刍议城市轨道交通车辆段物业开发减振降噪设计

2017-08-09周建军

科技与创新 2017年14期

关键词：轮轨扣件车辆段

周建军

（上海市隧道工程轨道交通设计研究院，上海200235）

刍议城市轨道交通车辆段物业开发减振降噪设计

周建军

（上海市隧道工程轨道交通设计研究院，上海200235）

车辆段作为城市轨道交通中不可或缺的重要组成部分，往往因规模大、占地面积广而与城市土地供给相矛盾。城市的快速发展会在一定程度上影响城市轨道交通的走向和服务水平。近年来，为了缓解地铁建设与城市用地之间的供给矛盾，对地铁车辆段上、下部空间进行物业综合开发，集约化利用土地空间已经成为解决城市建设用地供需矛盾的一种重要方式。然而，大运量的城市轨道交通系统多采用钢轮钢轨系统，其固有的轮轨振动噪声会对建筑开发产生不利的影响。因此，解决好车辆段上盖开发的振动噪声等是当前亟待解决的问题。基于对当前车辆段物业发展特点和其中存在问题的总结，阐述了车辆段减振降噪的特点和重点，提出了针对上盖物业开发的设计策略，以期为日后相关工作的顺利进行提供参考。

城市轨道交通；上盖物业开发；轮轨振动噪声；车辆段

1 车辆段物业开发的特点

随着我国城市化进程的加快，我国在车辆段上盖物业开发方面主要体现了以下几个特点。

1.1 物业开发业态多元化

我国既有的城市规划往往秉承了功能分区理论，早期车辆段上盖物业开发业态比较单一，以单一的住宅、办公或绿地等上盖开发物业比较多。近年来，随着城市规划的发展和城市空间开发品质化要求的提升，地铁车辆段物业的开发更加强调建筑与城市公共空间的耦合发展，体现了“城市”的特性，涌现出了越来越多的“社区”型物业开发（比如住宅、学校、办公、商业等一体综合配套开发），以满足人对城市空间的连续性综合需求。

多元化的建筑业态开发在一定程度上提升了上盖物业开发的品质，能够满足城市人的连续性综合需求。但是，对上盖物业开发建筑而言，在解决环境问题同时，减振降噪的需求也呈多样化的发展态势，技术矛盾越来越复杂。国内某车辆段物业开发情况如图1所示。

1.2 物业开发品质化

早期地铁车辆段上盖住宅物业开发多以动迁保障房为主，开发品质比较低。然而，近年来，受城市规划发展、轨道交通规划、城市化快速发展等因素的影响，在大城市（尤其是一线城市）中，部分地铁车辆段的选址具有良好的城市交通和经济区位，开发商对于地铁上盖物业开发的品质要求在不断提升，以保证其后期的商业回报。因此，越来越多的中高端商业地产、住宅物业项目采用地铁车辆段物业开发的形式。

图1 国内某车辆段物业开发示意图

1.3 开发空间结构形式多样化

目前，车辆段物业开发结构主要有3种，即转换层大平台方式、核心筒落地方式、夹心落地方式。转换层大平台方式盖上部分适合建多层建筑，不适合建高层建筑；下部结构体对上部的制约比较大，下部的振动噪声易传递到上部，适用于公共建筑或多层住宅。核心筒落地和夹心落地方式主要用于高层住宅或写字楼的开发，其落地的结构体可以与车辆段上盖结构分开，下部的振动噪声不易传递到上部，上下互不干扰，但占地面积比较大。

在当前车辆段上盖开发设计中，这3种结构形式常常组合应用，比如在运用库片区，因形状较为规整，常用核心筒落地方式或夹心落地方式；而在检修库片区，由于车库跨度比较大，跨距大小不一，多采用转换层方式；对于车辆段道岔群区，由于柱子位置不规则，一般建设单层绿地和景观等。

2 车辆段物业开发减振降噪中存在的问题

通过对国内车辆段物业开发项目的调研和总结，笔者认为，当前设计中主要存在以下几个问题。

2.1 “重建筑，轻环境”

当前，地铁车辆段物业开发项目方兴未艾，很多项目将工程的重点放在物业建筑空间、形式及结构的利用和设计上，并未重视车辆段内轮轨振动对于物业开发环境的影响。受项目进度、时序、技术制约等多方面因素的影响，许多车辆段物业开发项目未进行充分的环境评估，开发建筑和地铁的工程未采取充分、有效的减振降噪措施，导致后期部分项目存在环境不达标的问题。

2.2 车辆段振动噪声环境评价模型不科学

众所周知，轮轨振动和噪声受轨道线路线型、轨道型式、行车速度、敏感点建筑结构形式、敏感点与振动噪声源的空间关系等影响比较大，不同边界条件下产生的振动噪声特性也不同。近年来，国内地铁车辆段对于环境影响的评价，所采用的振动噪声源强数据不够科学和规范，有些项目采用了类比源强数据或轨道交通正线振动噪声的源强数据作为基础，缺乏合理、科学的振动和噪声源强数据作为环境评价的基础。

