提升轨道交通减振综合设计水平的探讨

杨 惠 喜

(北京市轨道交通建设管理有限公司，北京 100037)

提升轨道交通减振综合设计水平的探讨

杨 惠 喜

(北京市轨道交通建设管理有限公司，北京 100037)

在总结轨道交通减振措施及应用经验的基础上，系统分析了为提升减振综合设计水平需考虑的最高设计速度、特殊的桥梁结构类型、线路在线网中的建设时序等相关工程条件，并对减振设计需考虑的关键因素作了介绍，以确保铁路长期运营的安全性。

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近年来，国内轨道交通建设规模不断扩大，减振问题也越来越得到重视，减振需求也越来越大，减振措施种类不断增多，工程经验不断丰富，技术水平不断提高。

但在过去几年的一些工程减振实践中，也出现了一些问题和教训，使我们意识到轨道交通的减振问题不光是一个减振效果和造价的问题，更是一个复杂的系统工程，不同减振措施的优劣及适应性不同，不同的工程也有不同的特点、条件及要求，减振措施的选择和设计需考虑工程各种相关的工程条件，需关注除减振效果和造价之外的其他综合因素，才能提升减振综合技术水平。

1 主要轨道减振措施及应用状况

1.1 轨道减振措施的分类

国内现有的轨道减振措施主要是按减振效果来划分的，包括中等减振、高等减振及特殊减振三个档次。

1.1.1 中等减振

减振效果5 dB～8 dB(隧道壁Z振级，下同)，类型主要有减振类扣件及弹性类轨枕等。

中等减振主要通过降低钢轨支承刚度从而分散轮轨动态作用力的峰值实现减振，弹性类轨枕还有一定的参振质量，故仅从减振的角度，效果略优于减振类扣件。

中等减振结构简单，造价较低，在各城市轨道交通中应用较多。但减振类扣件降低了对钢轨的约束，在运量较大的城市和线路上易造成轮轨变形及磨耗异常，越来越慎用；弹性轨枕因生产及施工的问题较多，基本已淘汰；先锋扣件经过几年应用，现也基本仅限于既有线改造。

1.1.2 高等减振

减振效果10 dB～15 dB，类型主要有梯形轨枕、中型钢弹簧浮置板、减振垫浮置板等。

高等减振主要通过弹性隔振元件支承的道床板分散轮轨动态作用力峰值并提供一定的参振质量实现减振，梯形轨枕及预制浮置板制造及铺设精度很高，有助于提高轨道平顺性，可实现更好的减振效果。

几种高等减振各有特点，梯形轨枕耐久性好，承载能力强，对不均匀沉降适应性好，铺设速度快，方便维修，在北京、上海、广州等10多个城市轨道交通高架线及地下线有广泛应用；减振垫浮置板构造简单，能灵活适应道岔区的铺设，在多个城市地下线及高铁中有应用；中型钢弹簧浮置板减振效果好，最早从上海开始推广，因综合造价相对较高，只在一些不便采用其他措施的工程中有应用。

1.1.3 特殊减振

减振效果15 dB以上，主要有重型钢弹簧浮置板等。

特殊减振主要通过尽量加大浮置板体量并降低隔振器刚度来实现最好的减振效果，综合造价也最高，对于线路下穿敏感建筑物或临近需特殊保护的重要文物或精密仪器设备是不二之选。

几种主要的轨道减振措施示意图见图1。

1.2 近年来轨道减振方面出现的问题

1.2.1 减振措施逐渐加强但仍存在投诉

在地铁新线建设中，各方都对减振降噪十分重视，不断加大投入，采取的减振措施也逐步加强，以北京为例，近年来很多线路减振长度已达到50%，特殊减振钢弹簧浮置板的铺设长度也达到或超过10 km或以上，但部分线路上仍存在振动噪声投诉现象(见图2)。

国内其他已有轨道交通开通运营的城市如上海、广州、深圳、南京、天津、沈阳、成都、西安、杭州、苏州等城市也都存在类似问题。

1.2.2 减振措施设置不当带来各种问题

近年来部分工程开通运营后，在减振产生了一些问题和病害，给运营管理带来麻烦和不便，个别问题甚至成为安全隐患。

1)钢轨异常波磨(见图3)。北京地铁及其他城市部分线路开通运营后，在部分减振器扣件铺设地段产生钢轨异常波磨，钢轨产生异常波磨导致振动及噪声增大、车辆轨道零部件过早损坏，只能通过改造或打磨维修手段加以整治，增加了运营管理难度和成本。

