梯形轨枕作为高等级轨道减振措施的应用性分析

江 楠

(北京市生态环境保护科学研究院，北京100037)

1 引言

轨道交通作为一种现代化的交通工具，以其快速、准时、安全、舒适及装载容量大等优点在城市交通中起着重要的作用。随着国内各大主要城市地铁进入网络化建设和运营阶段，以及公众对自身生活环境要求的不断提高，因地铁列车通过时产生的振动影响日渐突出。为控制地铁振动及其衍生的二次结构噪声，采取轨道减振、隔振沟、隔振墙、建筑物防护等多项控制措施可降低影响，但在实际操作中，以轨道减振最为有效，也最便于实施。常用的轨道减振措施大致分为扣件、轨枕和道床三类[1]，梯形轨枕属轨枕类减振措施。

目前在轨道交通项目环境影响评价中，轨道减振措施的减振性能主要依据厂家提供，缺失其实际效果的监测与分析，这就造成在选用减振措施时可能无法满足实际需要的减振量，或因产品自身特点给运营带来新的危害。通过对北京已运营地铁线路采用梯形轨枕区段的振动测试数据，并结合梯形轨枕在耐久性、应用特性等方面的问题，分析了梯形轨枕的实际

减振性能及轨道区段的适用性，为城市轨道交通环境影响评价中减振控制措施的合理确定提供技术依据，特别是梯形轨枕的应用原则。

2 梯形轨枕轨道系统构成及技术特点

2.1 梯形轨枕系统

梯形轨枕又称纵梁式轨枕，是在传统横向轨枕、双块式轨枕、双向预应力的板式轨道和框架板轨道的基础上演变而来，将板式轨道的双向预应力结构改进成由PC制的纵梁和钢管制的横向联接杆构成[2]，从而消除了枕中负弯距，取消横向预应力，形成独特的“纵向预应力梁+横向钢连杆”框架结构，消除了横向预应力[3]，简化了轨道结构和制造工艺。

2.2 梯形轨枕综合技术特点

2.2.1 主体结构长效耐久

梯形轨枕的纵梁为预制的预应力混凝土结构，按不开裂设计，正常使用状态的疲劳设计荷载及极限破坏荷载的荷载系数分别取为2倍、5倍，主体结构可达100年的使用寿命。

2.2.2 减振垫及主体结构可更换

梯形轨枕为纵梁+横向连杆的预制结构，通过简单工装抬升轨枕，即可非常方便的实现减振垫或主体结构的更换，其配套减振垫采用聚氨酯发泡材料[4]，可靠使用寿命约30～40年。

2.2.3 轨道高度及减振性能可调整

由于梯形轨枕与现浇的整体道床之间并不固定，梯形轨枕的限位是通过减振垫及缓冲垫板来实现，故可通过调整梯形轨枕底部的垫板高度实现轨面标高的调整。

2.2.4 验收及检查维修无隐蔽性

梯形轨枕的减振垫清晰可见，便于随时检查、更换或调整；轨道的排水沟断面宽，且为明沟，便于随时检查和清理，从而杜绝轨道运营维护阶段的危害和风险。

2.2.5 施工安装便捷可靠

梯形轨枕通过工厂预制的方式，减少或简化了现场施工组装、调整和检查等工序，铺轨速度可大于100 m/d，比同等级减振轨道结构的施工效率提高30%～45%。

2.3 梯形轨枕的减振特性

轨道交通地下线(地铁)振动是由于列车在隧道内行驶过程中，车轮在钢轨上的滚动与撞击作用而激发轨道结构振动，经钢轨、扣件、轨枕、道床向隧道结构传递，再经隧道结构通过土壤层传递至表层土壤，并通过表层土壤向邻近的建筑物传播，从而激发地面建筑物的振动响应，以至对沿线邻近区域产生振动干扰[5]。

梯形轨枕系统是由减振垫、2个预应力混凝土纵梁及其联接杆件、横纵向限位件组成，见图1。整个系统形成双弹性叠合梁，一方面增大了轨道抗弯刚度，扩大轮轨力分布范围，改善轮轨动力学性能[6]；同时，框架式构造可确保高精度的轨距和轨底坡，实现高质量的轨道平顺性，从而起到主动隔振和降低噪声的作用；另一方面由点支撑的减振垫形成了轻型的质量弹簧系统，也起到减振作用[7]。

