地鐵車輛段上蓋開發(fā)道岔減振降噪關(guān)鍵技術(shù)研究

韋安祺

(廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣州 510010)

地鐵的快速發(fā)展對于緩解交通擁堵、推動(dòng)城市發(fā)展具有重要意義。然而，地鐵車輛段一般占地較大、投資高、土地利用率較低，車輛段上蓋物業(yè)開發(fā)有利于充分利用土地資源，提高地鐵投資回報(bào)率，彌補(bǔ)部分軌道交通建設(shè)成本。

車輛段上蓋開發(fā)物業(yè)包括公園綠地、住宅及配套設(shè)施、公用建筑等，一般按照J(rèn)GJ/T 170—2009《城市軌道交通引起建筑物振動(dòng)與二次輻射噪聲限值及其測量方法標(biāo)準(zhǔn)》中2類區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行振動(dòng)及二次噪聲評價(jià)[1]。其中，建筑物室內(nèi)振動(dòng)限值為晝間不大于70 dB、夜間不大于67 dB;建筑物室內(nèi)二次輻射噪聲限值：晝間不大于41 dB(A)、夜間不大于38 dB(A)。國內(nèi)某地鐵車輛段實(shí)測結(jié)果表明，列車通過速度為15～20 km/h時(shí)，其正上方建筑物振動(dòng)可達(dá)85 dB[2]；若列車運(yùn)行速度更高，則振動(dòng)噪聲危害更嚴(yán)重。如何解決岔區(qū)振動(dòng)噪聲問題，已成為制約車輛段上蓋物業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素。

為解決上述問題，主要開展以下研究。①針對車輛段振動(dòng)噪聲的特點(diǎn)，綜述車輛段上蓋物業(yè)綜合減振降噪措施和軌道減振降噪控制措施。目前，已有結(jié)合可動(dòng)心軌轍叉、減振扣件、枕下墊板、道砟墊、鋼彈簧浮置板道床等減振方式。②道岔減振措施大多沿襲高鐵區(qū)間線路減振方案的設(shè)計(jì)思路，結(jié)合道岔區(qū)結(jié)構(gòu)和輪軌關(guān)系演化特點(diǎn)，開展更系統(tǒng)精細(xì)的理論研究。③在對比國內(nèi)外道岔減振降噪措施的應(yīng)用成效基礎(chǔ)上，提出車輛段上蓋道岔區(qū)域減振降噪措施的見解和建議。

1 車輛段振動(dòng)噪聲特點(diǎn)

車輛段和該處輪軌振動(dòng)噪聲主要有以下特點(diǎn)：①車輛段中包含試車線和小半徑曲線，列車行駛速度跨度大，振動(dòng)頻帶范圍寬；②道岔多、鋼軌接頭集中；③車輛段庫外線小半徑曲線多；④對于車場多股道寬裕的空間噪聲，不同股道振動(dòng)噪聲源的傳遞路徑不同，且較為復(fù)雜；⑤車輛段大部分區(qū)域車速較慢且為空車，地面振動(dòng)主要為低頻，輪軌振動(dòng)引發(fā)的噪聲主要為中高頻。

2 車輛段減振降噪措施

2.1 車輛段上蓋物業(yè)綜合減振降噪措施

為解決振動(dòng)噪聲問題，可以從振源減振、傳播路徑減振、建筑物減振3個(gè)方面來控制。

(1)振源減振

從源頭減少振動(dòng)源強(qiáng)，可從車輛、軌道、輪軌接觸關(guān)系等方面入手。吳建忠等指出鋼軌無縫化具有減振作用[3]；辜小安等認(rèn)為，在我國地鐵既有的振動(dòng)控制措施中，減振效果最好的是浮置板道床，軌道減振器次之，各彈性扣件也具有一定的減振效果[4]；Remington等提出，鋼軌打磨、增大輪軌接觸面積和降低接觸剛度可有效降低輪軌噪聲[5]。

