北京城市鐵路振動與噪聲控制對策
【摘要】介紹國內外城市軌道交通振動和噪聲控制的現狀和發展,以及北京城鐵建設中減振降噪技術的
決策和實施。
【關鍵詞】城市鐵路 噪聲 振動 控制對策
1 減振降噪措施在城鐵建設中的意義
城市鐵路作為城市快速軌道交通,極大地方便了城市人口的出行,提高了人們居家擇業的機動性,利于城市的環保。但城市鐵路也給城市環境帶來了諸如噪聲、振動、電磁輻射、景觀等方面的負面影響,其中以噪聲和振動對沿線環境的影響最為突出。
對于城市軌道交通噪聲與振動及其控制,在設計階段,首先要根據環評報告對沿線振動與噪聲的超標狀況進行預測,然后逐段落實設計方案;在線路施工設計階段,要采用經濟合理和技術可行的減振降噪措施, 確保在線路開通后取得良好的減振降噪效果。
2 國內外減振降噪技術簡介
2.1 國內外常用的幾種減振技術
從20 世紀60 年代開始,用橡膠墊板作為軌道的彈性減振連接件,幾十年來一直在優化和改進之中;科隆地鐵采用特殊形式的軌道減振器,亦即科隆蛋,取得了較好的隔振效果,一般可以取得5～7 dB 的隔振效果;新進入中國市場的洛德(Lord) 扣件為膠結墊板,隔振效果與科隆蛋相當;彈性支承塊(彈性套靴) 經濟實用,隔振效果好,也可以達到5～8 dB 的隔振效果; 奧地利Getzner 公司針對高速鐵路碎石道床和混凝土枕磨損較快、振動加劇這一問題,開發了澆注在枕木下的發泡聚胺酯枕木墊,取得了明顯的效果,隔振效果可達到5～10 dB 。
對于隔振要求10 dB 以上的區段,一般要采用道床下隔振措施。碎石道床隔振主要采用整體彈性道碴墊,如橡膠墊(發泡或開槽,也有用再生橡膠) 和發泡聚氨酯墊;整體道床隔振也稱為浮置板隔振,按彈性材料的結構形式分為面支承、線支承和離散支承三種,其中離散支承效果最好。彈性材料用橡膠的一般稱為橡膠浮置板,用鋼彈簧的則稱為鋼彈簧浮置板。鋼彈簧浮置板一般采用離散支承。
橡膠浮置板的隔振效果好于軌下和枕下隔振系統,目前影響其推廣的主要問題是橡膠易老化和不易檢修更換,以及運行中發現隔振地段車內振動噪聲明顯加劇、輪軌摩擦聲加劇;鋼彈簧浮置板由鋼彈簧和粘滯阻尼組成,隔振效果高于其它隔振方法,適用于線路從建筑物下面或附近通過并且建筑隔振要求較高的場合,如音樂廳、歌劇院、醫院、會議中心、博物館、高檔住宅和旅館等。鋼彈簧浮置板壽命長,不需特殊維護和保養,檢修或更換彈簧十分方便,利用專用工具2 個人就可完成,不用拆卸鋼軌,不干擾行車,行車平穩性較好。
隔振方面的工程實踐在我國開展得較晚,我國香港地鐵、上海地鐵、廣州地鐵、洛陽伊河大橋、濟南鐵路橋、廣深線石龍鎮鐵路橋、秦嶺特長隧道都采用了減振措施。如上海地鐵應用科隆蛋隔振技術,廣州地鐵應用橡膠浮置板,北京地鐵應用了套靴隔振,國鐵秦嶺隧道(1814 km) 采用彈性支承式軌枕無碴軌道結構。深圳地鐵一號線在穿越市政府段采用秦嶺隧道隔振方案,并委托鐵道科學研究院做了實尺模型剛度試驗、落錘沖擊隔振效果試驗和隔振器疲勞試驗,其中落錘沖擊試驗隔振效果平均在40 dB 以上,隔振器通過了300 萬次疲勞試驗。北京地鐵建設一直非常重視地鐵減振技術,北京地鐵環線在東四十條站鋪設了彈性套靴整體道床結構(經30 多年運行,減振效果顯著),在四惠車輛段的試車線上采用了地面線道碴墊減振技術。
2.2 噪聲控制措施及應用
