地铁车辆段上盖开发道岔减振降噪关键技术研究

2022-04-19韦安祺

铁道勘察 2022年2期

韦安祺

(广州地铁设计研究院股份有限公司，广州 510010)

地铁的快速发展对于缓解交通拥堵、推动城市发展具有重要意义。然而，地铁车辆段一般占地较大、投资高、土地利用率较低，车辆段上盖物业开发有利于充分利用土地资源，提高地铁投资回报率，弥补部分轨道交通建设成本。

车辆段上盖开发物业包括公园绿地、住宅及配套设施、公用建筑等，一般按照JGJ/T 170—2009《城市轨道交通引起建筑物振动与二次辐射噪声限值及其测量方法标准》中2类区域标准进行振动及二次噪声评价[1]。其中，建筑物室内振动限值为昼间不大于70 dB、夜间不大于67 dB;建筑物室内二次辐射噪声限值：昼间不大于41 dB(A)、夜间不大于38 dB(A)。国内某地铁车辆段实测结果表明，列车通过速度为15～20 km/h时，其正上方建筑物振动可达85 dB[2]；若列车运行速度更高，则振动噪声危害更严重。如何解决岔区振动噪声问题，已成为制约车辆段上盖物业发展的关键因素。

为解决上述问题，主要开展以下研究。①针对车辆段振动噪声的特点，综述车辆段上盖物业综合减振降噪措施和轨道减振降噪控制措施。目前，已有结合可动心轨辙叉、减振扣件、枕下垫板、道砟垫、钢弹簧浮置板道床等减振方式。②道岔减振措施大多沿袭高铁区间线路减振方案的设计思路，结合道岔区结构和轮轨关系演化特点，开展更系统精细的理论研究。③在对比国内外道岔减振降噪措施的应用成效基础上，提出车辆段上盖道岔区域减振降噪措施的见解和建议。

1 车辆段振动噪声特点

车辆段和该处轮轨振动噪声主要有以下特点：①车辆段中包含试车线和小半径曲线，列车行驶速度跨度大，振动频带范围宽；②道岔多、钢轨接头集中；③车辆段库外线小半径曲线多；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车辆段大部分区域车速较慢且为空车，地面振动主要为低频，轮轨振动引发的噪声主要为中高频。

2 车辆段减振降噪措施

2.1 车辆段上盖物业综合减振降噪措施

为解决振动噪声问题，可以从振源减振、传播路径减振、建筑物减振3个方面来控制。

(1)振源减振

从源头减少振动源强，可从车辆、轨道、轮轨接触关系等方面入手。吴建忠等指出钢轨无缝化具有减振作用[3]；辜小安等认为，在我国地铁既有的振动控制措施中，减振效果最好的是浮置板道床，轨道减振器次之，各弹性扣件也具有一定的减振效果[4]；Remington等提出，钢轨打磨、增大轮轨接触面积和降低接触刚度可有效降低轮轨噪声[5]。

(2)传播路径减振

振动波传递由轨道结构开始，经隧道基础、周围土体，最后传递到建筑物。传播路径减振是指在振动传递过程中插入隔振元素，进而起到隔振效果。曹志刚等指出，空沟作为传播路径的减振措施是有效的[6]。Perssond等认为加大土层厚度、弹性模量以及深度，可起到显著减振作用[7]；孙旭等采用Comsol Multiphysics软件建立减振型CRTSⅢ型板式无砟轨道有限元模型，对比分析橡胶减振垫采用常量和频变工况下无砟轨道结构自振特性，并采用Winkler弹性地基上四边自由板的振动理论与有限元结果进行验证[8]；高广运等发现，波阻板隔振在均质弹性半空间和层状半空间内均具有较好隔振效果[9]；孙立强等指出，空沟和排桩的减振效果较为理想[10]；谢伟平等认为连续墙加减振材料的减振效果较好[11]。

(3)建筑物减振

建筑物减振是指通过采用相应的减振装置将建筑物隔离，以减小振动对建筑物的影响。徐建提出，在建筑物中可采用房中隔振、基座处隔振、特殊浮置地板等多种减振措施[12]；周裕德等认为连续防振墙作为建筑物减振措施可行，其减振效果可以达到10～20 dB[13]；Talbot提出在建筑物和基础之间设置隔振垫可有效减振[14]。

