城市軌道交通振動(dòng)噪聲機(jī)理及相關(guān)措施研究

曲凡毓 王運(yùn)濤

青島地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司 山東 青島 266520

引言

城市軌道交通通常需要穿過(guò)市區(qū)中心地帶，而此種地帶一般遍布住宅區(qū)、寫(xiě)字樓等。振動(dòng)給環(huán)境帶來(lái)的影響是多樣性的，其中也會(huì)對(duì)人體健康造成一定的危害，導(dǎo)致工作效率下降等。伴隨地鐵建設(shè)的大力推行，地鐵運(yùn)營(yíng)期間所形成的噪音對(duì)人們生活造成的影響愈發(fā)突出，在人們環(huán)保意識(shí)逐漸加強(qiáng)的當(dāng)下，各地鐵公司都加大了對(duì)城市軌道振搗噪聲機(jī)理與減振降噪技術(shù)的研究力度。

1 振動(dòng)與噪聲產(chǎn)生機(jī)制

噪聲的產(chǎn)生源于車(chē)輪和軌道之間的相互作用引起的振動(dòng)現(xiàn)象。當(dāng)列車(chē)行駛過(guò)程中，車(chē)輪與軌道不斷接觸，長(zhǎng)期的相互作用會(huì)導(dǎo)致它們表面磨損和結(jié)構(gòu)變形。例如，車(chē)輪可能會(huì)失去正圓度，形成扁疤；而鋼軌則可能因?yàn)槌掷m(xù)受力而產(chǎn)生波形磨損。這些磨損和變形增強(qiáng)了振動(dòng)的產(chǎn)生。同時(shí)，振動(dòng)和噪聲會(huì)通過(guò)鋼軌傳播到軌道附近的其他部件和結(jié)構(gòu)上。例如，從扣件、鐵墊板、軌枕，再到道床和橋隧結(jié)構(gòu)，振動(dòng)的影響逐漸向周?chē)ㄖ飩鬟f，最終，振動(dòng)通過(guò)土壤介質(zhì)對(duì)周?chē)ㄖ锂a(chǎn)生影響[1]。在振動(dòng)的傳播過(guò)程中，垂向振動(dòng)起著主導(dǎo)作用。這種振動(dòng)主要由軌道的平順度不良、車(chē)輪偏心以及車(chē)輪與鋼軌的沖擊碰撞等因素引起。垂向振動(dòng)具有一些獨(dú)特的特點(diǎn)，例如傳播距離較遠(yuǎn)、衰減速度相對(duì)較慢，并給人帶來(lái)強(qiáng)烈的振動(dòng)感。

2 振動(dòng)與噪聲設(shè)計(jì)要求

2.1 振動(dòng)源強(qiáng)

按照《城市軌道交通振動(dòng)和噪聲控制簡(jiǎn)明手冊(cè)》，某地鐵線路振動(dòng)源強(qiáng)設(shè)為87.2dB，投入運(yùn)營(yíng)一年之后，對(duì)地下段振動(dòng)強(qiáng)度展開(kāi)測(cè)量，測(cè)得地下段普通線路隧道壁為59-87dB之間，高架段振動(dòng)源強(qiáng)交叉渡線梁體75-89dB，曲線R430梁體76-88dB，速度100km/h高架段梁體70-88dB。經(jīng)過(guò)對(duì)以上數(shù)據(jù)的分析比較便可了解到，其中一些區(qū)段存在測(cè)量值超過(guò)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題。

設(shè)計(jì)振動(dòng)源強(qiáng)需要根據(jù)列車(chē)型號(hào)、行駛速度、軌道特征加以確定，當(dāng)面臨制動(dòng)、加速地段振動(dòng)源強(qiáng)較高的狀況，則要加強(qiáng)對(duì)設(shè)計(jì)工作的把控，面對(duì)線路變坡、車(chē)站位置變更等狀況也必須要及時(shí)調(diào)整為合適減振等級(jí)[2]。

2.2 傳播路徑

主要包括：①高架段，傳播到梁體、橫梁、橋墩、橋臺(tái)、基礎(chǔ)；②地下段，傳播至隧道結(jié)構(gòu)、圍巖等。

2.3 衰減規(guī)律

①振動(dòng)衰減總體上會(huì)伴隨距離的增加而逐漸趨向穩(wěn)定。②巖石地質(zhì)環(huán)境下，根據(jù)某工程測(cè)量結(jié)果，在100m以內(nèi)，振動(dòng)衰減28dB，衰減率為每米0.28dB；在中砂環(huán)境下，100m以內(nèi)，振動(dòng)衰減40dB，衰減率為每米0.4dB；在黏土環(huán)境下，60m以內(nèi)，衰減25dB，衰減率為每米0.42dB。③當(dāng)密度越高、結(jié)構(gòu)顆粒愈發(fā)緊密，則衰減性能愈低；密度偏低且結(jié)構(gòu)顆粒致密性不強(qiáng)時(shí)，衰減性能愈強(qiáng)。