(2)傳播路徑減振

振動(dòng)波傳遞由軌道結(jié)構(gòu)開始，經(jīng)隧道基礎(chǔ)、周圍土體，最后傳遞到建筑物。傳播路徑減振是指在振動(dòng)傳遞過程中插入隔振元素，進(jìn)而起到隔振效果。曹志剛等指出，空溝作為傳播路徑的減振措施是有效的[6]。Perssond等認(rèn)為加大土層厚度、彈性模量以及深度，可起到顯著減振作用[7]；孫旭等采用Comsol Multiphysics軟件建立減振型CRTSⅢ型板式無砟軌道有限元模型，對比分析橡膠減振墊采用常量和頻變工況下無砟軌道結(jié)構(gòu)自振特性，并采用Winkler彈性地基上四邊自由板的振動(dòng)理論與有限元結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證[8]；高廣運(yùn)等發(fā)現(xiàn)，波阻板隔振在均質(zhì)彈性半空間和層狀半空間內(nèi)均具有較好隔振效果[9]；孫立強(qiáng)等指出，空溝和排樁的減振效果較為理想[10]；謝偉平等認(rèn)為連續(xù)墻加減振材料的減振效果較好[11]。

(3)建筑物減振

建筑物減振是指通過采用相應(yīng)的減振裝置將建筑物隔離，以減小振動(dòng)對建筑物的影響。徐建提出，在建筑物中可采用房中隔振、基座處隔振、特殊浮置地板等多種減振措施[12]；周裕德等認(rèn)為連續(xù)防振墻作為建筑物減振措施可行，其減振效果可以達(dá)到10～20 dB[13]；Talbot提出在建筑物和基礎(chǔ)之間設(shè)置隔振墊可有效減振[14]。

2.2 車輛段軌道減振降噪控制措施

(1)無縫線路

庫內(nèi)車輛行駛速度慢，其振動(dòng)來源主要是鋼軌接頭振動(dòng)，鋪設(shè)無縫線路可以消除鋼軌接頭，從而有效減弱振動(dòng)影響。

(2)減振道砟墊

減振道砟墊是一種質(zhì)量彈簧系統(tǒng)，鋪設(shè)在道砟底部，具有減振效果好，施工方便，耐水、耐磨、耐老化，不影響過軌管線布置等特點(diǎn)。國內(nèi)大部分進(jìn)行上蓋物業(yè)開發(fā)的車輛段，其試車線或道岔區(qū)多采用減振道砟墊，如廣州鎮(zhèn)龍車輛段、深圳蛇口車輛段，杭州七堡車輛段等。

(3)減振接頭夾板

在列車通過鋼軌接頭時(shí)，減振接頭夾板使輪軌接觸面由中斷變?yōu)檫B續(xù)，減輕輪軌沖擊，改善輪軌關(guān)系。目前，減振接頭夾板在福州竹岐停車場、深圳蛇口車輛段、成都地鐵1號線等均有應(yīng)用。

(4)熱塑性聚酯高彈性墊板

熱塑彈性體材料具有韌性好、回彈性強(qiáng)、耐磨、抗彎曲疲勞以及抗老化的特點(diǎn)。熱塑性高彈墊板結(jié)構(gòu)為波浪形，通過撓曲和壓縮變形，可有效降低豎向剛度。

(5)雙層非線性減振扣件

雙層非線性減振扣件為分離式結(jié)構(gòu)，通過兩層低剛度彈性墊板產(chǎn)生的壓縮變形，降低扣件剛度，從而達(dá)到減振目的。在廣州石湖停車場、成都崔家店停車場、福州部分車輛基地等，庫內(nèi)整體道床地段得到應(yīng)用。

(6)高等減振扣件

目前，車輛段內(nèi)高等減振扣件主要有“軌腰支撐型”“軌底扣壓型”兩種，均為通過改變扣壓方式或彈性墊板內(nèi)部尺寸結(jié)構(gòu)來提供高彈性，從而達(dá)到高等減振目標(biāo)。

