城市轨道交通减震降噪技术发展现状

城市轨道交通减震降噪技术发展现状

与未来

摘要：对城市轨道交通振动与噪声控制设计的相关规范进行了梳理，介绍并分析了目前主要的轨道减振措施的特点与优缺点，对目前减振效果最好的浮置板道床进行了经济性对比分析。

关键词：轨道交通；轨道结构；减振；

截至2012年12月，北京、天津、上海、广州、深圳、长春、大连、沈阳、重庆、成都、南京、武汉、杭州、苏州、西安和昆明16个城市的70条轨道交通线路投入运营，运营里程2081.13km，车站1378座；北京、上海、广州、深圳和南京等城市逐步进入网络化运营。

随着一些大城市轨道交通网络的逐渐形成，越来越多的城市轨道交通线路不可避免地近距离下穿城市功能建筑物，城市轨道交通运营产生的振动污染引起公众和有关部门的关注。国外从20世纪60年代开始重视城市轨道交通减振降噪问题。1966年，英国的阿尔贝民事法院6层建筑物即采用叠层橡胶减振技术，解决城市轨道交通对建筑物的影响；80—90年代德国、英国进行了无砟轨道减振降噪的大量试验研究。我国轨道减振研究起步较晚，早期修建北京和天津地铁时未考虑环境振动问题，投入运营后减振改造工程干扰运营，浪费人力和物力。为避免环境振动超标，上海地铁1号线于1994年首次采用轨道减振设施——轨道减振器扣件。随着我国各地城市轨道交通建设陆续开展，各种类型的轨道减振产品在城市轨道交通建设工程中相继得到应用。随着城市轨道交通的迅速发展，在人口密集、科研院所、医院、学校等城市公共区域，车辆噪音越来越多的引起人们的关注。城市轨道车辆噪音根据生源的不同大致分为以下几种：轮轨噪声：由轮轨相互作用引起的噪音；

设备噪声：由空调、电机等车辆设备工作产生的噪音；

空气动力噪声：车体与空气摩擦而产生的噪声；

集电系统噪声：由受电弓和电线相互摩擦引起的噪音；

构造物二次噪声：列车振动引起桥梁、隧道或周围建筑物的二次振动而产生的噪声。

1我国城市区域环境振动标准

城市轨道交通环境振动防治作为环境保护产业的一部分，在城市轨道交通环境建设，以及经济与环境协调可持续发展方面具有重要而独特的意义。为贯彻《中华人民共和国环境保护法》，控制环境振动污染，我国制定了相应的环境振动标准。现行《地铁设计规范》[2]规定，地铁振动污染防治设计应符合国家现行《城市区域环境振动标准》，环境评价预测超标地段应采取减振措施，以满足国家环境保护及相关规范要求。近年来，我国许多城市进行了大规模的城市轨道交通和基础设施建设，出现了一些新的城市轨道交通振动源和振动问题，而人们对城市环境要求更为严格，尤其是在夜间，对于地铁运行产生的振动响应更为敏感。研究发现，即使振动水平处于65dB“特殊住宅区”振动限值之下，人们仍能感到振动并产生厌恶感；当振动水平处于62dB以下时，大部分居民感觉不到振动。现行《城市区域环境振动标准》中的一些计权方式和测量方法严重滞后于相关学科研究发展。为此，国家环境保护部科技标准司组织修订《环境振动标准》（征求意见稿）。修订后其紧密结合国际现行标准，体现了以人为本的社会发展要求。

2我国城市轨道交通轨道减振现状特征

目前，我国城市轨道交通轨道减振领域现状特征是需求总量大、产品种类多、占全线比例高、减振要求复杂。

2.1产品种类多

轨道减振技术的通常做法是在组成轨道的各个刚性部件之间插入弹性层，按插入位置的不同可分为扣件减振、轨枕减振和道床减振。弹性层所处的位置越靠下，悬浮的质量就越大，越能获得较好的减振效果。根据减振效果的不同，《地铁设计规范》（征求意见稿）[5]将减振措施分为一般减振措施、中等减振措施、高等减振措施和特殊减振措施4个等级。