2.4 振動(dòng)限值說(shuō)明

人類(lèi)對(duì)于振動(dòng)容忍的限值范圍，和人身體的姿勢(shì)、所處方位、身體健康狀態(tài)、個(gè)人感覺(jué)靈敏性以及承受能力存在緊密關(guān)聯(lián)。根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)可知，振動(dòng)強(qiáng)度低于65dB時(shí)，就不會(huì)對(duì)人類(lèi)的睡眠帶來(lái)明顯影響；而若是振動(dòng)強(qiáng)度大于70dB，則會(huì)對(duì)人類(lèi)的睡眠帶來(lái)明顯影響。

2.5 二次噪聲限值說(shuō)明

建筑物室內(nèi)二次輻射噪聲是指由空調(diào)、通風(fēng)系統(tǒng)、電子設(shè)備等在建筑內(nèi)部產(chǎn)生的低頻噪聲。這種噪聲主要集中在幾百赫茲以下的頻率范圍內(nèi)，其特點(diǎn)是波長(zhǎng)較長(zhǎng)、能夠穿透墻壁和隔板，對(duì)于居民的生活和工作環(huán)境造成一定的干擾。

現(xiàn)行的噪聲限值標(biāo)準(zhǔn)采用A計(jì)權(quán)處理方法來(lái)測(cè)量噪聲級(jí)別。A計(jì)權(quán)是一種根據(jù)人的聽(tīng)覺(jué)特性進(jìn)行加權(quán)處理的方法，能夠更好地模擬人類(lèi)對(duì)不同頻率噪聲的感知。然而，在幾百赫茲以下低頻噪聲的情況下，A計(jì)權(quán)處理方法存在一定的局限性，并不能準(zhǔn)確地反映其對(duì)人體的影響。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，當(dāng)室內(nèi)二次輻射噪聲達(dá)到45dB（A）時(shí)，對(duì)居民的影響和主觀反饋將會(huì)非常明顯。這種噪聲水平已經(jīng)超過(guò)了人們?cè)谑覂?nèi)環(huán)境下對(duì)于噪聲的容忍度。居民可能會(huì)感到不適、疲勞和精神緊張，嚴(yán)重影響睡眠品質(zhì)和生活質(zhì)量。

3 現(xiàn)有減振降噪技術(shù)及適用方向

3.1 軌道設(shè)備結(jié)構(gòu)方面

3.1.1 扣件減振?？奂p振是一種常見(jiàn)的減振技術(shù)，它通過(guò)扣件系統(tǒng)中的鐵墊板與彈性體相互配合來(lái)達(dá)成減振目的。其中鐵墊板主要發(fā)揮了承載重力與固定鋼軌的效果，而彈性體則能夠充分利用其自身的彈性特性來(lái)減振。在這種結(jié)構(gòu)中，使用錨固螺絲把扣件固定于道床上，中間的非線性彈性墊可以以無(wú)預(yù)載狀態(tài)運(yùn)行，不會(huì)受到錨固螺栓擰緊作用力的干擾，使得減振效果顯著。

（1）雙層墊板結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)通過(guò)在兩個(gè)鐵墊板之間安設(shè)彈性墊板來(lái)實(shí)現(xiàn)減振效果。彈性墊板可以基于上鎖或者下鎖的方式固定，從而借助其自身的彈性特性來(lái)減振。其構(gòu)成結(jié)構(gòu)由下至上分別是耦合墊板、上鐵墊板、中間的橡膠墊板、下鐵墊板和軌下墊板等，采用雙層墊板結(jié)構(gòu)的壓縮性減振扣件和非線性減振扣件是其典型代表，這些扣件能夠有效地減少振動(dòng)傳遞和噪聲的產(chǎn)生，減小對(duì)周邊居民的影響[3]。

（2）硫化墊板結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)通過(guò)將承軌板和彈性墊板硫化成一體，并基于調(diào)節(jié)扣件的剛度以及使用橡膠的壓縮變形來(lái)滿足減小振動(dòng)噪音的要求。其構(gòu)成結(jié)構(gòu)由下至上分貝時(shí)耦合墊板、一體化墊板和軌下墊板等。洛得（Lord）扣件和GJ-III型軌道減振器扣件是應(yīng)用了硫化墊板結(jié)構(gòu)的典型代表。這些扣件通過(guò)合理設(shè)計(jì)的剛度和橡膠的變形，有效地減少了振動(dòng)傳遞和噪聲的生成。