(7)隔離式減振墊浮置板

隔離式減振墊浮置板通過在整體道床底面以及側(cè)面鋪滿隔振墊，與道床板形成質(zhì)量彈簧系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的參振質(zhì)量，從而達(dá)到減振目的。

(8)梯形軌枕

梯形軌枕是一種輕型化浮置板軌道結(jié)構(gòu)，軌枕由傳統(tǒng)的橫向鋪設(shè)改為沿線路方向連續(xù)鋪設(shè)，軌枕下部面積較寬，可以對線路的載荷進(jìn)行分散，從而減輕對下部構(gòu)造物的負(fù)荷和振動(dòng)影響。在廣州魚珠車輛段、鎮(zhèn)龍車輛段、蘿崗車輛段試車線均有應(yīng)用。

(9)阻尼鋼軌

阻尼鋼軌由阻尼板、鋼軌吸振器兩部分組成，同時(shí)具備減振、降噪功能。廣州地鐵在7號線板橋—大學(xué)城南區(qū)間、5號線魚珠車輛段及滘口—坦尾高架區(qū)間均有應(yīng)用。

(10)道床吸聲板

道床吸聲板是一種全天候多孔混凝土吸音板，在深圳地鐵、中國香港地鐵正線部分地段均有應(yīng)用。

2.3 車輛段上蓋道岔區(qū)域減振降噪思考

道岔輪軌沖擊和振動(dòng)噪聲來源：①為實(shí)現(xiàn)輪載在不同鋼軌間的過渡，鋼軌截面廓形和降低值變化引起固有結(jié)構(gòu)不平順；②多軌共用墊板的“幫軌”作用(輪載作用下多股道鋼軌共同承載)、尖軌無扣壓件和軌下墊層、岔枕和墊板尺寸沿縱向變化導(dǎo)致道岔軌下剛度不平順；③地鐵道岔轉(zhuǎn)轍器、連接部分與轍叉之間的鋼軌接頭，以及道岔與區(qū)間線路間的鋼軌接頭；④小號碼道岔的小半徑導(dǎo)曲線；⑤道岔變截面鋼軌磨耗和波磨引起的輪軌接觸不平順。

目前，針對車輛段道岔的振動(dòng)噪聲評估的研究相對較少，而地鐵地下車站道岔的環(huán)境振動(dòng)測試可為辨識(shí)車輛段道岔振動(dòng)源強(qiáng)提供重要參考。WANG針對成都地鐵9號普通整體道床道岔開展振動(dòng)源強(qiáng)測試，發(fā)現(xiàn)列車以38～47 km/h的速度直向通過道岔時(shí)，隧道壁最大振動(dòng)加速度為轍叉區(qū)輪軌沖擊引起的橫向振動(dòng)，隧道壁垂向和橫向振動(dòng)集中在63～80 Hz范圍，轉(zhuǎn)轍器區(qū)和轍叉區(qū)的道床板垂向振動(dòng)集中于大于80 Hz范圍。隨著道岔服役性能變化，相較于服役2年的地鐵道岔，服役8年地鐵道岔的鋼軌磨耗和波磨問題更顯著，其道床板垂向振動(dòng)級增大30%[15]。瑞士聯(lián)邦鐵路公司針對多組導(dǎo)曲線半徑為300～1600m的道岔開展測試，距道岔橫向8m處誘發(fā)的地面振動(dòng)主頻為16～40 Hz，與房屋木地板的共振頻率相對應(yīng)[16]。