地铁车辆段线路曲线半径小、空载低速运行，轨道系统多采用碎石道床有缝线路结构，且存在大量道岔群。对于不同的功能区，列车的行车工况和速度也有所不同。根据国内部分车辆段的实测数据，其振动的频谱范围多以低频为主，与地铁正线的振动源强频谱特性有较大的区别，在环境评价中应予以重视。

从空间关系特性分析，车辆段与正线在振动噪声传播衰减方面具有较大的差异。对于上盖大平层开发模式的车辆段，车辆段库内线路、立柱检查坑或整体道床结构与房屋建筑、上盖物业往往成为一体，虽然库内线运行速度慢，但轮轨振动往往会通过立柱直接传递至建筑物上方，振动影响不容小觑。国内外研究学者的测试已表明，车辆段地面线路对于其平台大上盖建筑物的振动影响比较大，尤其是列车至停车或停车至开所引起的振动，沿立柱的传播明显要大。对于夹心落地开发模式、核心筒开发模式和上盖开发形式，振动源与开发建筑空间是隔离的，地铁列车振动的传播和衰减主要在土层中完成。据国内外某些科研机构的实测数据，车辆段轮轨振动特性多以低频冲击振动为主，然而因为土体对低频振动的阻尼比较小，振动衰减得比较慢，所以，对于落地开发减振的低频振动影响应引起重视。

从敏感点振动响应规律看，国内学者对于减振振动的衰减特性曾有大量的研究。车辆段开发建筑的振动响应与其结构形式、楼层高度、空间距离有较大的关系。比如，随着建筑物框架质量的提高和刚度的增强，建筑物的振动响应明显降低；随着建筑物与振动源空间距离的增加，建筑物的振动响应呈衰减趋势，但高层的衰减要大于低层的衰减。

基于以上分析和论述，车辆段轮轨振动的源强特性、开发物业的空间关系和敏感减振本身的特性对振动和噪声的预测会有比较大的影响。因此，相关部门应高度重视车辆段物业开发的环境评价，建立或修正合理的评价预测模型，以保证评价结果的合理性。

2.3 减振降噪设计盲目，缺乏系统性

既有车辆段振动噪声的治理，往往仅从某一专业工程领域入手（比如轨道、声屏障），缺少规划布局、建筑结构、轨道结构等多方位的系统性措施。从具体措施的选用角度看，因为缺少科学、合理的环境评估作为依据，设计者对于车辆段轮轨振动噪声特性的认识不够深入，设计者和决策者往往根据以往减振降噪的设计原则和措施设计，这样很容易导致减振降噪设计的盲目性，造成局部减振降噪的过剩和不足。

3 车辆段轨道减振降噪特点及措施

3.1 车辆段减振降噪的特点

经过对国内车辆段轮轨振动的分析和实测数据的调研，车辆段轨道的主要振动源是轮轨相互作用时轮轨不平顺、道岔群、钢轨接头等引起的振动，主要噪声为轮轨滚动噪声、接头冲击噪声和轮轨摩擦噪声。因车辆段运营工艺和轨道型式的特殊性，轮轨振动噪声主要有以下几个特点：①车速变化大，振动频带特性比较宽。受车辆段工艺的影响，车辆段行车速度跨度比较大，可由库内线的5 km/h至试车线80～100 km/h。不同速度所引发的振动激励的频带比较宽，单一减振降噪措施较难抑制不同速度激励下的振动影响。②道岔群、钢轨接头集中，非稳态的轮轨冲击激励贡献比较大，振动激励频带、特性复杂，传统的减振降噪措施比较难解决。③对于小半径曲线地段，钢轨垂向、横向和纵向轮轨滚动与滑动引发的多方向激励较为复杂，传统的单向抑制的减振结构较难满足其减振降噪的要求。④对于车场多股道宽裕的空间噪声，不同股道振动噪声源的传递路径不同，且较为复杂。⑤地面振动和噪声的频带、特性与正线有较大的差异，车辆段大部分区域车速比较慢，地面振动主要表现在低频（20～60 Hz）。又因为道岔和钢轨接头具有小半径曲线的特点，轮轨振动引发的噪声辐射主要表现在中高频段（200～800 Hz），具体如图2所示。

基于对车辆段轮轨振动特性、行车工况、轨道型式特点的分析，笔者认为车辆段轨道减振降噪的重点区域是：①出入线和咽喉区地段；②试车线区域；③库外小半径曲线地段；④具有上盖开发的库内线。

图2 北京古城车辆段地面振动和噪声1/3倍频程图

3.2 车辆段轨道减振降噪主要措施

3.2.1 减振措施

从对国内外车辆段减振降噪的措施调研情况来看，一般采取的措施是降低振源激励强度、从传播路径上削弱振动、从建筑物基础和内部隔振3点。轮轨减振属于振源处隔振，是最直接、有效的方法，往往从轨道系统的质量、刚度和阻尼等方面入手，在组成轨道结构的各个刚性部件（钢轨、轨枕、道床等）间插入弹性层，获得不同的固有频率，从而得到不同减振性能。具体的减振措施有以下几点。