2.2 车辆段轨道减振降噪控制措施

(1)无缝线路

库内车辆行驶速度慢，其振动来源主要是钢轨接头振动，铺设无缝线路可以消除钢轨接头，从而有效减弱振动影响。

(2)减振道砟垫

减振道砟垫是一种质量弹簧系统，铺设在道砟底部，具有减振效果好，施工方便，耐水、耐磨、耐老化，不影响过轨管线布置等特点。国内大部分进行上盖物业开发的车辆段，其试车线或道岔区多采用减振道砟垫，如广州镇龙车辆段、深圳蛇口车辆段，杭州七堡车辆段等。

(3)减振接头夹板

在列车通过钢轨接头时，减振接头夹板使轮轨接触面由中断变为连续，减轻轮轨冲击，改善轮轨关系。目前，减振接头夹板在福州竹岐停车场、深圳蛇口车辆段、成都地铁1号线等均有应用。

(4)热塑性聚酯高弹性垫板

热塑弹性体材料具有韧性好、回弹性强、耐磨、抗弯曲疲劳以及抗老化的特点。热塑性高弹垫板结构为波浪形，通过挠曲和压缩变形，可有效降低竖向刚度。

(5)双层非线性减振扣件

双层非线性减振扣件为分离式结构，通过两层低刚度弹性垫板产生的压缩变形，降低扣件刚度，从而达到减振目的。在广州石湖停车场、成都崔家店停车场、福州部分车辆基地等，库内整体道床地段得到应用。

(6)高等减振扣件

目前，车辆段内高等减振扣件主要有“轨腰支撑型”“轨底扣压型”两种，均为通过改变扣压方式或弹性垫板内部尺寸结构来提供高弹性，从而达到高等减振目标。

(7)隔离式减振垫浮置板

隔离式减振垫浮置板通过在整体道床底面以及侧面铺满隔振垫，与道床板形成质量弹簧系统，提高系统的参振质量，从而达到减振目的。

(8)梯形轨枕

梯形轨枕是一种轻型化浮置板轨道结构，轨枕由传统的横向铺设改为沿线路方向连续铺设，轨枕下部面积较宽，可以对线路的载荷进行分散，从而减轻对下部构造物的负荷和振动影响。在广州鱼珠车辆段、镇龙车辆段、萝岗车辆段试车线均有应用。

(9)阻尼钢轨

阻尼钢轨由阻尼板、钢轨吸振器两部分组成，同时具备减振、降噪功能。广州地铁在7号线板桥—大学城南区间、5号线鱼珠车辆段及滘口—坦尾高架区间均有应用。

(10)道床吸声板

道床吸声板是一种全天候多孔混凝土吸音板，在深圳地铁、中国香港地铁正线部分地段均有应用。

2.3 车辆段上盖道岔区域减振降噪思考

道岔轮轨冲击和振动噪声来源：①为实现轮载在不同钢轨间的过渡，钢轨截面廓形和降低值变化引起固有结构不平顺；②多轨共用垫板的“帮轨”作用(轮载作用下多股道钢轨共同承载)、尖轨无扣压件和轨下垫层、岔枕和垫板尺寸沿纵向变化导致道岔轨下刚度不平顺；③地铁道岔转辙器、连接部分与辙叉之间的钢轨接头，以及道岔与区间线路间的钢轨接头；④小号码道岔的小半径导曲线；⑤道岔变截面钢轨磨耗和波磨引起的轮轨接触不平顺。

目前，针对车辆段道岔的振动噪声评估的研究相对较少，而地铁地下车站道岔的环境振动测试可为辨识车辆段道岔振动源强提供重要参考。WANG针对成都地铁9号普通整体道床道岔开展振动源强测试，发现列车以38～47 km/h的速度直向通过道岔时，隧道壁最大振动加速度为辙叉区轮轨冲击引起的横向振动，隧道壁垂向和横向振动集中在63～80 Hz范围，转辙器区和辙叉区的道床板垂向振动集中于大于80 Hz范围。随着道岔服役性能变化，相较于服役2年的地铁道岔，服役8年地铁道岔的钢轨磨耗和波磨问题更显著，其道床板垂向振动级增大30%[15]。瑞士联邦铁路公司针对多组导曲线半径为300～1600m的道岔开展测试，距道岔横向8m处诱发的地面振动主频为16～40 Hz，与房屋木地板的共振频率相对应[16]。

