北京新機(jī)場(chǎng)線車輛段上蓋物業(yè)開發(fā)軌道減振降噪設(shè)計(jì)

劉 瑋 李克飛 張東風(fēng)

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055； 2.北京軌道交通建設(shè)管理有限公司，北京 100068)

1 概述

隨著城市軌道交通的迅速發(fā)展，車輛段、停車場(chǎng)上蓋開發(fā)綜合利用已成為新的熱點(diǎn)[1-2]。車輛段和停車場(chǎng)的合理開發(fā)對(duì)提高城市土地利用率[3]、優(yōu)化城市空間布局[4]、彌補(bǔ)部分軌道交通建設(shè)成本有著重要現(xiàn)實(shí)意義[5-7]。目前，北京市已開展上蓋綜合利用的項(xiàng)目有四惠車輛段、郭公莊車輛段、馬泉營(yíng)車輛段等[8]?？偨Y(jié)已有上蓋開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)，其關(guān)鍵問題之一就是合理控制車輛段的振動(dòng)和噪聲。

北京軌道交通新機(jī)場(chǎng)線一期工程磁各莊車輛段位于大興區(qū)團(tuán)河地區(qū)，占地30.3 hm2，為實(shí)現(xiàn)土地集約化利用，將咽喉區(qū)、聯(lián)合檢修庫、運(yùn)用庫以及大型房地產(chǎn)開發(fā)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)。其中，蓋上為非軌道交通運(yùn)營(yíng)管理的社會(huì)化房地產(chǎn)開發(fā)部分，包括商業(yè)樓、住宅樓及配套的公建區(qū)；蓋下為車輛段部分，包括運(yùn)用庫、聯(lián)合檢修庫、工程車庫、洗車庫、材料棚、鏇輪庫、內(nèi)燃機(jī)車庫等(見圖1)。

圖1 磁各莊車輛段物業(yè)開發(fā)示意

2 車輛段列車運(yùn)行振動(dòng)和噪聲特點(diǎn)

車輛段振動(dòng)和噪聲主要包括列車在車輛段內(nèi)運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲，以及車輛段架修設(shè)備產(chǎn)生的振動(dòng)與噪聲[9]。軌道設(shè)計(jì)要著重解決的是車輛運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲[10]。車輛段內(nèi)車速相對(duì)較低，地面振動(dòng)主要表現(xiàn)在低頻(20～60 Hz)，噪聲源主要表現(xiàn)在中高頻(200～800 Hz)[11]。

車輛段列車運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)、噪聲源為：①列車自重通過輪軌接觸點(diǎn)引起的鋼軌周期性上下振動(dòng)；②車輪經(jīng)過鋼軌、道岔的接縫處或呈波紋狀鋼軌(表面磨損)時(shí)，車輪撞擊這些部位產(chǎn)生的沖擊振動(dòng)，以及輪軌滾動(dòng)噪聲、沖擊噪聲和摩擦噪聲[12]。這些振動(dòng)及噪聲通過車輪、鋼軌、軌枕、道床、路基等向外傳播，當(dāng)這些振動(dòng)通過基礎(chǔ)、立柱及平臺(tái)等鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，振動(dòng)受到的阻尼小，振級(jí)衰減較慢[13]。

上蓋物業(yè)車輛段軌道振動(dòng)與噪聲具有以下特點(diǎn)。

(1)車輛通過速度低

車輛段內(nèi)一般列車運(yùn)行速度較低(除試車線外)，庫內(nèi)線路運(yùn)行速度更低。磁各莊車輛段咽喉區(qū)車輛最大運(yùn)行速度不超過35 km/h，庫內(nèi)線路速度一般小于5 km/h，出庫時(shí)速度為7～8 km/h。

(2)碎石道床減振體系不完善

磁各莊車輛段庫外咽喉區(qū)及試車線均采用混凝土枕碎石道床，其本身彈性較好，列車通過時(shí)的振動(dòng)較整體道床低3 dB左右，但可適用于碎石道床軌道的減振形式不多(一般只有道砟墊和梯形軌枕兩種)。