3.2.1.1 扣件减振

扣件减振是降低扣件静刚度，在钢轨与轨枕之间增加弹性阻尼，以达到减振的效果。扣件减振平均可获得的插入损失为3～8 dB。扣件减振在车辆段内多应用于具有上盖物业的库内线整体道床地。国内常用的扣件类型有双层非线性减振扣件（静刚度可达10～15 N/mm）、浮轨式扣件（静刚度可达5～8 N/mm）等。这2种扣件如图3、图4所示。

图3 双层非线性减振扣件

图4 浮轨式减振扣件

3.2.1.2 减振型轨道结构

减振型轨道结构是在道床与基础直接插入弹性层，增加轨道结构固有频率，实现更高的减振性能。对于地铁车辆段，可供选择的减振轨道结构有碎石道床道砟垫隔振道床、钢弹簧浮置板道床等。碎石道床道砟垫隔振道床多用于咽喉区和库外线等行车速度不高的区域，减振效果可达5～8 dB；钢弹簧浮置板道床多用于车辆段行车速度比较快的试车线区域，减振效果可达10～15 dB。这2种轨道结构如图5、图6所示。

3.2.2 降噪措施

车辆段轨道的主要噪声主要来自轮轨滚动噪声、接头的冲击噪声和轮轨摩擦噪声。轨道降噪措施主要集中在对于钢轨高频噪声的防治方面，国内外主要采用无缝线路、减振接头夹板、阻尼钢轨、钢轨谐振器和嵌入式轨道结构等降低轨道噪声。

图5 碎石道床隔振垫减振轨道结构示意图

图6 试车线钢弹簧浮置板轨道结构示意图

3.2.2.1 无缝线路

消除钢轨接头，采用无缝线路，是提高钢轨平顺度、减少钢轨接头冲击振动和噪声最直接、有效的方法。近年来，越来越多的具有物业开发的车辆段子库内整体道床段采用无缝线路型式。

3.2.2.2 减振接头夹板

减振接头夹板是在原有钢轨接头夹板基础上做了一些改动，将夹板中间部分的长度加高至与钢轨踏面相平。当车轮通过轨缝时，减振接头夹板顶面和钢轨顶面同时接触车轮，可减少轨缝折角和台阶，缓解车轮冲击振动。它多用于库外有缝线路区域。减振接头夹板如图7所示。

图7 减振接头夹板示意

3.2.2.3 阻尼钢轨

阻尼钢轨和钢轨谐振器等是在钢轨上增设一定质量的谐振块抑制钢轨振动的振动响应，对高频噪声有一定的降噪效果，主要应用于库外小半径曲线地段。

3.2.2.4 嵌入式轨道

嵌入式轨道结构当前主要应用于有轨电车领域，它在国内地铁和车辆段的使用还处于尝试阶段。这类轨道结构属于埋入式轨道结构，利用橡胶或高分子材料将钢轨嵌入道床内，且多采用无扣件连续支撑结构，对钢轨高频振动噪声有一定的抑制作用，可应用于库内线整体道床地段。嵌入式轨道结构如图8所示。

图8 嵌入式轨道结构示意图

4 车辆段轨道减振降噪设计的对策

基于对国内车辆段减振降噪设计问题的分析和对车辆段轮轨振动噪声特点的认识，笔者认为，车辆段的减振降噪宜遵循以下对策。

4.1 合理规划业态布局，规避环境风险

车辆段的上盖物业规划布局宜从轮轨振动噪声污染源分布、振动噪声特性和传播机理出发，合理规划建筑业态布局，让学校、医院、住宅等敏感度比较高的建筑远离出入线咽喉区、试车线等重要“污染源”，从规划层面规避环境污染风险。

4.2 合理评价，系统设计

针对上盖物业开发的车辆段，应综合考虑振动源强特性、开发形式、敏感点特性、空间距离、轮轨特性等内容，做好对车辆段上盖物业开发的环境评估，为减振降噪设计提供科学、合理的设计基础。在合理化评价的前提下，工程设计应采用系统化的减振降噪设计方案，从车辆、减振、轨道系统等多方面进行减振降噪的主动和被动设计，以达到系统减振降噪的最优效果。

4.3 量身定制，综合设计

轨道减振降噪作为系统工程设计的重要部分，宜因地制宜，综合设计。车辆段内不同区域、不同的工况下，轮轨振动的频率范围、衰减特性不同，所以，应根据不同特性，有针对性地采用有效的轨道减振结构，以满足减振降噪的需求。车辆段的降噪设计应根据噪声频谱性能，组合不同特性的减振降噪结构和措施，进行综合一体化设计。

4.4做好衔接工作

在相关工作进行的过程中，要做好规划布局、环境评价、工程设计和工程时序之间的衔接工作，科学、合理地设计和落实减振降噪措施。