本、德國等國家已把它作為高速鐵路和城市軌道交通的主要軌道結構型式加以發展和應用。
(1) 無碴軌道結構的振動與噪聲特點
軌道結構的噪聲為輪軌噪聲。鋼軌與車輪的相互作用激起鋼軌和軌下基礎的振動,鋼軌即向外輻射噪聲。振動來源于軌道的不平順。振動隨軌下基礎向周圍傳遞,或引起振動,或造成結構“二次噪聲”。輪軌噪聲可分為3 種主要類型:類叫、沖擊和轟鳴(或滾動) 噪聲。當車輛通過小曲線半徑時, 由于車輪受轉向架的約束,不能正切于鋼軌運行, 引起車輪沿著鋼軌滾動時橫向滑過軌頭,由此產生輪軌接觸表面的粘著和空轉,引起車輪共振而產生強的窄頻帶尖叫噪聲。車輪通過軌縫、道岔或擦傷的車輪在鋼軌上滾動時引起的是沖擊噪聲。轟鳴噪聲是通常沒有擦傷的車輪在狀態良好的直線鋼軌上滾動時所發生的噪聲,這是由于車輪和鋼軌表面上的小面積粗糙造成的。
由于噪聲和振動在500～2 500 Hz 頻率范圍內線性相關,且在此范圍內鋼軌是主要輻射體(特別是在500～1 000 Hz 范圍內),因此抑制鋼軌振動、減小鋼軌的振動加速度和頻率,對降噪起著關鍵作用。通過研究軌道結構各組成部件參數的合理匹配,可以達到這一目的。彈性鋼軌和彈性車輪的成功經驗,證明這種方法是行之有效的。軌道結構的減振可采用隔振技術,阻斷振動的傳播途徑,使得軌道作為振源向周圍土介質或向梁跨結構傳遞的振動較小,從而避免結構的“ 二次噪聲”。
(2) 減振降噪型無碴軌道結構設計的主要原則
減振降噪應以工程環境評價報告為依據,經現場詳細調研,明確振動與噪聲的保護對象和范圍, 確定期望值,根據線路鋪設形式、地質條件等合理選型。據此,減振降噪型軌道結構的設計應遵循以下主要原則:良好的穩定性和耐久性; 良好的減振降噪性;結構簡單,施工和安裝的簡便性;軌道幾何形位的可調性;低成本及少維修養護。
2 減振降噪型鋼軌扣件的選擇
鋼軌扣件由扣壓件、軌下墊層和聯結螺栓組成。為了保持軌道結構的穩定性以及可維修養護性、減振等要求,鋼軌扣件應具有一定的扣壓力、必要的彈性和相應的可調能力。
(1)WJ -2 型、DT Ⅲ 型及WJ -4 型扣件
圖1 WJ-2 型彈性扣件 圖2 DT Ⅲ 彈性扣件 圖3 WJ -
WJ -2 型扣件(圖1) 的調高量為40 mm , 軌距調整量為10 mm , 扣件節點剛度為40～60 kN/m , 能滿足一般地段的減振要求。扣件的絕緣電阻為108 Ω。該型扣件已在上海的明珠線使用。但扣件調高以后的剛度匹配及增加扣件的減振降噪效果還需進一步研究。
上海地鐵采用了DT Ⅲ 型扣件(圖2) 。該扣件采用二級減振,在鋼軌和鐵墊板下都設絕緣橡膠板,扣件的彈性、減振效果較好,比北京地鐵采用DTI 型扣件的振動水平減少5～10 dB 。
WJ-4 型扣件(圖3) 是一種無擋肩的彈條扣件,軌下墊層調高量較小,軌面的調整主要是靠鐵墊板下的墊層調整。此類扣件的減振降噪效果類似于WJ -2 型。目前此類扣件尚在開發中。
(2) Cologne -Egg 彈性扣件
Cologne -Egg 彈性扣件是在減振要求較高地段采用的軌道減振器扣件(圖4) 。該扣件的承軌板與底座之間用減振橡膠硫化粘貼在一起,利用橡膠圈的剪切變形獲得較低豎向剛度,較DTI 型扣件的振動傳遞減少15～30 dB , 較DT Ⅲ 型扣件減少10 ～20 dB 。
4 扣件(研制中)
