城市轨道交通轨道振动噪声成因及整治措施研究

佘才高，曲 村，郑 军，王 宇，孙大新，徐寿伟

(1.南京地铁集团有限公司，南京 210008；2.北京城建设计发展集团股份有限公司，北京 100037；3.北京市轨道结构工程技术研究中心，北京 100037；4.城市轨道交通绿色与安全建造技术国家工程实验室，北京 100037；5.北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044)

随着我国经济实力的不断提高，各大主要城市的轨道交通正在迅猛发展。四大超一线城市(北京、上海、广州、深圳)以及众多新一线城市(如成都、武汉、南京、重庆等)的轨道交通相继开始网络化运营[1-8]。城市轨道交通作为大中城市的重要标志，在人们的日常出行中起到了至关重要的作用。截至2020年年底，我国大陆地区已有44座城市、共计233条线路建成或投入运营，总里程达7 545.5 km。

由于城市轨道交通线路主要兴建于建筑物与人员密集的城市中心地带，轨道线路走向或埋深设计常常难以绕避一些环境振动敏感点。由城市轨道交通地下线路列车运营引发的振动及二次结构噪声问题，严重时可能会影响到沿线居民的身心健康，也会加剧轨道结构的病害程度，已成为轨道交通发展中一个亟待解决的问题。

本文针对我国城市现有轨道交通地下线路列车运行引起的环境振动及二次结构噪声问题，根据国内相关城市的调研情况，总结归纳出轨道振动噪声的主要产生原因，并提出具有针对性的整治方案；对轨道减振降噪的整治措施进行了评估分析，探讨了整治方案的合理性，并提出轨道减振降噪的运维建议。

1 振动噪声成因分析及主要整治方案

1.1 成因分析

通过对我国各大城市现有轨道交通地下线路进行调研，总结归纳出轨道振动噪声的主要产生原因如下。

1)钢轨波磨

近年来，我国大部分城市轨道交通线路的钢轨波磨现象越来越普遍[9]。轨道线路现场部分小曲线地段存在钢轨波磨病害，波长基本在20～50 mm，属于短波波磨，钢轨波磨如图1所示。钢轨波磨会导致轮轨关系恶化，加剧轮轨系统中的高频振动，产生振动和噪声，同时影响行车安全和乘坐舒适性，造成运营安全隐患。研究表明，影响钢轨波磨的因素众多，如钢轨共振、钢轨扣件刚度过小、钢轨不平顺、轨道几何形位不良、轨枕间距过大、行车速度高和钢轨材质缺陷等[10]。根据现场调研情况，在所有居民投诉的敏感点中，关于钢轨波磨问题的敏感点数量占投诉敏感点总数量的2/3。

图1 钢轨波磨

2)钢轨焊接接头不平顺

钢轨之间及道岔区的焊接接头是其最薄弱的环节之一，现场部分地段存在钢轨焊接接头不平顺的问题，钢轨接头不平顺如图2所示。由于焊接方式、焊缝材质、廓形打磨等多方面因素的影响，车轮多次经过钢轨焊接接头后，两端的钢轨接头将产生错位，导致钢轨焊接接头不平顺[11]。车轮经过钢轨焊接接头错台处，会不断地撞击钢轨接头，加速不平顺的发展，也会影响到行车的安全，造成更大的振动与噪声[12]。

(a)焊接接头不平顺

3)其他原因

(1)轨道减振级别设置偏低。对应线路并未采取减振措施或减振级别设置偏低，导致敏感点振动噪声值偏大。

(2)轨道病害或状态不良。存在扣件脏污或板结、道床沉降以及轨枕与道床剥离等问题。

(3)地质条件的影响。部分地段虽距离线路较远，超出了环评预测的范围，但由于该处敏感点对应的地质以中风化泥岩为主，振动的衰减小，因此反而造成了振动超标。

(4)房屋结构体量小。例如房屋结构为4～6层的砖混/钢混结构的敏感点，房屋体量小，容易产生激振和共振激发振动，设计中应引起足够重视。

1.2 主要整治方案

城市轨道交通轨道振动噪声的整治方案宜遵循先易后难、分步实施的原则，既要降低既有线路改造的难度，又要确保方案安全可靠，并具有良好的整治效果。基于上述原则，提出的整治方案如下。

1)提高轨道平顺性

其包括钢轨打磨和对钢轨焊接接头状态不良地段的整治等。钢轨打磨现场如图3所示。

图3 钢轨打磨现场

2)提升轨道减振降噪等级

针对敏感点对应线路采用了普通扣件或减振扣件，但扣件刚度值有衰减的区段，拟采用针对原位扣件设计的分体嵌套式减振扣件[13]进行替换，替换用分体嵌套式减振扣件如图4所示。此方案不仅无需改变既有轨枕的尺寸、钉孔位置和轨面高程，也能利用既有扣件的零部件(如弹条、螺栓、轨距块等)，技术经济性好。对于整治方案实施后，振动噪声效果评估仍然偏大的敏感点，则应进行道床类改造方案的研究。

图4 替换用分体嵌套式减振扣件

3)减缓钢轨波磨

其包括安装钢轨阻尼降噪装置[14]、轨顶涂覆装置等。钢轨打磨及减振扣件原位替换实施完成后，运营部门应密切关注曲线地段钢轨波磨的发展情况，并择机启用钢轨阻尼降噪装置[如调频式钢轨阻尼器(TRD)或迷宫式钢轨阻尼器(TMD)]、轨顶摩擦控制装置等以延缓钢轨波磨的发展。调频式钢轨阻尼器如图5所示，轨顶摩擦控制装置如图6所示。若上述整治效果评估后仍存在振动噪声超标的敏感点，可考虑道床类的改造方案。

