天津地鐵1號(hào)線軌道減振措施應(yīng)用及效果

陳 超，曲 東

(1.天津市環(huán)境影響評(píng)價(jià)中心，天津 300191；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)，陜西 楊凌 712100)

天津地鐵1號(hào)線軌道減振措施應(yīng)用及效果

陳 超1，曲 東2

(1.天津市環(huán)境影響評(píng)價(jià)中心，天津 300191；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)，陜西 楊凌 712100)

介紹了地鐵運(yùn)行振動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響，概述了目前國內(nèi)常用的軌道減振措施。結(jié)合天津地鐵1號(hào)線實(shí)際工程情況分析了減振措施及效果。

軌道交通振動(dòng);減振措施;天津地鐵

1 引言

城市軌道交通一般穿越城市中心區(qū)域，該區(qū)域通常是居民住宅、辦公機(jī)構(gòu)集中的區(qū)域，其振動(dòng)影響不可忽視。振動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響是多方面的，其中包括對(duì)人體的影響，對(duì)工作效率的影響，對(duì)周邊建筑物的影響及對(duì)室內(nèi)高精密儀器、設(shè)備的影響等。本文以天津地鐵1號(hào)線為例，探討了其采取減振措施的應(yīng)用效果。

2 地鐵軌道振動(dòng)及源強(qiáng)

地鐵軌道振動(dòng)主要是由車輪與鋼軌的相互作用而產(chǎn)生的：（1）行駛中的列車，由自身重量通過輪軌接觸點(diǎn)引起鋼軌周期性的上下振動(dòng)，再從道床傳入地面，這是鐵路的一種基本振動(dòng)；（2）當(dāng)車輪經(jīng)過鋼軌接縫處或表面由于磨損呈波紋狀的鋼軌時(shí)，車輪撞擊這些不連續(xù)部位就會(huì)在垂直速度上產(chǎn)生瞬時(shí)變化，這一變化可導(dǎo)致輪軌接觸點(diǎn)激發(fā)出巨大的力，從而激發(fā)車輛和鋼軌振動(dòng)，這是一種沖擊振動(dòng)。特別是地鐵列車在地下行駛時(shí)，會(huì)引起隧道振動(dòng)，這種振動(dòng)能通過地下土壤傳送到地鐵附近的建筑物內(nèi)從而再次引起結(jié)構(gòu)物的振動(dòng)。根據(jù)天津市環(huán)境影響評(píng)價(jià)中心1993年12月提交的《天津市地下鐵道南北線擴(kuò)建和改建工程環(huán)境影響報(bào)告書》和2001年6月提交的《天津市地下鐵道1號(hào)線環(huán)境影響報(bào)告書》等有關(guān)資料的調(diào)查，將北京地鐵隧道和天津既有地鐵隧道源強(qiáng)值列于表1中。

表1 北京、天津地鐵隧道振動(dòng)源強(qiáng)值監(jiān)測(cè)結(jié)果

3 振動(dòng)傳播途徑及環(huán)境影響

3.1 傳播途徑

城市軌道交通振動(dòng)傳播途徑在不同線路形式上略有不同，大體如下：

（1）地下線：由于列車在軌道上行駛，車輪偏心，車輪與道岔、鋼軌的碰撞，線路不平順等原因，引起車輪的振動(dòng)，經(jīng)鋼軌→扣件→軌枕→道床→隧道結(jié)構(gòu)→圍護(hù)地層→地面→建筑物、人體、設(shè)備；

（2）地面及路塹式線路：由于列車在軌道上行駛，車輪偏心，車輪與道岔、鋼軌的碰撞，線路不平順等原因，引起車輪的振動(dòng)，經(jīng)鋼軌→扣件→軌枕→道床→地面→建筑物、人體、設(shè)備；

（3）高架結(jié)構(gòu)線：由于列車在軌道上行駛，車輪偏心，車輪與道岔、鋼軌的碰撞，線路不平順等原因，引起車輪的振動(dòng)，經(jīng)鋼軌→扣件→軌枕→道床→梁、柱結(jié)構(gòu)→地面→建筑物、人體、設(shè)備。

由上可知，軌道交通振動(dòng)的基本傳播途徑就是振源→傳播途徑（結(jié)構(gòu)及圍護(hù)土層）→受振對(duì)象，與噪聲的傳播具有相似性。實(shí)際上軌道交通的運(yùn)營及生產(chǎn)輔助設(shè)備、施工設(shè)備的振動(dòng)傳播也是如此。

軌道交通振動(dòng)經(jīng)土壤介質(zhì)的傳遞，引起地面振動(dòng)并以彈性波的形式沿地表傳播，進(jìn)而引起隧道結(jié)構(gòu)臨近的地面建筑物的振動(dòng)，其環(huán)境振動(dòng)是由橫波、縱波、表面波合成的復(fù)雜波動(dòng)現(xiàn)象，影響因素復(fù)雜，其振動(dòng)機(jī)理、傳播形態(tài)變化不定，所以難于確定傳播過程中的傳遞函數(shù)，只能以實(shí)驗(yàn)測(cè)試統(tǒng)計(jì)結(jié)果而定。

