城市轨道交通上盖开发车辆段7号可动心轨辙叉道岔减振降噪性能研究

2022-04-19刘树松柏成林吴思行

铁道勘察 2022年2期

郭骁刘树松柏成林董波吴思行骆焱

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055; 2.青岛地铁集团有限公司运营分公司，青岛 266001; 3.青岛地铁集团有限公司第三建设分公司，青岛 266100)

1 概述

目前，我国正处于城市轨道交通快速发展时期，各大城市轨道交通建设规模不断扩大，规划、在建、运营里程日益攀升。城市轨道交通车辆段由于占地面积大、土地利用率低等原因，与日益稀缺的城市土地资源之间产生难以调和的矛盾。为充分合理利用车辆段地上空间，开发“新型土地资源”，实现城市轨道交通与商业、办公以及住宅等各类物业的有机融合，车辆段物业开发已成为一项重要举措。截至目前，国内已建成上盖物业开发车辆段30余处，规划或在建已超过100处[1-3]。

然而，车辆段内列车运行会产生振动、噪声，已成为制约上盖物业开发的关键因素。车辆段内运用库、检修库、咽喉区以及试车线等来往车辆频繁，其中咽喉区是列车从正线出入各库的必经区域，相较于正线，该处存在大量道岔有害空间和钢轨接头，且多为小半径曲线，列车通过时会引起较大的振动和噪声，严重影响上盖建筑物居住者的舒适感。

为提高上盖开发品质，车辆段建设时，需采取针对性减振降噪措施[4-7]。对于轨道结构，减振降噪措施有减振接头夹板、道砟减振垫、轨枕弹性垫、库内减振扣件、钢轨阻尼谐振器、浮置板道床等[8-10]；对于建筑物，减振降噪措施有隔振垫、隔声窗等[11-14](见表1)。但这些措施多为面向传播途径和受振体，而轮轨振动与摩擦、钢轨接头及道岔有害空间处轮轨冲击是振动噪声主要来源(见表2)，故以上措施没有从振源上控制和解决问题，实际应用效果不佳。

表1 国内典型车辆段上盖物业轨道减振降噪措施

表2 车辆段振动噪声源分布

针对此，提出一种面向振源的上盖开发车辆段无缝化减振降噪技术理念，做到振源减振，并实现减振降噪路径全覆盖。

城市轨道交通车辆段库外线多采用50 kg/m钢轨7号固定道岔，其固有的结构不平顺是车辆段噪声与振动的主要来源，结构不平顺主要包括尖轨活接头结构和固定型辙叉的有害空间。对于尖轨活接头结构，因道岔功能需要，尖轨跟端无法实现焊接或冻结，从而造成接头处的轮轨附加动力响应较大(为正常轮载的2～3倍)，而固定辙叉轨线不连续，存在有害空间，车轮通过时重心经过下降和抬高的过程，是道岔乃至整个轨道中轮轨冲击和振动最大的部位，一般车辆通过辙叉时产生的附加轮轨力和振动是静轮载的1.5倍以上，成为道岔最大的振动和噪声来源[15-20]。

道岔转辙器采用弹性可弯尖轨，辙叉采用可动心轨辙叉，可消除钢轨接头和有害空间，是降低道岔区振动噪声的有效措施。

2 可动心轨辙叉道岔结构特点

(1)一般结构

道岔不设轨底，道岔前后设顺坡垫板过渡。道岔转辙器部分设置1个牵引点，电务转换设备按联动内锁闭设计；道岔心轨设1个牵引点，采用钩形外锁闭装置(见图1)。

图1 可动心轨辙叉整体组装示意

(2)转辙器结构

尖轨弹性可弯跟端采用间隔铁结构，基本轨外侧设置轨撑。

(3)可动心轨辙叉

可动心轨辙叉采用双肢弹性可弯结构，长、短心轨采用60AT1钢轨制造，心轨跟端机加工成50 kg/m钢轨形式，扳动过程中，长短心轨间采用心轨错动装置，在两心轨错动时减少摩擦力来实现两轨之间的纵向错动，进而减小心轨在扳动过程中的扳动力(见图2)。

图2 心轨错动装置

翼轨采用整铸式高锰钢摇篮结构，通过闪光焊与50 kg/m钢轨连接，形成整体框架，翼轨跟端用间隔铁与心轨联结(见图3)。

图3 翼轨跟端间隔铁

直侧向均设置护轨，采用UIC33槽形钢，护轨垫板为组合焊接垫板，提高抵抗横向力能力，护轨基本轨内侧采用弹性夹扣压。

3 减振降噪效果对比测试

为对比车辆段碎石道床50 kg/m钢轨7号固定型辙叉单开道岔与50 kg/m钢轨7号可动心轨辙叉单开道岔振动噪声特性差异，在某车辆段进行可动心道岔试铺，并进行现场测试。

3.1 评价指标

根据《城市区域环境振动测量方法》[21]，选取列车通过时监测区域受环境振动影响最大的时段进行测量，评价量为最大Z振级VLzmax，频率范围为1～80 Hz。根据《环境影响评价技术导则》 (城市轨道交通)[22]，地面线振动测点应将振动传感器置于距邻近线路中心线7.5 m处，距建筑物水平距离3 m以上。

根据《声环境质量标准》[23]，A声级能够较好地反映人耳对噪声的强度和频率的主观感觉，评价量为等效连续A声级LAeq，频率范围一般为20～20 000 Hz。现场噪声测点共布置3处，轮轨噪声测点布置在轨旁位置，距轨面1.2 m高；噪声源强测点布置在距邻近线路中心线水平距离7.5 m的地面、距轨顶面以上3.5 m处，为配合噪声方面理论研究，第三个测点布置在距邻近线路中心线水平距离7.5 m的地面、距轨顶面以上1.2 m处。

