减振垫浮置道床加嵌套式减振扣件的组合减振应用研究

孙大新 李现博 刘铁旭

(1.北京城建设计发展集团股份有限公司，100037，北京；2.北京市轨道结构工程技术研究中心， 100037，北京；3.城市轨道交通绿色与安全建造技术国家工程实验室，100037，北京 ∥ 第一作者,高级工程师)

减振设计是城市轨道交通轨道专业的关键工作之一。由于受城市规划及线路周边条件的制约较大，城市轨道交通往往具有曲线数量多、曲线半径小和减振地段多等特点。

随着城市轨道交通的迅速发展，近几年的轨道减振技术，已经基本形成中等减振、高等减振和特殊减振的分级减振格局[1]。在特殊减振领域，钢弹簧浮置板轨道减振效果优异[2-5]，但其占用轨道结构高度较大，对土建施工偏差的适应性较差，当地铁隧道出现较大施工偏差时，无法铺设钢弹簧浮置板轨道。此种情况下，通常是采用降低减振等级、铺设高等减振如减振垫道床的方案进行替代，但减振效果将降低4～6 dB；若遇线路下穿居民楼等减振要求高的地段，则仍无法满足环境要求。本文结合在实际工程中遇到的轨道结构高度不足的情况，采用了减振垫浮置道床加嵌套式减振扣件的组合减振方案。经仿真计算及实际测试，其减振效果达到16 dB，已基本达到特殊减振措施的减振要求。

1 工程概况

某地铁工程的区间隧道敏感点距离线路9.7 m，环评报告预测振动超标5.8 dB，二次结构噪声超标7.0 dB(A)[6]，要求铺设钢弹簧浮置板。但在盾构施工过程中，该范围内有长55 m的线路出现较大线型偏差；经调线调坡后，轨道实际铺设高度为599 mm，中线水平偏差60 mm(见图1)。敏感点区域的其他基本情况见表1。

表1 某地铁区间隧道敏感点区域基本情况

图1 土建偏差后轨道相对位置关系

由图1可看出，即使将隔振器横向间距缩小到1 700 mm，隔振器与隧道壁仍有明显的冲突，因此无法铺设钢弹簧浮置板。

2 替代方案

在无法铺设钢弹簧浮置板的条件下，如何选择替代方案成为本工程的重点。替代方案除可适应本工程的铺设条件外，减振效果也应尽量接近钢弹簧浮置板。

从减振效果的角度来看，仅次于钢弹簧浮置板的高等减振措施是隔离式减振垫浮置板道床。而减振垫浮置板的减振能力一般为10～12 dB,钢弹簧浮置板减振能力一般不小于16 dB的要求，因此，本工程采用减振垫浮置道床加嵌套式减振扣件的组合减振方案来弥补减振能力的差距。

2.1 组合减振方案

组合减振方案替代了原设计采用的钢弹簧浮置板和普通扣件，其减振垫铺设于基底层与混凝土道床之间。该地基的静力弹性模量为0.010 N/mm3。

嵌套式减振扣件是一种新型的减振扣件，采用子、母铁垫板分体扣压，使板下弹性垫板不受预压，弹性不受损失。扣件竖向静刚度为11～15 kN/mm,动静比不大于1.35。与同类型其他减振扣件相比，其主要特点是扣件高度、钉孔距和普通扣件完全相同，可与普通扣件实现通用互换；其较小的扣件高度使其在本工程条件下具有其他扣件所不具备的优势。

对于水平偏差及轨道结构高度较小等问题，根据需要可适当减薄道床与基底厚度，以及采用薄型短轨枕、增设道心配重凸台等措施进行处理(详见图2)。

图2 组合减振方案的道床设计断面

2.2 组合减振方案的道床动力学仿真计算

采用大型有限元软件建立车辆-轨道-隧道空间耦合模型(见图3)，分析组合减振方案的动力学指标及减振效果。

图3 车辆-轨道-隧道空间耦合模型

1) 车体竖向加速度。图4为车体竖向加速度时程曲线。从图4可以看到，车体振动加速度最大值Amax为0.936 m/s2，满足车体振动加速度限值为1.0 m/s2(即0.1g，g为重力加速度)[8]的要求。