研究資料和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：軌道交通環(huán)境振動(dòng)的主要影響因素包括車輛、輪軌條件、軌道結(jié)構(gòu)、隧道結(jié)構(gòu)、隧道埋深、地質(zhì)條件、地面建筑物類型、敏感建筑物距線路的距離等等[1]～[3]。

3.2 環(huán)境影響

3.2.1 對(duì)人體的生理、心理影響

軌道交通振動(dòng)具有間歇性、周期性，其引起的生理影響主要集中于對(duì)睡眠的影響以及心理上產(chǎn)生的煩惱和不快。當(dāng)列車通過時(shí)，可感知的振動(dòng)、可聽知的房屋結(jié)構(gòu)噪聲以及由振動(dòng)誘發(fā)的門窗顫動(dòng)的聲音常常使人驚醒或難以入眠，長(zhǎng)期生活在這種間歇、往復(fù)的振動(dòng)干擾環(huán)境里，造成心理及身體健康受損是不可避免的。

統(tǒng)計(jì)資料表明：環(huán)境振動(dòng)振級(jí)達(dá)到或超過70dB時(shí)，人便會(huì)有振動(dòng)感覺；超過75dB時(shí)多數(shù)人會(huì)有反感、煩惱情緒；85dB以上時(shí)將嚴(yán)重干擾人們的日常生活。根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)運(yùn)營軌道交通系統(tǒng)的振動(dòng)調(diào)查表明，沿線環(huán)境室外振動(dòng)振級(jí)一般不超過75dB，室內(nèi)振動(dòng)振級(jí)則由于建筑的不同形式而略有增加或降低。

3.2.2 對(duì)工作效率的影響

振動(dòng)對(duì)工效的影響一般集中在用眼的工作，主要表現(xiàn)在視力減退、差錯(cuò)率升高等，但軌道交通振動(dòng)對(duì)工效的影響是有限的，特別是對(duì)環(huán)境人群的影響更是如此。

3.2.3 對(duì)建筑物的影響

振動(dòng)施于建筑物，由于振動(dòng)強(qiáng)度和頻率不同，會(huì)使某些建筑物的建筑結(jié)構(gòu)受到破壞。常見的破壞現(xiàn)象表現(xiàn)為基礎(chǔ)和墻壁龜裂、墻皮剝落、石塊滑動(dòng)、地基變形和下沉等。造成建筑物破壞的振動(dòng)振級(jí)在100dB左右，超過140dB時(shí)甚至?xí)斐山ㄖ锏顾Ｓ纱丝梢?，軌道交通振?dòng)一般不會(huì)造成建筑物的破壞。

3.2.4 振動(dòng)對(duì)精密儀器、設(shè)備的影響

振動(dòng)對(duì)精密儀器、設(shè)備的影響主要表現(xiàn)在以下方面：

（1）會(huì)影響精密儀器儀表的正常運(yùn)行，影響對(duì)儀器儀表的刻度閱讀的準(zhǔn)確性和閱讀速度，甚至根本無法讀數(shù)。如振動(dòng)過大會(huì)直接影響儀器儀表的使用壽命，甚至?xí)蛊涫艿綋p害；

（2）對(duì)于某些靈敏的電器，如靈敏繼電器，振動(dòng)甚至?xí)鹌湔`動(dòng)作，從而可能造成一些重大事故；

（3）會(huì)使精密機(jī)床的加工精度、粗糙度等下降，造成質(zhì)量無法保證。當(dāng)振動(dòng)過大時(shí)，會(huì)直接使精密機(jī)床的刀具、精密部件受到損害。

3.2.5 振動(dòng)結(jié)構(gòu)固體聲影響

軌道交通振動(dòng)會(huì)激起周邊建筑物基礎(chǔ)、墻體、梁柱、天花板、門窗、管道等振動(dòng)，同時(shí)產(chǎn)生輻射噪聲，即固體聲。該類噪聲通常為低頻噪聲，一般峰值頻率在20～200Hz范圍，聲級(jí)在50dB以下。然而，研究結(jié)果表明，在建筑物室內(nèi)，該類噪聲達(dá)到35～42dB時(shí)，人們已會(huì)有不同程度的反映，超過42dB時(shí)，則多數(shù)人會(huì)感覺明顯。因此，振動(dòng)結(jié)構(gòu)固體聲的影響不容忽視[1]～[3]。