图5 调频式钢轨阻尼器

图6 轨顶摩擦控制装置

2 整治措施评估分析

1)钢轨打磨

既有研究表明，通过对城市轨道交通钢轨进行打磨，可以使钢轨表面的不平顺状态得到显著改善，并且能够缓解钢轨波磨情况，使隧道壁振动加速度和轨道结构振动响应均降低4 dB以上，说明钢轨打磨措施对减振有效[15]。

在城市轨道交通小半径曲线地段，常采用U75V钢轨以减缓钢轨波磨。此外，还可以通过采用重型钢轨和降低钢轨高度、定期镟轮等方式有效抑制钢轨振动。

2)替换分体嵌套式减振扣件

分体嵌套式减振扣件采用子母铁垫板嵌套式减振扣件的结构，分体嵌套式减振扣件结构示意如图7所示。经线上测试，分体嵌套式减振扣件减振效果约为7 dB。该扣件组装高度、钉孔距与普通扣件完全相同，是目前可分离式压缩型减振扣件中唯一一种组装高度与普通扣件一致的减振扣件。将普通扣件更换为分体嵌套式减振扣件后，轨道结构高度不会产生变化。

图7 分体嵌套式减振扣件结构示意

分体嵌套式减振扣件目前在合肥地铁1号线、重庆地铁10号线、西安地铁4号线、西安地铁5号线等新线建设中已有应用；在南京地铁1号线珠江路站、北京地铁6号线青年路—褡裢坡区间的减振改造工程中也有应用。南京地铁1号线珠江路站减振改造用嵌套式减振扣件如图8所示。

图8 南京地铁1号线珠江路站减振改造用嵌套式减振扣件

鉴于分体嵌套式减振扣件在安装尺寸、零部件数量、减振效果、经济性及安装便利性等方面相较其他减振扣件具有较大优势，且原位替换的工作量较小，其已得到了多个城市地铁运营部门的认可，目前北京、杭州等城市的部分振动噪声投诉地段已采用此方案。分体嵌套式高弹扣件可实现与原位替换扣件的组装高度及钉孔距等完全一致，且尽可能地与原位扣件的零部件(如道钉、弹条、轨距块、螺栓等)做到通用，便于今后的养护维修。

3)安装钢轨阻尼降噪装置

钢轨阻尼降噪装置包括调频式钢轨阻尼器和迷宫式钢轨阻尼器等。其中，调频式钢轨阻尼器由减振体(包括弹性体和金属质量块)和金属卡组成[16]。弹性体、质量块和金属卡一起构成了“阻尼—质量—弹簧”减振系统，也相当于沿钢轨纵向附加了一系列分布式质量调谐阻尼耗能器。

重庆地铁1号线在下行线靠近较场口站的小半径曲线路段设计安装了钢轨阻尼降噪装置，并在相同半径曲线处的上下行线的车厢内进行了噪声测试。安装钢轨阻尼降噪装置的下行线路段较未安装的上行线路段车厢内噪声下降了7.8 dB(A)，并对波磨发展有明显的延缓作用。

4)安装轨顶摩擦控制装置

轨顶摩擦控制装置的作用机理为：安装在轨侧的装置自动向钢轨顶面喷涂摩擦调节材料，在钢轨顶面形成一层稳定的薄膜，可使轨顶和车轮踏面接触的界面保持一定的摩擦系数(0.3～0.4)[17]和正摩擦特性，该摩擦系数可同时保证列车牵引、制动所需要的黏着系数。

2009年10月，北京地铁5号线于一对存在钢轨波磨的反向曲线段前安装了轨顶摩擦控制装置。列车通过第一个右向曲线段(R=696.4 m)，然后通过第二个左向曲线段(R=603.6 m)。近5个月的监测结果表明，已经形成的钢轨波浪磨耗几乎没有变化，说明轨顶摩擦控制装置可以延长波浪磨损的形成周期，因而可以有效降低噪音、延长钢轨打磨周期。

2016年，南京地铁1号线在双龙大道—南京南站区间上行曲线安装轨顶摩擦控制装置后，进行了6个月的跟踪测试，中途将涂敷量降为正常涂敷量的50%，进行了对比试验。试验表明，安装轨顶摩擦控制装置不会影响车辆的正常制动；同时减少了小半径曲线波浪磨耗80%以上，延长钢轨打磨周期一倍以上；轮轨噪声降低了12 dB(A)。

5)其他措施

除了以上的几项措施外，还可以采取的整治措施如下。

①改善车辆条件；②控制地铁设备噪声源；③降低振动源的固体传播；④增加地表减振措施；⑤选择地铁车站周边的建筑物结构类型。

3 结论

本文针对城市轨道交通轨道振动噪声问题，根据现场对轨道的调研和总结，归纳出振动噪声的主要产生原因，包括钢轨波磨、钢轨焊接接头不平顺、轨道减振级别设置偏低等；并提出了相对应的整治方案，包括：提高轨道平顺性、提升轨道减振降噪等级和减缓钢轨波磨等。具体整治措施包括钢轨打磨、替换分体嵌套式减振扣件、安装钢轨阻尼降噪装置、安装轨顶摩擦控制装置等。

除轨道外，还可从改善车辆条件、控制地铁设备噪声源、降低振动源的固体传播、增加地表减振措施、周边建筑物结构类型的选择等方面采取相应的措施降低振动和噪声的影响。

以上各项整治方案需结合城市轨道交通新建线及运营线的需求，结合工程实际情况，通过技术经济比选后择优选用。