(3)車輛段庫外線路小半徑曲線多，道岔多，接頭多

車輛段庫外一般采用有縫線路，鋼軌接頭多；咽喉區(qū)道岔多，小曲線半徑多(一般情況下150 m，困難條件100 m)。磁各莊車輛段咽喉區(qū)最小曲線半徑為200 m，實(shí)現(xiàn)無縫線路設(shè)計(jì)技術(shù)難度大(《鐵路無縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10015—2012)3.13條“允許鋪設(shè)無縫線路的最小曲線半徑為300 m”)。列車通過鋼軌接頭處的沖擊帶來的振動(dòng)與噪聲是車輛段軌道振動(dòng)與噪聲的最大影響因素之一。

3 軌道減振降噪設(shè)計(jì)措施

目前，車輛段上蓋減振降噪治理措施單一，軌道結(jié)構(gòu)可采用的措施有限，在實(shí)際應(yīng)用過程中存在過度投資、效果不理想等問題[14-16]。因此，根據(jù)車輛段上蓋開發(fā)的特點(diǎn)，需要設(shè)計(jì)安全可靠、經(jīng)濟(jì)性好，適用于50 kg/m鋼軌和庫內(nèi)檢查坑結(jié)構(gòu)的減振措施。

3.1 庫內(nèi)無縫線路

相較于正線，車輛段振動(dòng)與噪聲控制有利的因素為車輛運(yùn)行速度低，車輛空車運(yùn)行；不利的因素為車輛段軌縫多，軌縫處振動(dòng)沖擊大。因此，對(duì)于車輛段軌道，減少軌縫處的沖擊振動(dòng)是減振降噪的關(guān)鍵。由于車輛段咽喉區(qū)小半徑曲線多、道岔多，采用無縫線路尚存在技術(shù)難度，目前還沒有實(shí)際工程案例，而庫內(nèi)線路一般為直線，具備實(shí)施無縫線路的條件[17]。磁各莊車輛段的信號(hào)工程采用計(jì)軸設(shè)備，無需考慮在軌縫處設(shè)置絕緣軌節(jié)，故決定在磁各莊車輛段庫內(nèi)采用無縫線路。

結(jié)合磁各莊車輛段庫內(nèi)軌道結(jié)構(gòu)類型，車輛段庫內(nèi)無縫線路分別采用了鋼軌焊接、鋼軌凍結(jié)接頭夾板兩種形式。其中50 kg/m鋼軌凍結(jié)接頭夾板為專門針對(duì)車輛段上蓋物業(yè)開發(fā)的無縫線路設(shè)計(jì)產(chǎn)品，采用夾板與高強(qiáng)螺栓聯(lián)結(jié)鋼軌，使軌端密貼(實(shí)現(xiàn)無縫化)；50 kg/m鋼軌凍結(jié)接頭采用特制六孔夾板和高強(qiáng)度M24螺栓(10.9s)，以及匹配的螺母及平墊圈，可利用較高的緊固扭矩產(chǎn)生較大的接頭阻力，實(shí)現(xiàn)鋼軌接頭的有效凍結(jié)。該產(chǎn)品尤其適用于車輛段軌道，方便現(xiàn)場(chǎng)無縫線路的施工，增加了施工的靈活性和方便性(見圖2、圖3)。

圖2 磁各莊車輛段50 kg/m鋼軌凍結(jié)接頭夾板

圖3 磁各莊車輛段50 kg/m鋼軌凍結(jié)接頭夾板組裝

3.2 庫內(nèi)高等級(jí)減振扣件

對(duì)于庫內(nèi)線軌道，由于線路平直(可實(shí)現(xiàn)無縫線路)，運(yùn)行速度低，再加上道床下土壤對(duì)固體噪聲的有效隔絕，振動(dòng)及噪聲污染并不明顯，一般采用中、高等級(jí)減振扣件即可。

根據(jù)本工程環(huán)評(píng)咨詢報(bào)告的建議，庫內(nèi)應(yīng)采用浮軌或同等級(jí)減振效果的減振措施?？紤]浮軌式扣件存在如下缺點(diǎn)：鋼軌調(diào)高及調(diào)距不方便；浮軌扣件定位塊易松動(dòng)，增加了養(yǎng)護(hù)維修工作量；軌撐結(jié)構(gòu)設(shè)置于軌腰處，與接頭夾板沖突，故決定研發(fā)適用于車輛段的高等級(jí)減振扣件。在既有雙層非線性減振扣件結(jié)構(gòu)形式基礎(chǔ)上，采用多重彈性層形成串聯(lián)結(jié)構(gòu)，以獲得較低的垂向剛度(扣件靜剛度為6～9 kN/mm)，進(jìn)而達(dá)到較高的減振效果。該扣件主要特點(diǎn)：采用上鎖式雙層非線性的結(jié)構(gòu)形式，技術(shù)安全可靠；采用彈性鎖緊結(jié)構(gòu)進(jìn)行扣件預(yù)組裝，提高了產(chǎn)品運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)安裝施工效率；鋼軌調(diào)高及調(diào)距方便，方法與普通扣件相同；扣件組裝和拆卸方便，利于施工和養(yǎng)護(hù)維修(見圖4)。