4 目前國內(nèi)常用的減振措施

目前國內(nèi)常用的減振措施見表2。

表2 目前國內(nèi)常用軌道減振措施

5 天津地鐵1號(hào)線減振措施及效果

5.1 減振措施

天津地鐵1號(hào)線在設(shè)計(jì)、施工中，根據(jù)該項(xiàng)目環(huán)境影響報(bào)告中預(yù)測(cè)的振動(dòng)超標(biāo)值，在國內(nèi)現(xiàn)有減振措施中進(jìn)行了大量的方案比選，并進(jìn)行了深入的減振降噪研究。根據(jù)該工程的實(shí)際情況對(duì)國內(nèi)普遍采用的減振措施進(jìn)行了一定改進(jìn)，具體措施如下。

5.1.1 新型高彈性減振扣件

一般的減振路段都設(shè)有雙層鐵墊板，上、下層鐵墊板間嵌入橡膠墊板，螺栓緊固后不對(duì)中間橡膠墊板產(chǎn)生預(yù)壓變形，保證其彈性不損失，且可單獨(dú)更換。減振效果接近第一代軌道減振器，成本相當(dāng)于后者的60%，且易于維修，技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)顯著（見圖1）。

圖1 新型高彈性減振扣件

5.1.2 新型彈性短軌枕

特殊減振路段首次采用三元乙丙橡膠和聚丙烯動(dòng)態(tài)硫化共混物（熱塑性彈性體）制作套靴；高溫下注塑成型，生產(chǎn)效率提高6～8倍。橡膠套靴生產(chǎn)過程不產(chǎn)生硫化煙，不產(chǎn)生粉塵，減少了環(huán)境污染；保持了良好的彈性、疲勞性能，廢舊物品可回收利用。減振彈性層采用微孔橡膠比常規(guī)的溝槽型橡膠具有更好的減振性能及氣候適應(yīng)性。

5.1.3 新型高彈性墊板

由于天津地鐵1號(hào)線部分路段為既有線改造，既有線地段軌下高度僅為13mm，難以采用現(xiàn)有減振技術(shù)。高彈性熱塑性彈性體由較長(zhǎng)的軟鏈段和適當(dāng)?shù)挠叉湺谓M成。硬鏈段起物理交聯(lián)作用。軟鏈段無定形，具有高回彈性。利用熱塑性彈性體的高回彈性、耐磨性、抗彎曲疲勞性及耐老化性，將墊板設(shè)計(jì)為波浪型，能同時(shí)通過撓曲變形和壓縮變形產(chǎn)生回彈力。

5.1.4 新型減振接頭夾板

天津地鐵1號(hào)線大部分地段鋪設(shè)無縫線路，小半徑曲線仍采用普通線路。減振接頭夾板在中部加高至軌頂以上（見圖2），使軌頂由中斷變?yōu)檫B續(xù)，減輕輪軌沖擊，改善輪軌關(guān)系。根據(jù)國鐵試驗(yàn)，減振接頭夾板比一般接頭振動(dòng)的加速度可降低50%以上，鋼軌軌底下沉減少20%，輪軌噪聲可降低5dB。

圖2 新型減振接頭夾板

5.2 減振效果

天津地鐵1號(hào)線環(huán)境驗(yàn)收監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，1號(hào)線周邊振動(dòng)環(huán)境全部達(dá)標(biāo)。根據(jù)對(duì)列車通過時(shí)和無列車通過時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的比較發(fā)現(xiàn)，地鐵沿線環(huán)境振動(dòng)主要受地面汽車交通振動(dòng)影響，地鐵振動(dòng)對(duì)環(huán)境振動(dòng)影響不明顯。有無列車通過時(shí)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果基本處于同一水平。

地鐵1號(hào)線部分正下方穿過的居民樓內(nèi)的監(jiān)測(cè)顯示，通過采用新型彈性短軌枕，減振效果良好，居民室內(nèi)振動(dòng)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

6 結(jié)論

天津市地鐵1號(hào)線在設(shè)計(jì)、建設(shè)過程中，以環(huán)境影響評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，選擇了適合該工程的減振措施，并對(duì)傳統(tǒng)減振措施進(jìn)行了大量改進(jìn)，收到了預(yù)期的效果，使地鐵振動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響得到了有效控制。

[1]孫家麒.城市軌道交通振動(dòng)和噪聲控制簡(jiǎn)明手冊(cè)[K].北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2002.

[2]王毅.北京地下鐵道振動(dòng)對(duì)環(huán)境影響調(diào)查與研究[J]. 噪聲與振動(dòng)控制. 1992.

[3]呂玉恒，王庭佛. 噪聲與振動(dòng)控制設(shè)備及材料選用手冊(cè)[K]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

Application and Effect on Vibration Reduction Measures of NO.1 Subway in Tianjin

CHEN Chao1, QU Dong2
(1.Tianjin Environmental Impact Assessment Center, Tianjin 300191;2. Northwest A&F University, YangLing Shanxi 712100, China)

This article discusses the impact of vibration on environment by subway vehicle run; summarizes the usual measures of vibration reduction set used in China at present; analyzes the effect of reduce vibration reduction set used in Tianjin NO.1 subway.

subway vibration; vibration reduction measure; Tianjin subway

TB535

A

1006-5377（2010）04-0056-03