3.2 测点布置与测试工况

(1)辙叉振动加速度

列车通过道岔区的振动主要集中在有害空间位置，故选取36-37号枕中间的位置布置钢轨垂、横向加速度测点，测点位置见图4，共计2个加速度测点。

图4 辙叉咽喉位置测点(以可动心轨为例)

(2)轨枕振动加速度

轨枕振动加速度测点位于36号轨枕(固定型辙叉)或37号轨枕(可动心辙叉)直股和曲股中心位置轨枕上表面，见图5，共计2个垂向加速度测点。

图5 测点平面位置示意

(3)路基(振源处)垂向加速度测点

路基垂向加速度测点应设置在与36号枕(固定型辙叉)或37号枕(可动心辙叉)位于同一横断面的路基面上，加速度传感器设置在距离线路7.5 m位置，共计1个测点。

(4)环境噪声测点

噪声测点设置在与心轨位于同一横断面的路基上，位置距岔线中心线水平距离7.5 m、距轨顶面分别1.2 m、3.5 m(噪声源强处)两处，以及与轨顶面平齐的轨旁位置(需在限界外)，共计3个测点。

道岔测点汇总见表3。

表3 道岔测点汇总

4 数据分析与对比

以某组测试数据为例，车辆以10 km/h分别通过固定型道岔和可动心道岔时，钢轨、轨枕、地面振动及噪声对比时程曲线见图6～图9。

图6 心轨钢轨垂向加速度

图7 直股侧轨枕垂向加速度

图8 地面7.5 m处垂向加速度

图9 轨旁噪声

4.1 减振效果对比分析

对本次测试数据进行数理分析和统计，得到分别铺设固定型道岔和可动心轨道岔时各位置的振动情况见表4，表中数据为行车5次得到的平均值，地面数据为距离岔线中心线7.5 m位置的测试结果。

根据表中数据分析得出以下结论。

表4 固定型道岔与可动心轨道岔结构振动数据分析对比

(1)车辆以10 km/h、15 km/h逆向通过道岔直股时，可动心轨道岔翼轨垂横向加速度、直股及曲股轨枕垂向加速度均小于固定型道岔，且曲股轨枕加速度减小最为明显，均减小约95%；车辆以10 km/h、15 km/h逆向通过道岔曲股时，可动心轨道岔各项指标，相较于固定型道岔均有所减小，且翼轨垂横向加速度、曲股轨枕垂向加速度减小较为明显。

(2)随着通过速度的增大，轨道结构的振动加速度值、环境振动值随之增大。

(3)相较于固定型道岔，可动心轨辙叉根据行车方向实现扳动密贴，可消除有害空间(约465 mm)，轮轨接触时轨形连续，降低心轨处轮轨冲击作用，翼轨垂向振级明显减小。车辆通过直股，车速为10 km/h时翼轨垂向振动减小4.12 dB，15 km/h时振动减小5.09 dB；车辆通过曲股，车速为10 km/h时翼轨垂向振动减小9.63 dB，15 km/h时振动减小12.14 dB。

(4)相较于固定型道岔，铺设可动心辙叉道岔时，地面源强处(距岔线中心线7.5 m)减振效果明显。车辆通过直股，车速为10 km/h时减振2.16 dB，15 km/h时减振2.5 dB；车辆通过曲股，车速为10 km/h时减振2.32 dB，15 km/h时减振2.68 dB。随着速度的增大，可动心辙叉道岔减振效果可进一步提升。

4.2 降噪效果对比分析

分别铺设固定型道岔和可动心轨道岔时轨旁噪声和环境噪声值见表5，表中数据为行车各5次得到的平均值，环境噪声值为距岔心中心线水平距离7.5 m、距轨顶面分别为1.2 m、3.5 m(噪声源强处)的测试结果。

由表5可知，相较于固定型道岔，可动心辙叉道岔对轨旁噪声和环境噪声(距线路中心线7.5 m，距轨面分别为1.2 m和3.5 m高)降噪效果明显。车辆通过直股，车速为10 km/h时，轨旁噪声降低4.05 dB(A)，环境噪声分别降低4.58 dB(A)和5.06 dB(A)；车速为15 km/h时，轨旁噪声降低4.11 dB(A)，环境噪声分别降低4.65 dB(A)和5.13 dB(A)。车辆通过曲股，车速为10 km/h时，轨旁噪声降低4.24 dB(A)，环境噪声分别降低4.64 dB(A)和4.95 dB(A)；车速为15 km/h时，轨旁噪声降低4.31 dB(A)，环境噪声分别降低4.78 dB(A)和5.09 dB(A)。

表5 固定型道岔与可动心轨道岔噪声数据分析对比

4.3 仿真分析

场段库外线最大行车速度、7号道岔侧向允许通过速度均为25 km/h，受场地线形条件限制，试验段车辆行驶最高时速为15 km/h，为研究25 km/h行车条件下，可动心轨道岔的减振降噪效果，建立道岔-路基-土体有限元动力分析模型，见图10。

仿真分析表明，车速为25 km/h逆向进岔时，相较于固定型道岔，车辆通过可动心轨道岔直股，地面源强处(距岔线中心线7.5 m)减振3.58 dB，轨旁噪声降低4.63 dB(A)，环境噪声分别降低5.19 dB(A)和5.63 dB(A)；车辆通过曲股时，地面源强处减振3.70 dB，轨旁噪声降低4.75 dB(A)，环境噪声分别降低5.26 dB(A)和5.87 dB(A)。