圖4 磁各莊車輛段庫內(nèi)高等級(jí)減振扣件

研發(fā)過程中，在南京地鐵小行車輛段進(jìn)行了鋪設(shè)和測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，該扣件減振效果≥8 dB(可滿足環(huán)評(píng)要求)。相較于DTⅥ2扣件，當(dāng)列車速度為10 km/h時(shí)，相對(duì)插入損失ΔVLZmax為8.4 dB；當(dāng)列車速度為20 km/h時(shí)，相對(duì)插入損失ΔVLZmax為10.4 dB。

3.3 庫外高效減振墊碎石道床

對(duì)于庫外線軌道(尤其是咽喉區(qū))，此區(qū)域道岔密布，軌縫眾多，列車出庫速度增大，易產(chǎn)生軌縫沖擊振動(dòng)，是振動(dòng)控制的難點(diǎn)。目前，一般采用碎石道床下鋪設(shè)高效彈性減振墊、軌縫處安裝減振接頭夾板、安裝軌道減振扣件等措施。

道砟減振墊是一種質(zhì)量彈簧系統(tǒng)，具有減振效果好，施工方便、快速，不影響過軌管線布置等特點(diǎn)[18-19]。

根據(jù)本工程環(huán)評(píng)咨詢報(bào)告的要求，在高效彈性減振墊使用壽命期內(nèi)，設(shè)置高效彈性減振墊與道砟組合后，列車以速度25～35 km/h通過時(shí)，最大振級(jí)(VLzmax)較普通碎石道床減少10 dB?？紤]咽喉區(qū)上蓋建筑物一般以住宅為主，對(duì)振動(dòng)與噪聲的要求較高，咽喉區(qū)道砟厚度應(yīng)適當(dāng)增加。

由于車輛段碎石道床碎石顆粒不規(guī)則，在列車通過時(shí)，其碾壓可能會(huì)破壞砟下的彈性道砟墊。為確保道砟墊結(jié)構(gòu)的彈性和結(jié)構(gòu)的完整性，應(yīng)在減振墊外設(shè)置保護(hù)層(見圖5)。

圖5 高效減振墊碎石道床

3.4 咽喉區(qū)小半徑地段阻尼鋼軌

車輛段咽喉區(qū)軌縫較多，一定程度上增加了輪軌的振動(dòng)沖擊噪聲[20]。根據(jù)環(huán)評(píng)咨詢的建議，咽喉區(qū)小半徑曲線宜采用阻尼鋼軌(見圖6)。阻尼鋼軌的降噪原理是增加鋼軌阻尼，消耗有害振動(dòng)能量，抑制鋼軌共振，降低輪軌振動(dòng)及曲線“嘯叫”[21]。本工程采用的迷宮式阻尼鋼軌具有阻尼面積大、阻尼比高、約束剛度高、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。

圖6 阻尼鋼軌

4 結(jié)束語

在既有上蓋物業(yè)開發(fā)軌道減振降噪成熟措施基礎(chǔ)上，研發(fā)了安全、可靠、經(jīng)濟(jì)性好且適用于庫內(nèi)50 kg/m鋼軌無縫線路的鋼軌凍結(jié)接頭夾板及高等級(jí)減振扣件，滿足上蓋的環(huán)評(píng)要求，解決了磁各莊車輛段上蓋物業(yè)開發(fā)的軌道振動(dòng)與噪聲問題。下一步應(yīng)進(jìn)一步探索車輛段咽喉區(qū)無縫化成套技術(shù)，包括提升鋼軌等級(jí)、小半徑曲線實(shí)現(xiàn)無縫線路、采用可動(dòng)心軌轍叉道岔等技術(shù)，為上蓋物業(yè)開發(fā)提供更安靜、更舒適、環(huán)境更友好的開發(fā)條件。