軌道減振器扣件的垂直剛度較低,而且不過度犧牲鋼軌的橫向穩定性。對于有碴軌道,其減振水平為10～15 dB , 當振動頻率較高時可減振25 dB 。但隨著時間的延長,軌道減振器的震動性能會下降,所以要提高橡膠彈性元件的耐久性、抗老化性等性能。國內外大量實驗表明,此類減振器的減振性能介于一般扣件與浮置板之間。
圖4 Cologne -Egg 彈性扣件
此外在選擇扣件時,應考慮軌道交通通過地區對減振降噪的要求。即根據不同的地區選擇不同減振降噪效果的扣件系統,使其達到最佳效果。一般來說,減振降噪效果好的扣件系統,其成本相對較高。
3 彈性支承塊軌道結構(LVT)
(1) 國內外低振動軌道結構使用簡況
最高速度200 km/ h 的英吉利海底隧道通過多種無碴軌道結構比選,采用了彈性支承塊軌道(Low Vibration Track , 簡為LVT) ( 圖5 、6) ,目的是使得軌道結構具有較好的減振性能,降低輪軌之間的動力作用,使列車運行平穩。美國Sonneville 國際集團公司還對該軌道系統提供成套技術咨詢服務,其技術已相當成熟。日本對高速鐵路軌道結構彈性的研究更為廣泛,不但對軌道結構彈性與輪軌的動力作用關系進行研究,而且對軌道彈性與降低列車運行噪聲的關系進行了廣泛的研究。
圖5 美國Sonneville 公司的LVT 結構(橡膠靴套專套)
圖6 英吉利海底隧道的LVT 結構
據瑞士聯邦鐵路的軌道檢查記錄顯示,運營了1～7 年的LVT 幾何狀態仍可保持在標準范圍之內。由于其特有的減振、降噪、減磨等優越性能,該軌道結構已被世界上許多國家所采用。
LVT 結構在我國鐵路中的應用剛剛開始,在已建成的18 km 長秦嶺隧道內,鋪設了這種彈性軌道結構。現場測試及理論分析表明,這種軌道結構的振動衰減特性接近于有碴軌道。我國秦(皇島) ～ 沈(陽) 客運專線也部分鋪設了這種軌道結構的試驗段,以驗證其減振性能。
由于LVT 的減振降噪效果較為明顯,因此,城市軌道交通中對振動和噪聲敏感的地段,特別是高架結構,彈性支承塊式無碴軌道結構是一種比較理想的選擇方案。
(2)LVT 的結構
LVT 結構由彈性支承塊、道床板和混凝土底座及配套扣件構成。彈性支承塊由橡膠靴套包裹的鋼筋混凝土支承塊以及塊下大橡膠墊板組成。橡膠靴套與塊下大橡膠墊板與軌下墊板的彈性匹配目標是使得無碴軌道的總體剛度與傳統有碴軌道的剛度相接近。支承塊承軌部分設軌底坡。由于調整鋼軌高度的需要,扣件為彈性分開式,支承塊與鐵墊板的聯結通過預埋絕緣套管及螺栓實現;道床板由就地灌注的填充混凝土和槽形板組成的道床將彈性支承塊嵌固在其中。每7～8 個支承間距作為一個板長單元。道床表面設人字坡,以利排水。在隧道內,混凝土道床可直接與隧底仰拱填充混凝土聯結。而在高架結構上,考慮列車制動和溫度力等作用,加設了混凝土底座。為此,需解決底座與橋面的聯結以及底座與道床的聯結等問題。為了提供混凝土道床的可修復性,在底座表層設置隔離層。在曲線地段,外軌超高的設置是在混凝土底座內完成。高架橋上的彈性支承塊式軌道結構見圖7 。
圖7 高架橋上LVT 結構圖
LVT 結構的垂向彈性由軌下和塊下雙層彈性橡膠墊板提供,最大程度地模擬了傳統彈性點支承碎石道床的結構和受荷響應特性,并使得軌道縱向彈性點支承剛度趨于一致。通過雙層彈性墊板剛度的合理選擇,可使軌道的組合剛度接近有碴軌道的剛度。支承塊外設橡膠靴套提供了軌道的縱、橫向彈性變形,使這種軌道結構在承載能力和振動能量吸收諸方面更接近堅實均勻基礎上的碎石道床軌道,以適應低振動、低噪音的要求。雙層彈性墊板的軌道振動特性可使軌道的幾何形位在長時間內保持穩定。