2)轨道积水或影响维修。浮置板减振效果较好，但系统复杂，接口关系多，因此也容易出现一些问题和病害，如图4所示的浮置板与普通轨道过渡段排水顺坡往往存在问题，导致积水病害，影响减振效果和轨道结构的耐久性。之前大多数的浮置板还设计了配重凸台，运营后发现对轨道防护、维修和更换作业的影响很大。

1.2.3 原因简析

分析轨道交通减振方面出现问题的综合原因，主要包括以下几个方面：

1)减振涉及面广(政府主管、规划、环评、建设、设计、供货、施工、运营等多部门；轨道、车辆、线路、土建等多专业)、过程长、因素多。

2)振动分析及预测的基础理论、标准等方面有待完善。

3)减振环节单一，地下仅轨道减振为主，高架仅声屏障为主，未实现综合减振降噪。

4)新技术新产品上道应用待规范。

5)减振综合因素(安全性、可靠性、稳定性、耐久性、可维修性、工程条件和接口适应性、施工依赖性、综合造价等)有待更全面的考虑。

以下主要从工程条件和需求等方面探讨如何提升减振综合设计水平。

2 减振设计需考虑的相关工程条件

2.1 最高设计速度

常规的城区轨道交通最高设计速度一般都是80 km/h，但近年来越来越多的城市轨道交通向郊区延伸，速度达到100 km/h～120 km/h，个别项目甚至将采用140 km/h。

速度越高，一方面对轨道平顺性及稳定性的要求越高，另一方面车辆悬挂刚度将提高，轮轨动载冲击系数也有所不同，将会引起振动及噪声源强的加大和频谱改变。

对于速度提高后的线路，轨道减振措施的刚度及轨道几何尺寸的精度均需相应适当提高，传统的减振扣件和弹性轨枕因刚度较低，直接形成对钢轨约束的削弱，对轨道动态平顺性不利，慎在速度提高的线路上应用，优先考虑采用梯形轨枕或浮置板等整体性更好的减振措施。

2.2 线路平面及纵断条件

线路平面方面主要是小半径曲线的问题，每一条线路都存在为绕避特殊敏感点或障碍而设置小半径曲线的情况，因此小半径曲线往往也是需要采取高等或特殊减振措施的地段。

而小半径曲线又是轨道主要病害环节之一(隧道施工误差、钢轨侧磨、波磨、接头、排水等)，轮轨作用力加大还会使振动源强放大。故小半径曲线减振措施一要考虑更多的稳定性保障，二要考虑方便检修，三要考虑充足的减振冗余量。

线路纵断方面可能与减振发生关系的是排水及沉降病害等方面。隧道内一般在纵断最低点设置排水泵房，在地质条件不好的情况下，排水泵房往往易产生较严重的不均匀沉降，在这些地段设置浮置板，容易出现积水、沉降调整困难等问题，需提前采取措施避免，可在前期设计中适当调整线路坡度，将线路最低点和泵房调整一下使其不与浮置板减振地段重叠。

2.3 特殊的隧道桥梁结构类型

圆形盾构隧道由一环一环的预制管片组成，顶进施工时较易出现偏差，地质条件不好时易产生不均匀沉降；此外，隧道盾构井、泵房、联络通道及隧道与车站衔接等结构断面变化较大的部位易产生沉降及渗水积水等病害，在这些地段设置的减振措施，应能适应沉降和积水，而且方便检查、调整和更换维修。

现有高等及特殊减振措施中，梯形轨枕为预制预应力框架板结构，承载能力强，排水沟为明沟，排水面较高，轨枕空吊易于检查可填充，对隧道施工偏差的包容性也较大，适应性较好；钢弹簧浮置板也能实现隔振器的检查和更换，但对隧道施工偏差的包容性较小；采用满铺形式的减振垫浮置板对不均匀沉降及积水的适应性均较差，在这些地段宜慎用。

桥梁上对轨道荷载和高度的要求较为严格，一般桥梁轨道结构高度500 mm～540 mm，轨道自重荷载限值不大于20 kN/m，减振结构尽量不要超过，以免引起桥梁造价的增加。此外，大跨度桥梁的动态变形及梁端伸缩和转角较大，徐变与预拱之间可能存在较大的偏差，减振措施应能充分适应。

2.4 特殊地质条件

对于轨道交通来说，可能遇到的特殊地质条件主要包括以下三类：

1)软弱地层(沿海沿江地区)、地裂缝(西安等)或断裂带(北京、乌鲁木齐等)。

这几种特殊地质条件给轨道交通带来的问题主要是不均匀沉降及渗水积水，这两个问题一方面要线路、隧道桥梁结构等方面采取措施，对轨道减振结构而言，应优先选用自身强度高、对隧道桥梁变形适应性好、排水畅通、方便运营期间检查和维修更换的减振轨道结构。