國內(nèi)外采用的道岔減振措施、減振效果及評價(jià)見表1。

根據(jù)道岔減振部件類型，減振措施可分為4類。①將固定轍叉替換為可動(dòng)心軌轍叉，歐洲的實(shí)測結(jié)果表明其最大減振效果約6 dB，說明道岔振動(dòng)噪聲的來源不僅僅包括輪載過渡引起的輪軌沖擊。②扣件減振：適用于中等減振區(qū)段，振動(dòng)噪聲一般可降低8 dB；需提升扣件橡膠的耐油性，以適應(yīng)地鐵道岔可動(dòng)軌件涂油維修的服役環(huán)境，還需提升扣件系統(tǒng)的耐疲勞性，以及其易更換性。③枕下墊板和道砟墊：枕下彈性墊板和道砟墊分別在32～40 Hz和8～20 Hz范圍內(nèi)振動(dòng)減弱；因測試對比結(jié)果受道岔對照組選取、測試場地土層條件、道岔服役狀態(tài)的影響，在不同頻段范圍內(nèi)，多組測試的減振效果一致性較低，故尚未能對枕下墊板和道砟墊的減振效果進(jìn)行量化評價(jià)。歐洲多家鐵路局的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明，枕下墊板的面剛度越低，減振效果越好[16]；應(yīng)探究墊板剛度與軌道幾何形位保持間的映射關(guān)系，避免因剛度過低導(dǎo)致道岔部件位移過大和車輪撞擊尖軌的風(fēng)險(xiǎn)；針對車輛段常用的有砟道岔，需考慮枕下彈性墊板對道床阻力的影響，保障彈性軌枕強(qiáng)度和道床結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。④鋼彈簧浮置板道床：適用于高等和特殊減振地段；需探究鋼彈簧浮置板共振頻帶是否與地鐵道岔的頻響特性、輪軌關(guān)系演化后岔區(qū)輪軌動(dòng)態(tài)響應(yīng)的時(shí)頻特性發(fā)生重合，以避免輪軌系統(tǒng)模態(tài)共振而放大振動(dòng)。

表1 國內(nèi)外道岔減振措施對比

綜上所述，地鐵道岔減振措施大多是繼承高鐵區(qū)間線路減振方案，并針對道岔軌下剛度均勻化、扣件系統(tǒng)的減振剛度控制及其易維修性開展優(yōu)化設(shè)計(jì)；在結(jié)合道岔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和輪軌關(guān)系演化的基礎(chǔ)上，還有進(jìn)一步設(shè)計(jì)提升空間。針對車輛段道岔的服役條件，提出以下道岔減振的建議措施。

(1)道岔調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD)

長沙中低速磁浮采用基于模糊控制理論的多重TMD，解決由車軌共振導(dǎo)致的道岔梁振動(dòng)超限問題[23]。目前，地鐵區(qū)間線路已逐步應(yīng)用阻尼鋼軌和動(dòng)力吸振器鋼軌，主要針對單一頻率減弱其相應(yīng)的振動(dòng)響應(yīng)。然而，道岔結(jié)構(gòu)不僅部件繁多(如鋼軌之間的間隔鐵、限位器、頂鐵、轉(zhuǎn)轍機(jī)連桿等連接部件)，而且具有幾何非線性(鋼軌變截面)、約束非線性(滑床臺(tái)板只為可動(dòng)軌件提供支撐力而不提供拉力、輪載作用下鋼軌密貼狀態(tài)等)和材料非線性(膠墊材料溫變和頻變特性)，其道岔結(jié)構(gòu)頻響特性較復(fù)雜。亟需辨識(shí)地鐵道岔結(jié)構(gòu)在輪載作用下的共振頻帶，并針對多重TMD的阻尼比及其與道岔結(jié)構(gòu)的固有頻率比開展參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而避免TMD對道岔振動(dòng)起放大的反作用，還需研發(fā)覆蓋道岔多個(gè)典型共振頻帶的多重TMD減振系統(tǒng)。