LVT 的結構簡單,施工相對容易。其支承塊為鋼筋混凝土結構,可在工廠預制,現場只需將鋼軌、扣件、靴套及墊板的支承塊加以組裝,經準確定位后,就地灌注道床混凝土即可成型。LVT 結構的缺點是中初期投資較大,且橡膠易老化,運營一定時間后必須更換。
4 浮置板式軌道結構
浮置板的原理是增大振動體的振動質量和彈性,利用其慣性力吸收沖擊荷載,從而起到隔振作用。這種隔振系統在共振頻率下的放大倍數很低, 所以減振降噪效果非常顯著。浮置板軌道結構系統采用三層水平墊板(鋼軌下橡膠墊板、鐵墊板下橡膠墊板、板下橡膠墊板) 和一層側向墊板。道岔處經驗算橫向剛度后也可采用上述措施。
(1) 國內外應用概況
最早采用浮置板式軌道結構的是聯邦德國。德國先開發的是有道碴的浮置板軌道結構。在多特蒙德的一座輕軌鐵路隧道內鋪設了試驗段。此后,在科隆地鐵以及波鴻至穆爾海姆輕軌和迪塞爾多夫的輕軌上鋪設了無碴浮置板式軌道。由于其良好的減振降噪性能,這種結構在華盛頓、亞特蘭大、多倫多、布魯塞爾等地均有鋪設。我國第一次采用浮置板式軌道結構的城市軌道交通線路是廣州地鐵1 號線。
(2) 浮置板軌道結構特點
在所有減振降噪型軌道結構中,浮置板軌道結構具有最好的減振降噪效果。據聯邦德國有關部門測試,有道碴下墊層和浮置板式的軌道結構其阻尼效應可減振達30 dB , 且在垂直荷載20 %～100 % 變化范圍內其隔振的效果幾乎保持不變。由于軌道結構四周基本上由絕緣的橡膠支座與混凝土底座隔離,可有效防止軌道迷流的發生。缺點是體積龐大,需大型機械施工,施工與維修不便;由于采用橡膠支座,造價較高。
浮置板式軌道結構包括兩種基本類型: ① 連續現澆浮置板; ② 軌枕板式預制浮置板。連續現澆浮置板是在橡膠隔振墊上鋪一塊金屬模板,然后將混凝土澆入金屬模板,其施工和維修均不便。
板下橡膠支承方式分為整體支承、線性支承、分布式支承三種。浮置板的基本形式如圖8 所示。整體支承在瑞士、法國、西班牙、意大利、德國、法國等國地鐵中采用,其優點是構造簡單、施工速度快、支承面積大、道床受力均勻、成本較低,缺點是維修不方便。浮置板的縱向連續支承主要在德國地鐵中應用,其優點是較整體支承節省材料,軌道結構的固有頻率較低。分布式支承曾在德國、美國、加拿大、新加坡等國的地鐵中采用。這種支承方式如果設計合理,軌道結構的固有頻率低,減振效果好, 維修方便;但在國外應用時曾發現軌道縱向和橫向抵抗力差,為了限制變形,必須使剪切模量、彈性模量、墊板厚度、墊板大小等匹配。采取凹槽對橡膠墊板進行定位,能有效地提高板的穩定性。華盛頓、亞特蘭大、多倫多等地鐵浮置板系統的實測隔振效果表明,浮置板系統在設計的結構固有頻率以上的隔振效果是明顯的。其中亞特蘭大地鐵在16 Hz 以上的減振效果最好。這是因為結構的固有頻率最低。根據德國實測資料,其減振效果明顯。
圖8 浮置板式軌道結構示意圖
浮置板式與彈性支承塊式整體軌道相比,施工和維修都較為困難。但仔細研究國外地鐵軌道結構資料后發現,采取改進板的結構型式和尺寸,對現有板下橡膠支承方式進行改進,可使施工和維修簡化,在維修過程中完全可能采用簡單機具更換橡膠墊板。
(3) 螺旋彈簧浮置板軌道