在前述几种高等特殊减振措施中，梯形轨枕的适应性较好，减振垫浮置板的适应性差，钢弹簧浮置板的适应性居中。

2)地下渗水钙化及沉淀(珠三角、重庆等)。

国内轨道交通隧道内渗水积水现象较普遍，一般情况下均可通过排水措施加以处理，但地下水存在钙化及沉淀时处理较困难，对于存在这种情况的线路，应采取可靠措施避免渗水或不采用只能通过暗沟排水的浮置板减振措施。

3)岩石地质(重庆、青岛、大连等)。

国内大多数轨道交通线路遇到的一般都是各种土质地层条件，相应的振动源强、频谱特性及传递规律等都有大量测试和分析。岩石地质条件较少遇到，相应的数据和经验积累不足。定性地分析，岩石的刚度和弹性模量较大，阻尼较小，隧道结构的振动位移会减小，振动频率会提高，但振动衰减速度会降低，此外，还需关注二次结构噪声的幅值和影响。这种情况下，宜适当增加减振冗余量，并优先选择固有频率较低、减振效果好的减振措施。

2.5 行车运营工况

在以往的概念中，城市轨道交通轴重较轻、速度较低、线路通过总重较小，故对轮轨关系并不太重视，减振设计中往往只考虑尽量降低钢轨支承刚度，以期望更好的减振效果，而忽视了给轮轨关系带来的副作用。

但近年来在减振方面出现的问题表明，以下与城市轨道交通轮轨关系相关的特点不容忽视：

1)小半径曲线及大坡道多，减振地段多、轨道类型多，而且频繁过渡。

2)站间距小，列车频繁启动、加速、制动，且加减速度较大。

3)全自动驾驶采用了精确的运行图，使得每一次列车都以相同的工况经过特定的位置，车辆对轨道施加的是单一周期性荷载和蠕滑作用。

4)施工工期短，开通运营前缺乏足够的磨合，开通即达到设计负荷，白天运营时段长，行车间隔小，夜间停运维修时间短。

以上特点使很多部位的轮轨关系较差，可靠性降低，易诱发轨道疲劳伤损或异常磨耗，而维修又受到时间和空间的制约，使得问题难以得到及时有效的处理。

因此，减振措施的选择要考虑对行车运营工况条件的充分适应性，在实现减振的同时，不能削弱轨道的稳定性，措施可靠性高，方便检查、维修和更换。

2.6 施工工期及施工质量依赖性

施工质量对减振措施减振功能的实现至关重要。一方面，城市轨道交通工程的施工工期都被压缩得较短，另一方面，减振等级越高的减振系统越复杂，施工质量的依赖性越高，越需要精心施工，施工速度越低，像普通轨道、减振扣件、弹性轨枕及梯形轨枕的施工速度约75 m/d～100 m/d，减振垫浮置板及钢弹簧浮置板的施工速度约30 m/d～50 m/d。

故在减振措施选择时，需考虑施工工期的影响及对施工质量的依赖性，工期紧张时，应选择施工速度较快、施工质量依赖性低的减振措施；若施工质量依赖性较强、施工速度较慢的浮置板铺设地段较长时，需预先筹划合理的工期。

2.7 线路在线网中的建设时序

现有的减振措施技术成熟度及工程条件的适应性各有差异，在这个城市或工程中应用成功的技术，在另一个城市或工程中应用也可能出现问题，因此一个城市线网建设的经验十分重要。

对于北京、上海、天津、广州、深圳、南京等已成线网的城市，可总结既有线的实际运营经验，在减振方面自成技术体系，事实上这些城市也是这么做的。但对于更多尚处在线网建设初期的其他城市而言，宜多借鉴参考同类工程条件下经过运营考验、技术成熟的减振措施，以降低工程建设和运营的风险。

3 减振设计需考虑的关键因素

3.1 二次结构噪声控制效果

大量实测表明，城市轨道交通引起沿线敏感点超标和投诉的往往不是振动，而是室内中低频二次结构噪声，但二次结构噪声的产生及传递影响因素很多，目前既无可靠的预测方法，而且各种减振措施的预防效果也缺乏实测统计。早几年的工程设计中不考虑二次结构噪声，在出现问题后最近的设计中一旦有预测超标即采用特殊减振钢弹簧浮置板措施，偏保守和不经济。

实际上，根据一些研究，当振动水平位于60 dB～65 dB时(根据背景噪声及受众的敏感程度差异性有所区别)，二次结构噪声基本可接受，这个振动值是严于国家现行振动标准的。因此在现阶段对二次结构噪声可复杂问题简单化处理，通过采用稍微严格的振动限值来达到控制二次结构噪声的目的。事实上，正在修编中的GB 10070-88城市区域环境振动标准正是采用的这一思路。