（1）一般减振措施。2012年4月正式实施的北京市地方标准《地铁噪声与振动控制规范》[6]对Z振级插入损失作出定义：在其他条件相同的情况下，使用减振措施与使用普通扣件（DT-Ⅵ2）线路，隧道壁Z振级之间的差值记为△VLZmax；单位为分贝，dB。这里提到的普通扣件即一般减振措施，其主要作用是固定钢轨，以及在列车运行时为轨道提供必要的缓冲，包括广泛应用于北京城市轨道交通的DT-Ⅵ2型和DT-Ⅶ2型扣件、在上海地铁与北京地铁普遍使用的WJ-2型扣件及广州地铁普遍使用的单趾弹簧扣件。

（2）中等减振措施。中等减振措施的减振能力（即使用减振措施与普通扣件线路隧道壁Z振级插入损失）为5～10dB，常用的中等减振措施主要有双刚度剪切型轨道减振器扣件（Ⅲ型、Ⅳ型轨道减振器扣件）、压缩型轨道减振器扣件（ALT.1扣件、Lord扣件）、Vanguard扣件、弹性短轨枕和弹性长枕式等。

（3）高等减振措施。高等减振措施的减振能力为10～15dB，主要减振原理是在轨枕下或道床下铺设弹性垫层，形成质量弹簧体系，通过增加参振质量，降低轨道结构的自振频率，从而得到较好的减振效果。高等减振措施有梯形轨枕轨道结构和纵向轨枕轨道结构，以及橡胶浮置板道床和固体阻尼钢弹簧浮置板道床等。梯形轨枕由PC制成的纵梁和钢管制成的横向联结杆构成，轨枕下放置弹性垫层起缓冲减振作用，目前广泛应用于我国地铁；纵向轨枕利用横向混凝土纵梁代替梯形轨枕的混凝土钢管结构。国内外常用的橡胶浮置板道床有整体支撑、线性支撑与点支撑等支撑形式。橡胶浮置板道床减振材料除了传统的橡胶材料外，还包括阻尼橡胶材料及聚氨酯微孔弹性材料，其减振性能和工作年限与材料性质密切相关。

图1梯形轨枕轨道结构

图2纵向轨枕轨道结构

（4）特殊减振措施。液体阻尼钢弹簧浮置板道床（见图3）是城市轨道交通行业内公认减振性能最好的轨道形式，是现行唯一的特殊减振措施。液体阻尼钢弹簧浮置板道床利用液体阻尼钢弹簧隔振器支撑钢筋混凝土道床板，形成一个高质量、低刚度的“质量-弹簧”系统，其固有频率为5～7Hz，减振能力在15dB以上。液体阻尼钢弹簧浮置板道床成本和工程造价很高，不具备大面积铺设条件，目前大多应用于线路近距离下穿建筑物，以及对减振要求较高的古建筑、研究机构、医院、博物馆和音乐厅等场所。

图3液体阻尼钢弹簧浮置板道床

2.2占全线比例高

近年来，新建城市轨道交通线路各等级减振措施区段占总线路比例逐步升高，这与人们对控制地铁振动产生的环境影响需求密不可分。

2.3要求复杂

现代城市是人们学习、生活、工作、休闲、疗养的综合功能区，密集的轨道交通线网不可避免地对城市功能建筑产生环境振动影响。因此，要将敏感目标Ｚ振级控制在标准限值内，并对低频段振动控制提出严苛的复杂要求。《环境振动标准》（征求意见稿）颁布实施后，轨道减振应用范围将调整，原采用中等或高等减振措施的地段，将采用高等或特殊减振措施，以满足综合功能区振动限值，高等级减振措施所占全线比例将会继续增加。

3现阶段我国城市轨道交通轨道减振存在的问题

3.1轨道减振产品设计缺乏技术储备目前，我国城市轨道交通轨道结构的设计总体沿用铁路轨道结构设计标准。而城市轨道交通减振型轨道结构设计仅注重产品自身的技术性能，缺乏对整个减振型轨道结构系统性能的认识，特别是在稳定性和耐久性方面，不能满足铁路轨道设计标准要求，造成投入运营后因轨道结构稳定性差、耐久性低、刚度不连续等问题引起轨道病害频发。轨道减振设计单位缺乏必要的技术储备，对轨道减振原理认识不够全面和深刻。部分设计人员陷入了轨道刚度越低减振性能越好的误区，未认识到质量、刚度、阻尼等指标的合理匹配，使大量低刚度减振扣件使用后导致钢轨非正常波磨严重。轨道减振设计单位在引进、消化吸收国外轨道