德國GERB 公司研制了螺旋彈簧的浮置板軌道,如圖9 所示。采用螺旋彈簧支承的浮置板道床,其固有頻率很低,只有4～8 Hz , 因此該軌道結構的減振效果要比橡膠墊浮置板軌道好。螺旋彈簧幾乎沒有阻尼作用,但浮置板較重(每延米5 t 以上),列車通過時引起的浮置板的振動加速度較小。因此,浮置板支承阻尼作用對路基的影響較小。如要利用阻尼減小浮置板的振動,可安裝與螺旋彈簧并聯的粘滯阻尼器,則浮置板的減振效果更好。采用螺旋彈簧的浮置板道床具有以下特點: ① 浮置板與隧道底板間只需極小的空隙(約10 mm) ; ② 浮置板的鋼筋混凝土可以現場澆注; ③ 借助簡易工具便可抬起浮置板或調整浮置板高度; ④ 從浮置板表面可隨時更換彈簧; ⑤ 從浮置板表面可隨時檢修或校正線路不平順; ⑥ 通過調整高速螺旋彈簧高度,可消除線路沉降引起的不平順; ⑦ 通過對彈簧表面特殊處理及彈簧強度儲備,彈簧的使用壽命可很長;
⑧ 沒有橡膠老化問題; ⑨ 浮置板可做得很長(40 m , 甚至60 m) ,減少聯接,降低成本。
圖9 螺旋彈簧浮置板軌道結構
(4) 浮置板有碴軌道結構
德國在研制低振動軌道結構時,也開發研制了浮置板有碴軌道結構(圖10) 。由于采用了道碴, 所以具有一定的降噪效果; 由于采用了浮置板,所以具有較好的吸振性能。此類軌道有30 cm 厚的道碴,所以軌道結構的重量相對較大。
圖10 浮置板有碴軌道結構
浮置板軌道結構作為減振降噪軌道結構在國外已有近40 年的歷史,在設計、施工、養護和維修等方面已積累了豐富的經驗。實踐證明這種軌道結構的減振降噪效果十分明顯。上海是一個人口密集型的大城市,有許多特殊地區對振動、噪聲的防護要求非常高,采用浮置板式軌道結構無疑是一個極好的選擇。
5 其它減振降噪方式
(1) Edilon 鋼軌埋置式板式軌道結構[ 4 ]
荷蘭Edilon 公司研制了一種以縱向連續支承取代傳統的分散點支承、增加了軌底支承系統應力水平的埋置式軌道結構。從1976 年開始,荷蘭就鋪設了埋置式軌道結構( Embedded Rail Structure , 簡為ERS) ( 圖11) 。實踐證明,由于這種軌道結構在鋼軌周圍使用了一種稱為Edilon Corkelast 的材料, 取得了較好的隔聲和隔振效果。該類型的軌道結構使用20 年來,養護維修工作量相當少。近幾年, 在荷蘭阿姆斯特丹至比利時邊境修建了3 km 試驗段,效果良好。
圖11 埋入式軌道結構
(2)D 型可更換式彈性直結軌道
這種軌道結構大量應用于日本的高速鐵路和地鐵系統,使用歷史已有20 多年。其特點是:可以不破壞周邊混凝土而方便地進行軌枕下膠墊的更換及高低調整,并且可以根據用途來選擇各膠墊的彈性。其軌枕下膠墊作為地層振動對策和噪聲對策所采用的剛度是不同的,減振箱內各側面的剛度要比枕下膠墊剛度大得多。D 型彈性直結軌道的振動水平可比普通板式軌道低13～16 dB 。根據振動的1/ 3 倍頻程的頻譜分析圖可知: 在500 Hz 以上時可望有30 dB 左右的減振效果,有利于降低向外傳遞的振動和噪聲,緩解對軌道結構和橋梁結構的損害。
(3) 減振降噪型鋼軌
當列車車輪滾過鋼軌頂面時,由于鋼軌腹板的厚度較薄,軌腰產生振動,這一振動向空氣幅射而產生噪聲。為了最大限度地減小鋼軌腹板振動引起的噪聲,在鋼軌腹部粘貼了減振橡膠,如圖12 所示。一般是在鋼軌腹部粘上橡膠后再粘上一鋼板, 以增加振動質量,起到衰減作用。要求使用高阻尼橡膠增大振動衰減作用,達到降噪目的。這一裝置的關鍵之一是橡膠與鋼軌、橡膠與鐵板之間要有較好的粘結性。如果粘結界面脫開,則減振效果大大下降。