(2)無縫道岔

道岔內(nèi)部、道岔與區(qū)間線路間的接頭是道岔振動(dòng)與噪聲的重要來源之一；鋼軌焊接后不易更換，不適用于地鐵道岔更換頻繁的運(yùn)維現(xiàn)狀。因此，可在地鐵道岔中推廣試用凍結(jié)接頭，其通過高強(qiáng)螺栓連接鋼軌，易更換性較強(qiáng)。同時(shí)，參考高寒地區(qū)高速道岔設(shè)計(jì)新型技術(shù)，開發(fā)地鐵用新型鉤型鎖閉機(jī)構(gòu)，使鎖閉鉤可在銷軸一定長度內(nèi)縱向平動(dòng)，以適應(yīng)尖軌大伸縮量[24]。

(3)道岔鋼軌打磨

在道岔轉(zhuǎn)轍器區(qū)，輪載作用下基本軌與尖軌之間會(huì)發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)，兩者形成的組合廓形發(fā)生動(dòng)態(tài)重構(gòu)；固定轍叉中，翼軌與心軌的組合廓形沿縱向變化梯度大；設(shè)計(jì)打磨流程時(shí)，不宜參考區(qū)間線路的等截面鋼軌，應(yīng)按照特定的打磨角度和深度而循環(huán)往復(fù)打磨。瑞士BLS貨運(yùn)股份公司在打磨道岔后，其振動(dòng)響應(yīng)在31.5～80 Hz范圍內(nèi)顯著增大，在其他頻段內(nèi)與打磨前響應(yīng)相似。目前，我國大部分道岔只有發(fā)現(xiàn)裂紋萌生后，才開展修復(fù)性打磨。因此，亟需結(jié)合車輛-道岔耦合動(dòng)力學(xué)，基于代理模型技術(shù)和多目標(biāo)優(yōu)化算法，開展兼顧輪軌低動(dòng)力、行車持穩(wěn)、鋼軌延壽的多目標(biāo)打磨廓形設(shè)計(jì)。

(4)鋼軌層流等離子強(qiáng)化

鋼軌層流等離子強(qiáng)化技術(shù)已在重載道岔、編組站道岔中試用，在不顯著降低鋼軌材質(zhì)韌性的基礎(chǔ)上，增強(qiáng)道岔鋼軌表面硬度和耐磨性，鋼軌服役壽命可延長3倍以上；另外，該技術(shù)已在廣州地鐵22號線陳頭崗車輛段、南京地鐵的9號道岔中試用。不同于表1的轍叉爆炸預(yù)硬化技術(shù)，該技術(shù)可應(yīng)用于道岔轉(zhuǎn)轍器曲尖軌、導(dǎo)曲線鋼軌的材料強(qiáng)化，從而保障輪軌關(guān)系演化不顯著偏離道岔設(shè)計(jì)狀態(tài)，間接降低道岔輪軌振動(dòng)噪聲。

3 結(jié)語

從振源減振、傳播路徑減振、建筑物減振角度系統(tǒng)介紹車輛段減振降噪綜合通用措施；在總結(jié)軌道減振降噪措施的基礎(chǔ)上，針對小號碼道岔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和車輛段道岔服役條件，考慮道岔減振結(jié)構(gòu)優(yōu)化、材料強(qiáng)化和輪軌關(guān)系演化，提出道岔減振設(shè)計(jì)的思路和建議，結(jié)論如下。

(1)國內(nèi)外既有道岔減振措施及效果：①可動(dòng)心軌轍叉最大減振效果約6 dB；②扣件減振效果一般可達(dá)8 dB；③枕下墊板和道砟墊分別在32～40 Hz和8～20 Hz范圍內(nèi)減小振動(dòng)，在不同頻段范圍內(nèi)多組測試的減振效果一致性較低；④鋼彈簧浮置板道床，減振效果一般可達(dá)10 dB。

(2)提出車輛段道岔減振的優(yōu)化思路：①辨識(shí)地鐵道岔頻響特性并開發(fā)道岔調(diào)諧質(zhì)量阻尼器；②推廣地鐵無縫道岔；③優(yōu)化設(shè)計(jì)道岔鋼軌打磨廓形和打磨流程；④采用鋼軌層流等離子強(qiáng)化技術(shù)來減緩道岔磨耗。