国内外采用的道岔减振措施、减振效果及评价见表1。

根据道岔减振部件类型，减振措施可分为4类。①将固定辙叉替换为可动心轨辙叉，欧洲的实测结果表明其最大减振效果约6 dB，说明道岔振动噪声的来源不仅仅包括轮载过渡引起的轮轨冲击。②扣件减振：适用于中等减振区段，振动噪声一般可降低8 dB；需提升扣件橡胶的耐油性，以适应地铁道岔可动轨件涂油维修的服役环境，还需提升扣件系统的耐疲劳性，以及其易更换性。③枕下垫板和道砟垫：枕下弹性垫板和道砟垫分别在32～40 Hz和8～20 Hz范围内振动减弱；因测试对比结果受道岔对照组选取、测试场地土层条件、道岔服役状态的影响，在不同频段范围内，多组测试的减振效果一致性较低，故尚未能对枕下垫板和道砟垫的减振效果进行量化评价。欧洲多家铁路局的应用经验表明，枕下垫板的面刚度越低，减振效果越好[16]；应探究垫板刚度与轨道几何形位保持间的映射关系，避免因刚度过低导致道岔部件位移过大和车轮撞击尖轨的风险；针对车辆段常用的有砟道岔，需考虑枕下弹性垫板对道床阻力的影响，保障弹性轨枕强度和道床结构稳定性。④钢弹簧浮置板道床：适用于高等和特殊减振地段；需探究钢弹簧浮置板共振频带是否与地铁道岔的频响特性、轮轨关系演化后岔区轮轨动态响应的时频特性发生重合，以避免轮轨系统模态共振而放大振动。

表1 国内外道岔减振措施对比

综上所述，地铁道岔减振措施大多是继承高铁区间线路减振方案，并针对道岔轨下刚度均匀化、扣件系统的减振刚度控制及其易维修性开展优化设计；在结合道岔结构特点和轮轨关系演化的基础上，还有进一步设计提升空间。针对车辆段道岔的服役条件，提出以下道岔减振的建议措施。

(1)道岔调谐质量阻尼器(TMD)

长沙中低速磁浮采用基于模糊控制理论的多重TMD，解决由车轨共振导致的道岔梁振动超限问题[23]。目前，地铁区间线路已逐步应用阻尼钢轨和动力吸振器钢轨，主要针对单一频率减弱其相应的振动响应。然而，道岔结构不仅部件繁多(如钢轨之间的间隔铁、限位器、顶铁、转辙机连杆等连接部件)，而且具有几何非线性(钢轨变截面)、约束非线性(滑床台板只为可动轨件提供支撑力而不提供拉力、轮载作用下钢轨密贴状态等)和材料非线性(胶垫材料温变和频变特性)，其道岔结构频响特性较复杂。亟需辨识地铁道岔结构在轮载作用下的共振频带，并针对多重TMD的阻尼比及其与道岔结构的固有频率比开展参数优化设计，从而避免TMD对道岔振动起放大的反作用，还需研发覆盖道岔多个典型共振频带的多重TMD减振系统。

(2)无缝道岔

道岔内部、道岔与区间线路间的接头是道岔振动与噪声的重要来源之一；钢轨焊接后不易更换，不适用于地铁道岔更换频繁的运维现状。因此，可在地铁道岔中推广试用冻结接头，其通过高强螺栓连接钢轨，易更换性较强。同时，参考高寒地区高速道岔设计新型技术，开发地铁用新型钩型锁闭机构，使锁闭钩可在销轴一定长度内纵向平动，以适应尖轨大伸缩量[24]。

(3)道岔钢轨打磨

在道岔转辙器区，轮载作用下基本轨与尖轨之间会发生相对运动，两者形成的组合廓形发生动态重构；固定辙叉中，翼轨与心轨的组合廓形沿纵向变化梯度大；设计打磨流程时，不宜参考区间线路的等截面钢轨，应按照特定的打磨角度和深度而循环往复打磨。瑞士BLS货运股份公司在打磨道岔后，其振动响应在31.5～80 Hz范围内显著增大，在其他频段内与打磨前响应相似。目前，我国大部分道岔只有发现裂纹萌生后，才开展修复性打磨。因此，亟需结合车辆-道岔耦合动力学，基于代理模型技术和多目标优化算法，开展兼顾轮轨低动力、行车持稳、钢轨延寿的多目标打磨廓形设计。

(4)钢轨层流等离子强化

钢轨层流等离子强化技术已在重载道岔、编组站道岔中试用，在不显著降低钢轨材质韧性的基础上，增强道岔钢轨表面硬度和耐磨性，钢轨服役寿命可延长3倍以上；另外，该技术已在广州地铁22号线陈头岗车辆段、南京地铁的9号道岔中试用。不同于表1的辙叉爆炸预硬化技术，该技术可应用于道岔转辙器曲尖轨、导曲线钢轨的材料强化，从而保障轮轨关系演化不显著偏离道岔设计状态，间接降低道岔轮轨振动噪声。