噪聲的預測和聲屏障的設計已有完善的理論和工程實踐,隔聲屏形狀和吸聲材料的新發展使噪聲控制技術不斷完善。聲屏障技術首先在公路建設中得到應用和推廣,隨后應用到城市軌道線路。許多國家無論高速公路還是城市鐵路沿線到處可以見到形式各異的聲屏障,在聲屏障的研究和工程建設方面積累了一整套成熟的理論和成功的經驗。如新加坡在4418 km 高架線路兩側全部設置了高017 m 、厚0108 m 的隔聲式混凝土聲屏障,而且聲屏障設計與橋梁結構設計同步進行。
3 北京城鐵減振降噪措施的決策與實施
為了盡可能減小振動噪聲對北京城鐵沿線的影響,提高城鐵及沿線的綜合環保水平,北京城市鐵路股份有限公司在城市鐵路的設計任務書中,明確要求軌道設計要提高軌道彈性、擴大無縫線路的鋪設范圍、采取有效的減振降噪措施,減少列車振動對沿線的影響。根據北京城鐵的橋梁結構、軌道結構、車輛選型和運行特點,以環境影響評價報告書為依據,結合沿線環境敏感點的實際情況,對城市鐵路軌道沿線采取了不同的減振降噪措施,以使沿線環境敏感點達到國家環境噪聲標準和環境振動標準的要求。
北京城鐵將全線的減振劃分成三級,預測未超標地段為一般減振地段,預測振動超標地段為較高減振地段,對振動、噪音和固體聲的控制要求極高的地段為特殊減振地段,各地段采用不同的減振措施,使軌道部件配置合理,達到分級減振的目的。
3.1 在軌道設計中全線采取的主要減振措施
(1) 北京城鐵采用了新線一次性鋪設無縫線路,實現了地面線軌道鋪設技術的突破,消滅了鋼軌接頭,減少了振動源。
(2) 提高施工與養護維修精度。鋼軌打磨、車輪鏇圓,使輪軌接觸良好,減少了輪軌沖擊;小半徑曲線鋼軌涂油,既減輕了鋼軌磨耗,又降低了噪音。
(3) 整體道床地段采用設有雙彈性墊層的彈性分開式扣件并實現了道岔扣件的全彈性化。
3.2 減振要求較高地段的減振方案 采用D Ⅰ軌道減振器扣件
D Ⅰ軌道減振器扣件為彈性分開式無擋肩扣件, 承軌板、底座與橡膠圈硫化為一整體,較充分地利用了橡膠的剪切變形,動彈性好,扣壓件、軌距墊、軌下橡膠墊板及與軌枕的聯結方式同DT Ⅵ型扣件,較DT Ⅲ型扣件振動加速度函數值減少10～20 dB 。上海地鐵一、二號線和廣州地鐵一號線在減振要求較高的地段均鋪設了這種扣件。現場減振測試結果表明,D Ⅰ軌道減振器扣件較DT Ⅲ型扣件振動級減少4～5 dB ,達到了國家環境保護控制標準要求,經多年運營使用,技術狀態良好。
3.3 北京城鐵重點減振地段的減振方案
在西直門車站、指揮中心穿過高架橋地段以及和平里居民塔樓地段,采取了特殊隔振措施。
3.3.1 西直門交通樞紐高架車站北京西直門交通樞紐位于繁華的北京二環西北角西直門地區中心,是我國正在建設的第一個集公交、國鐵、環線地鐵、水運站于一體的交通樞紐,緊鄰城鐵西直門站西側是三棟已立項開發的高檔寫字樓,東側是改建的國鐵北京北站,周圍是公交站點;還有環線地鐵站,城鐵西直門站為高架三層框架鋼筋混凝土結構,站臺設在第三層,除兩條正線外還有一條存車線,城鐵車站結構與相鄰的華融公司開發的寫字樓的地下結構連通為一體,地下為超市及停車場。