為了降低列車通過時軌道結構引起的噪聲,荷蘭在開發研究板式軌道時, 研制了軌頭形狀與UIC54 相似的SA42 型矮軌,并采用ERS 軌道結構技術,將鋼軌用Edilon Corkelast 材料埋起來,軌下基礎也采用板式軌道。由于這種鋼軌矮胖,車輛通過時引起鋼軌腹板的振動頻率較低,提高了軌道結構的減振降噪效果。據國外資料表明,這種軌道結構的降噪效果為5 dB(圖13) 。
圖12 減振降噪型鋼軌
6 建議
城市軌道交通的建設是百年大計,對軌道交通工程每一部分的選擇都應慎之又慎。一方面要節約投資,另一方面要考慮環境等因素又不得不增加投資。不能只考慮節約投資而忽略環境、運行等問題。一旦軌道交通建成,要對其整改,所花的費用可能是一次性投資的幾倍。據此,這里提出一些對降噪型軌道結構設計的建議:根據國家的振動噪聲標準,核準各類標準的地區,如將全線分為2 種標準的地區,有特殊減振要求的區域,如心臟病醫院、文教類區設為0 類地區; 其它地段為一般減振要求,設為1 類地區。然后根據其減振降噪要求,選用不同的降噪型軌道結構:
圖13 ERC 型軌道采用的減振降噪型鋼軌
(1)0 類地區,采用D 型可更換式彈性軌枕直接聯結軌道或浮置板軌道;
(2)1 類地區,采用彈性支承塊式整體道床軌道;
(3) 對于其它地區, 雖然對減振、降噪要求較低,但考慮到車輛運行的動力平穩性、減小輪軌之間的沖擊荷載、延長軌道結構的使用壽命等要求, 建議采用彈性扣件。
就我國目前的應用情況,減振降噪型軌道結構真正應用于具體的高架橋上,還需進行以下幾方面的工作: ① 根據軌道交通的運營條件,建立動態軌道力學模型進行理論計算分析,確定各連接的最佳彈簧剛度、阻尼的匹配; 根據輪軌相互作用力和枕上壓力,分析結構減振降噪的特性。② 對減振部件的性能進行優化設計,以獲得最佳減振降噪效果, 延長使用壽命,降低成本。③ 對混凝土基礎道床形式尺寸、配筋進行優化設計,以保證結構的強度、使用壽命、少維修和可維修性,并達到最佳的經濟性。④ 進行實尺軌道模型試驗,研究軌道結構的振動、噪聲和力學傳遞等性能。⑤ 進行混凝土基礎道床與橋面連接的設計研究,以適應荷載、橋梁的變形及無縫線路的要求。⑥ 確定扣件系統的調高量,以適應施工、運營及橋梁徐變上拱的調整,確定扣件
參 考 文 獻
1 日本國際協力事業團短期專家組. 高速鐵路的減振降噪技術講議. 北京,1999. 1～11
2 Dittrich M G , Janssens M H A. Measurement procedures for determining railway noise emission as input to calculation schemes. TNO ,
TPD , The Netherlands , Sep . 2000
3 焦金紅,張蘇,耿傳智等. 軌道結構的減振降噪措施. 城市軌道交通研究,2002 , (1) :61
4 Coenraad Esveld. INNOVATIONS IN RAILWAY TRACK, TU Delft. P. O. Box 5048 , NL -2600 GA Delft The Netherlands , Email : esveld @ct . tudelft. nl