图4 车体竖向加速度时程曲线

2) 轮轨垂向力。由仿真计算结果可知，轮轨垂向力为60～80 kN。由静态垂向力为70 kN可以得出，其垂向力冲击系数较小，为1.08左右。

3) 脱轨系数。由仿真计算结果可知，轮轨横向力最大值为29.38 kN，最大脱轨系数为0.379(见图5)。该脱轨系数小于GB/T 5599—2019《机车车辆动力学性能评定与试验鉴定规范》规定的0.8[9]的限值要求。

图5 脱轨系数时程曲线

4)轮重减载率。由图6可知，轮重减载率最大为0.059，满足GB/T 5599—2019《机车车辆动力学性能评定与试验鉴定规范》规定的0.6的限值要求。

图6 轮重减载率时程曲线

5) 振动加速度及减振效果。在减振垫道床和短轨枕基础上铺设嵌套式减振扣件或普通扣件的钢轨和隧道壁的振动加速度级对比如图7和图8所示。通过频域分析可见，钢轨振动加速度在160 Hz时有较明显的振动峰值，嵌套减振扣件与普通扣件的峰值频率基本相同。但在实车振动测试中，在400 Hz以下并未发现钢轨有明显的振动峰值。与铺设普通扣件的橡胶减振垫相比，组合减振方案减振效果在6.07 dB左右。

图7 钢轨振动加速度级对比

图8 隧道壁振动加速度级对比

3 实车减振效果测试

为进一步验证组合减振方案的减振效果，进行了实车测试[10]，主要测试不同断面钢轨、道床和隧道壁的竖向振动加速度。测试中选择了3处分别铺设减振垫浮置道床、橡胶减振垫道床和普通道床地段进行同条件对比。这3处地段的线路条件和车速基本相同，全部位于半径为350 m的曲线上，实际车速为60 km/h。其中，隧道壁竖向振动加速度测试结果如图9所示。

图9 实测隧道壁竖向振动加速度级对比

经对测试结果进行换算，与普通道床相比，橡胶减振垫道床可减振12.8 dB(Z振级)；采用嵌套式减振扣件的减振垫浮置道床可减振16.9 dB(Z振级)。实车测试时车辆在小半径曲线的车速偏低，对减振效果稍有影响。

4 结语

本文通过仿真分析，对某地铁工程采用嵌套式减振扣件与减振垫相匹配的组合减振方案进行了行车安全性和稳定性等多项指标的计算；仿真计算结果中各项指标均可满足规范要求。

通过实车测试，采用嵌套式减振扣件的组合减振方案的隧道壁处减振效果可达16.9 dB(Z振级)。

关于轮轨力及安全性指标的实车测试目前尚未进行，与仿真计算结果的符合程度尚有待验证。但本工程从试运行到通车至今，已实际运营超过2年，采用组合减振地段的行车平稳，未见轮轨异常磨耗以及居民因环境振动而投诉。这基本可以说明，采用组合减振方案的效果良好。

20世纪90年代，国内某地铁曾发生过减振扣件和弹性短轨枕两种减振措施组合使用而导致振动增加的情况，因此行业内一般认为2种不同形式的减振措施不宜组合在一起使用。但本工程的组合减振方案，采用的是两种不同原理和不同等级减振措施的组合，其中减振扣件主要靠扣件弹性进行减振，其固有频率一般在31.5～40.0 Hz，主要降低高频振动；橡胶减振垫主要是靠弹性进行隔振,其固有频率一般在14 Hz左右，主要降低低频振动。本工程组合减振方案中2种措施的固有频率相差较多，相互之间可起到补偿作用，不易引起振动叠加。类似措施在香港地铁马鞍山线上已有良好的应用。本工程作为国内近些年实施的首例组合减振项目，对减振组合进行了初步的尝试，可为后续处理类似问题提供思路。

此外，本文重点对竖向动力学指标做了一些仿真计算和测试，但对横向位移、横向刚度匹配和适应性等未进行深入探讨，后续将陆续开展这方面的对比研究。