就對城鐵的減振要求而言,目前國內尚無規范要求,然而為了迎接奧運會,體現綠色奧運精神,應盡可能減小城鐵對交通樞紐和周邊寫字樓的振動和噪聲影響。城鐵公司和華融公司按照首規委文件精神,進行了多次磋商,并組織設計院、有關專家和隔振廠家進行多次技術交流和專家論證,從設計院提出的多種備選方案中,確定了鋼彈簧浮置板隔振技術方案。鋼彈簧浮置板隔振系統是將軌道固定在鋼筋混凝土質量平臺上,平臺再放在主要由柔性彈簧組成的隔振器上,這個質量平臺可以提供足夠的慣性質量來抵消車輛產生的動荷載,只有靜荷載和少量殘余動荷載會通過彈簧傳到基礎結構上。鋼彈簧浮置板隔振系統的隔振效果為20～25 dB ,同時可消除固體聲,隔振系統固有頻率約5 ～7 Hz ,其彈簧鋼的疲勞壽命長,很容易更換,不影響行車。這種結構雖然在德國、英國、巴西有過成功的應用實例,但國內至今尚未使用。
3.3.2 西直門交通樞紐北京城鐵指揮中心高架橋
高架橋緊接西直門車站,是三跨總長75 m 的混凝土預應力連續梁,橋梁從城鐵指揮中心穿過,共三條線,指揮中心內部既有指揮調度的工作人員,又有大量敏感的電子設備,是城鐵的神經中樞,降低此處的振動和噪聲,對于保證重要敏感設備的可靠運轉和城鐵的正常安全運行至關重要。為此,采取了橋梁和指揮中心分離的措施,使橋梁的振動和動載不直接傳到指揮中心。另外,為了確保指揮中心的振動和固體聲不超標,橋上采用了類似于減振支座的隔振方案。
2001 年8 月,北京城鐵公司邀請了包括橋梁、抗震、振動、動力仿真分析等領域的十幾位國內相關專業領域的專家,對該項隔振技術的初步設計方案進行了評審,隔而固公司的外國專家也參與了論證,結論是該方案理論上可行,在國外有類似成功的工程實例,但鑒于該方案的技術復雜性,建議補充動力仿真計算,對行車安全和抗震安全進行分析。2002 年9 月27 日,各與會專家又對動力仿真分析的結果和方案進行了評審, 肯定了該方案的安全性。
3.3.3 和平里居民樓北京城鐵在和平里附近從兩座居民塔樓中間的地下穿過,隧道外壁離居民樓的基礎只有半米,根據國內外類似情況估算,即使此處采用減振要求較高地段的減振方案(D Ⅰ軌道減振器扣件方案),仍不能確保居民樓內振動達到GB10070 規定的標準,夜間可能會超標4～6 dB 以上,且會有殘留固體聲,屬于隔振要求較高的地段,因此也采用了鋼彈簧浮置板。特別是此處為地下隧道,采用隔而固公司的內置式鋼彈簧阻尼隔振器,其中浮置板可以現澆,隔振器可以從浮置板頂面進行安裝或檢修,既安全方便,又不影響運營。
3.4 北京城鐵噪聲控制措施北京城鐵是北京第一條大規模采用地面線的城市鐵路,且城區部分沿線路段的噪聲敏感點比較多,如西直門——知春路地段、和平里 東直門地段等。為確保北京城鐵全線的降噪控制效果,北京城鐵設計增加了全線聲屏障,并組織專家對噪聲控制方案進行了評審。
為使噪聲控制做到技術經濟合理,北京城鐵吸收了國內外先進的技術,在聲屏障的結構形式和材質等方面進行了重點研究,按噪聲敏感地帶與線路的實際關系及隔聲要求,將全線的聲屏障設計為三種形式,即全封閉式、半封閉式和直立式。
聲屏障的吸聲部分為HA2S 形吸聲板或波浪吸聲板,透明部分為夾膠玻璃或耐力板,波浪吸聲板內部吸聲材料采用無堿增水玻璃布包裹離心玻璃棉,隔聲指數STC ≥30 ;夾膠玻璃結構的兩外側玻璃厚5 mm ,中間為0176 mm 厚的膠膜,隔聲指數STC ≥30 ;耐力板采用透明耐光板,隔聲指數STC ≥25 。全線共設置單側聲屏障614 km ,全封閉聲屏障756 m ,總計43 249 m2 。
4 小結
北京城市軌道交通減振降噪問題,在環評階段就進行了充分考慮,設計階段精心比選各種方案,大膽采用國際先進技術,使北京城市鐵路減振降噪的效果達到了綠色環保的要求。