3.2 工程综合造价

大多数工程减振措施选型时，造价成为决定性因素之一。但是，在工程设计中应考虑减振措施的综合造价，综合造价包括：

1)减振产品和服务采购成本，按普通轨道基础上增加的造价计算，减振扣件或弹性轨枕约150万元/km，梯形轨枕或减振垫约650万元/km，钢弹簧浮置板约850万元/km。

2)施工现场工机料的差异所增加的造价，在普通轨道基础上，减振扣件、弹性轨枕及梯形轨枕基本不增加造价，减振垫浮置板及钢弹簧浮置板分别增加约100万元/km，400万元/km。

3)隧道、桥梁综合造价，这部分造价的差异性较大，如在矩形隧道内，采用减振扣件、弹性轨枕及梯形轨枕的轨道结构高度560 mm与向轨道相同，则不增加隧道造价，但采用浮置板的轨道结构高度需650 mm，则隧道断面需相应加大；在桥上，除轨道结构高度之外，还要考虑轨道自重荷载的影响，一般来说，若轨道自重荷载超过20 kN/m，桥梁设计即需加强，相应造价就会提高。

4)进一步地，宜将长期运营维修更换综合成本纳入考虑范围，如弹性轨枕虽然初期成本低，但失效后更换为先锋扣件代价高昂，可能超过1 100万元/km；减振扣件引起钢轨异常磨耗带来的维修成本则难以估算。

3.3 轮轨关系的安全可靠性

结合近年来部分工程中出现的问题，现有减振类扣件刚度10 kN/mm太低，宜提高至18 kN/mm左右；另外，半径曲线或不小于80 km/h线路宜尽量避免采用减振扣件。

目前已开通的城市轨道交通最高设计速度为120 km/h，已积累较多的减振设计运营经验，但对于不小于140 km/h的工程，因车辆走行部相关参数和要求又有较大差异，为确保正常的轮轨关系安全可靠性，所有减振措施的参数均宜重新研究制定，而不能直接照搬先前低速线路的技术。

3.4 使用寿命、维修更换难度及成本

轨道长期直接承受列车动荷载的冲击作用，因此结构和零部件的使用寿命应尽量长，当达到寿命时，检查维修和更换要尽量方便，成本尽量低，减振轨道结构无疑增加了轨道系统的复杂性，更需强调长寿命、少维修的要求，需关注的主要因素包括以下两方面：

1)减隔振部件的可靠性、稳定性及检查维修更换的操作便捷性，尤其需重视不可更换或薄弱环节的使用寿命，如减振垫浮置板的减振垫、钢弹簧浮置板隔振器的套筒及阻尼材料等。

2)各种不利运营条件对减振系统使用状态长期不利的作用和影响，如隧道基础不均匀沉降变形、积水、积淤、沉淀等。

3.5 技术完整性及成熟性

技术的完整性和成熟性体现在以下几方面：

1)上道使用程序完整，包括立项、研发(设计)、试制、试验、试铺(示范工程)、测试、验收、鉴定、推广等过程，是技术管理的必要环节。

2)配套技术文件全面，包括设计技术标准、制造技术条件、安装技术规程、安装装置设备、检测方法及手段、运营维护管理手册或指南等，是技术顺利实施的基础保证。

3)供货及施工质量的可控性，即能保证批量化供货和施工安装质量的稳定性。

4)应用案例工程条件的充分性和代表性，即必须经过各种工程条件下应用的充分考验和验证，如各种车型、运量、速度、线路、敷设方式、地质、气候环境条件等。

4 结语

为实现减振效果，轨道减振结构往往要降低支承刚度或增加参振质量，在扣件、轨枕或道床结构及与轨旁结构和设备的接口等方面采取特殊设计处理，这样的改变将对行车、轨道、隧道桥梁、轨旁设备、排水等多方面产生影响，因此减振措施的合理选型和设计需全面考虑工程相关条件，综合考虑各种关键因素的影响，方能在实现预期减振效果的同时，确保长期运营的安全可靠性。

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Inquiryonimprovingcomprehensivevibrationreductiondesignlevelofrailtransittraffic

YANGHui-xi

(BeijingRailTransitTrafficConstructionAdministrationCo.,Ltd,Beijing100037,China)

On the basis of summarizing rail transit vibration reducing measures and application experience, the paper analyzes conditions of the highest design speed, special bridge structure forms and line network construction for improving vibration reduction design level, and introduces critical vibration reducing design factors, with a view to guarantee long-term railway operation safety.

rail transit, vibration reduction, traffic, condition

1009-6825(2014)33-0147-04

2014-09-18

杨惠喜(1978- )，男，工程师

U213.2

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