（3）浮軌結(jié)構(gòu)。浮軌結(jié)構(gòu)是一種新式減振技術(shù)，其利用限位設(shè)備讓鋼軌浮離軌枕基礎(chǔ)，以此達(dá)成將鋼軌和軌道板、軌枕間的振動(dòng)隔離的目標(biāo)。這種結(jié)構(gòu)可以對(duì)地面次生噪音的產(chǎn)生加以緩解，降低軌道噪音往周邊地表和建筑體之間的傳播，同時(shí)還可減小振動(dòng)引起的二次噪聲。其構(gòu)成結(jié)構(gòu)由下至上分別是耦合墊板、浮軌限位裝置。先鋒（Vanguard）扣件和諧振式浮軌扣件是典型的浮軌結(jié)構(gòu)應(yīng)用。

3.1.2 道床減振。

（1）浮置板道床。在鐵路道床與基礎(chǔ)之間添加彈性介質(zhì)，通過(guò)鋼彈簧隔振器或彈性高分子材料等形成質(zhì)量彈簧結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)減振降噪的功能。這樣的設(shè)計(jì)可以有效地隔離基礎(chǔ)與道床結(jié)構(gòu)，減少振動(dòng)能量的傳遞。相比梯形軌枕，浮置板道床的減振效果較佳，能夠更好地降低鐵路運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)和噪音。

（2）梯形軌枕。通過(guò)在對(duì)軌下縱梁上包裹減振材料，將振動(dòng)能量吸收和衰減，同時(shí)通過(guò)橫向聯(lián)結(jié)桿件擴(kuò)寬了輪軌力的覆蓋范圍，形成了一種浮置式減振系統(tǒng)。相較于普通的道床而言，采用梯形軌枕可以實(shí)現(xiàn)更好的減振效果，預(yù)計(jì)可達(dá)到10.5dB的減振效果。這種設(shè)計(jì)能夠有效地降低軌道振動(dòng)帶來(lái)的噪聲，提升鐵路線路的運(yùn)行環(huán)境。

（3）組合減振道床。其利用隔振墊和橡膠楔塊有機(jī)配合，既能吸收軌道產(chǎn)生的振動(dòng)能量，又能有效抑制鋼軌的振動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)減振降噪的效果。這種結(jié)構(gòu)將兩種減振方式的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了組合，能夠同時(shí)降低振動(dòng)和噪聲的輻射。據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)果顯示，組合減振道床的減振性能相較于減振墊浮置板道床而言更加優(yōu)秀，可以為鐵路運(yùn)輸提供更好的減振效果。

3.1.3 彈性支承塊軌道結(jié)構(gòu)。彈性支承塊式軌道結(jié)構(gòu)（LVT）以其特有的設(shè)計(jì)和材料組合，在軌道建設(shè)領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的潛力和優(yōu)勢(shì)。首先，它采用預(yù)埋鋼筋砼式支撐塊作為彈性支承塊，這種材料具有高強(qiáng)度和耐久性的特點(diǎn)，可以有效地抵抗荷載和外界環(huán)境的影響。其次，橡膠套靴和橡膠墊板的應(yīng)用則進(jìn)一步增強(qiáng)了軌道結(jié)構(gòu)的彈性變形能力，使得軌道能夠更好地適應(yīng)列車(chē)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)和動(dòng)荷載。對(duì)于高速列車(chē)等具有高動(dòng)態(tài)荷載的情況，LVT軌道能夠吸收和分散荷載，減少軌道和車(chē)輛的磨損，延長(zhǎng)使用壽命，降低維護(hù)成本。此外，LVT軌道還能夠適應(yīng)地形變化和環(huán)境影響，例如地震、溫度變化等。這使得LVT軌道在各種復(fù)雜地質(zhì)條件下都能表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和可靠性。正因如此，該種軌道結(jié)構(gòu)目前已經(jīng)在全球范圍內(nèi)得到了大面積推廣運(yùn)用，比如英國(guó)的英吉利海底隧道和國(guó)內(nèi)的秦嶺、烏鞘嶺隧道等。