图1 梯形轨枕系统的减振构成

3 梯形轨枕轨道减振测试

3.1 北京地铁9号线

3.1.1 监测断面

北京地铁9号线在七里庄站至六里桥站段设置有梯形轨枕，选取该区段列车运行匀速位置为梯形轨枕监测断面，同步在未采用轨道减振措施段选取对照监测断面，监测断面见表1。

表1 监测断面选取

3.1.2 Z振级监测结果

两个监测断面的道床及地铁振动源强隧道洞壁处最大Z振级[8](VLZmax)见表2，具体减振效果见表3。

表2 监测断面Z振级监测结果 dB

表3 梯形轨枕减振效果

3.1.3 频谱分析

梯形轨枕监测断面道床测点和洞壁测点的振动加速度时域频谱见图2和图3。

图2 梯形轨枕道床垂直振动加速度时域与频谱

图3 梯形洞壁垂直振动加速度时域与频谱

环境振动水平一般常以加速度1/3倍频程的振动进行评价[9]，梯形轨枕及对照的普通轨道在道床和洞壁测点振动加速度时域的1/3倍频程谱见表4。

表4 梯形轨枕与普通轨道道床、洞壁振级平均值 dB

梯形轨枕监测断面道床测点在16 Hz以后频段减振效果比较明显，在低于16 Hz频段梯形轨枕监测断面与对照监测断面有重叠现象，减振效果不明显；洞壁测点在40～100 Hz频段减振效果明显，在63 Hz附近达到峰值，在低于40 Hz和100～200 Hz频段减振效果存在放大效应，见图4和图5。

图4 梯形轨枕断面道床、洞壁振级分析

图5 普通整体道床道床、洞壁振动分析

3.2 北京市其他地铁线路

北京市除地铁9号线外， 4号线、5号线、大兴线、10号线等多条已运营的线路均有使用梯形轨枕作为中、高等级减振措施，包括高架线及地下线，在振动源位置对比效果监测得到同线路条件下梯形轨枕的Z振级减振量，见表5。

表5 不同线路梯形轨枕减振效果 dB

4 梯形轨枕使用中存在的问题

梯形轨枕虽然有良好的轨道减振效果，但在实际运营中依然存在问题，特别是在北京地铁4号线R400 m曲线半径下易发生轨道异常波磨[10]，并产生较明显的轮轨振动机噪声，从而直接影响到梯形轨枕的减振效果。

北京地铁4号线轨道减振段总长26.2 km[11]，波磨段长约11.78 km，其中在设置梯形轨枕的路段发生波磨主要位于新街口R350 m曲线段和北京南站R400 m曲线段[12]。分析波磨的主要原因有：

(1)所采用的扣件稳定性较差，持轨能力不足，轨头异常翻转，扣件的锯齿垫块都发生了问题，测试的钢轨动态水平位移达到±8 mm，见图6。

(2)由于地铁铺轨工期紧，无钢轨下料条件，现场最后通过盾构井运送12.5 m钢轨进行铺设，造成轨道焊接质量欠佳，平顺性不好。

(3)地铁线路开通运营初期运量大，轮轨与轨枕之间未充分“磨合”。

图6 梯形轨枕小半径曲线段扣件状态及钢轨横向动态变形

5 环境影响评价中对梯形轨枕的应用

5.1 各类轨道减振措施减振等级

目前关于轨道减振措施效果的评价，尚无标准规范。对于环境影响评价中要求的减振效果，依据《城市区域环境振动标准》(GB10070-88)和《城市区域环境振动测量方法》(GB10071-88)规定，采用1～80 HZ频率范围内的铅垂向Z振级插入损失值，作为减振措施效果评价量[13]。

现有的北京市地铁线路主要采用的减振措施有：钢弹簧浮置板道床、弹性支撑块、梯形轨枕、先锋扣件、LORD扣件、Ⅲ型轨道减振器扣件等，其中钢弹簧浮置板道床列为特殊减振，先锋扣件、LORD扣件、梯形轨枕列为高等级减振，Ⅲ型轨道减振器扣件、弹性支撑块则列为中等减振[14]。

5.2 梯形轨枕的应用

从地铁线路减振措施的可施工性、可维护性、使用寿命、实际减振效果、综合投资等多方面分析[15]，梯形轨枕比较适用于采取一般减振的地段，具体应用须考虑可能产生的异常波磨。

在轨道交通建设项目环境影响评价中轨道减振措施的选则时，梯形轨枕的应用可按以下原则实施。

(1)高架段、地下段的整体道床可以采用梯形轨枕，碎石道床一般不建议使用梯形轨枕。

(2)对于环境振动预测超标量≤10 dB的路段，采用梯形轨枕作为减振措施。减振段两端应外延一定长度。

(3)鉴于小半径段梯形轨枕易产生波磨，因此在地铁线路R≤450 m半径区段一般不建议使用梯形轨枕作为轨道减振措施，如必须使用的，应进行专项的轨道设计研究。

(4)对于地铁线路直接下穿的环境敏感建筑，不易使用梯形轨枕，应提高减振等级。

6 结论

通过对已运营的地铁线路梯形轨枕减振效果的监测，与普通轨道相比, 梯形轨枕一般具有10 dB的减振性能，达到高等级减振措施的水平。就轨道可施工性、可维护性、可更换性、运营安全性及使用寿命而言，梯形轨枕较钢弹簧浮置板、轨道减振器扣件等又具有一定优势。但其在地铁线路小半径段易产生钢轨异常波磨，在R≤450 m半径区段不建议使用。因此，梯形轨枕作为高等级减振措施，在环境影响评价预测一般振动影响路段设置是合理、可行、可靠的。