3.1.4 阻尼減振降噪裝置。主要是對(duì)鋼軌裝設(shè)阻尼設(shè)備與諧振器，以此提高振動(dòng)質(zhì)量，減小有害振動(dòng)能量，實(shí)現(xiàn)從源頭上弱化噪音危害，控制嘯叫音的產(chǎn)生，同時(shí)緩解鋼軌波磨問(wèn)題。在小半徑曲線中能發(fā)揮出突出優(yōu)勢(shì)。通過(guò)試驗(yàn)分析得知，能夠?qū)⒖褪以胍魷p小7.7dB，達(dá)到理想的降噪水平。而對(duì)于大曲線半徑、直線段之類(lèi)初始噪音不高的路段，則不太適用[4]。

3.1.5 外加振動(dòng)衰減措施。

（1）鋼軌包裹。通過(guò)在鋼軌軌腹裹上緩振彈性阻尼材料，可以有效地減少軌道和車(chē)輪振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲。同時(shí)，此技術(shù)主要可分為迷宮式約束阻尼車(chē)輪和迷宮式約束阻尼輪軌兩大類(lèi)型，即在鋼軌或者車(chē)輪的非工作區(qū)域外設(shè)迷宮型約束阻尼降噪板，以此做到快速衰減振動(dòng)，進(jìn)一步減小噪聲水平。

（2）可動(dòng)心軌轍叉。在列車(chē)行駛經(jīng)過(guò)有害空間時(shí)，發(fā)出的瞬間激勵(lì)會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)噪聲的增加，并且可能破壞軌道的連貫性。可動(dòng)心軌轍叉的設(shè)計(jì)可以消除這種激勵(lì)，確保線路的穩(wěn)定性，減少振動(dòng)噪聲對(duì)乘客和周?chē)h(huán)境的影響。

（3）道床包裹。在道床的中部安裝阻尼吸振材料，可以有效地緩解振動(dòng)的發(fā)展和傳播，進(jìn)一步降低噪聲水平。這種方式可以在一定程度上減少振動(dòng)向周?chē)h(huán)境傳播，并提升乘客的乘坐舒適度。

（4）抗微振增強(qiáng)型鋼彈簧浮置板道床。此種道床具有減振和衰減低頻振動(dòng)的功能，能夠有效地保護(hù)電子元件等精密設(shè)備不受振動(dòng)干擾，一般多運(yùn)用在具有精密儀器的各種信息產(chǎn)業(yè)園附近。這種道床通過(guò)采用抗微振鋼彈簧和浮置板結(jié)構(gòu)，可以在一定范圍內(nèi)吸收和隔離振動(dòng)，為設(shè)備的正常運(yùn)行提供良好的環(huán)境。

（5）嵌入式連續(xù)支撐軌道（高等減振等級(jí)）。此種軌道主要是在鋼軌的兩端和底部粘接了彈性材料與降噪塊，并把鋼軌完全嵌進(jìn)道床中，構(gòu)成了一個(gè)整體系統(tǒng)，從而有效地減少振動(dòng)和噪聲的產(chǎn)生。然而，需要注意的是，該軌道在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中具有施工精度要求高、投入使用后的換軌頻率相對(duì)較高的特點(diǎn)，必須要控制好施工精度和后續(xù)維修工作，需要確保施工質(zhì)量和及時(shí)維護(hù)，以保證其長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2 傳播路徑方面

主要涉及產(chǎn)品包含吸音板或隔音門(mén)窗等，吸音板一般應(yīng)用于高架段或高架隧道銜接位置，隔斷噪聲在傳播路徑上的傳遞。隔音門(mén)窗一般應(yīng)用于老年人、弱勢(shì)群體以及特殊疾病患者等對(duì)噪聲敏感的特殊人群居住場(chǎng)所。

4 結(jié)束語(yǔ)

地鐵設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，需要合理分析隧道埋深和高架段的振動(dòng)噪聲輻射范圍，以確保振動(dòng)噪聲能夠有效衰減。地鐵運(yùn)營(yíng)環(huán)節(jié)，需要持續(xù)關(guān)注線路的動(dòng)態(tài)幾何尺寸、鋼軌的不平順，同時(shí)，及時(shí)開(kāi)展鋼軌打磨和涂油頻次的調(diào)整也是必要措施。當(dāng)出現(xiàn)振動(dòng)噪聲投訴時(shí)，可以采取多種措施進(jìn)行處理，各線路也可根據(jù)運(yùn)量合理安排運(yùn)行速度調(diào)整。綜合應(yīng)用各項(xiàng)措施和技術(shù)手段，可以有效減少振動(dòng)和噪聲對(duì)居民生活環(huán)境的影響，提升地鐵系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和居民的滿意度[5]。