青岛地铁轨道减振措施应用研究及展望

芦睿泉

（青岛地铁集团有限公司，山东青岛 266035）

1 研究背景

地铁运行为人们带来便捷的同时，列车运行引发的环境振动与噪声问题也日益严重。近年来，轨道交通通车后的振动和噪声投诉成为公众关注的焦点问题，轨道交通引起的环境振动与噪声对人体健康、工作效率、周围建筑结构以及精密仪器产生影响。与国内其他城市不同，青岛地区整体坐落在燕山晚期深成相中粒、粗粒、细粒花岗岩基上[1]。张波等以青岛地铁3号线为例，建立了地铁振动环境响应计算模型[2]，对隧道建于岩石中的地铁振动环境响应进行了研究，得到了浅层岩石弹性模量降低对地铁振动环境响应有有利作用等结论。张斌等以青岛某地铁线路为研究对象进行了测试[3]，认为隧道与地面振动主要集中在50～200 Hz，隧道200 Hz 处的振动最为显著，地面60～80 Hz 的振动最为显著。杨尚福以深圳地铁11号线为例，研究了不同地质条件对振动的影响[4]，认为振动中心频率低于1.6 Hz，或大于20 Hz或25 Hz时，硬质岩层条件下的建筑物地板振级高于软土及中硬土土体条件下的地板振级。

上述研究从数值分析和现场测试的角度对硬岩地质条件下的振动规律进行了有益探索和研究，但均未对青岛地铁轨道减振措施的实际应用效果进行总结。笔者结合青岛地铁多年来的建设经验和实测数据，探讨了不同轨道减振措施在岩石地质条件下的实际减振效果。

2 地铁轨道减振分级标准研究

对新建地铁工程的振动及二次结构噪声进行环境影响评价的思路，是按照《环境影响评价技术导则 城市轨道交通》[5]中的方法计算敏感点处的振动及二次结构噪声(固体声)数值，并与《城市区域环境振动标准》[6]及《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》[7]中的标准限值进行做差对比，最终依据差值(即超标量)进行减振分级并采取相应的轨道减振措施。国内不同城市轨道交通在减振等级的界定上没有统一标准，如表1所示。

表1 不同线路轨道减振级别划分[8-11]Table 1 Division of track vibration reduction levels of different lines

《地铁设计规范》[12]中规定，地铁减振级别宜划分为中等减振、高等减振和特殊减振三级。青岛地铁通过总结多年建设经验，将各减振级别间的划分标准及对应的轨道减振措施进行汇总，如表2所示。

表2 各减振级别分类及减振措施Table 2 Classification of track vibration reduction level and vibration reduction measures

与国内其他城市相比，青岛地铁在进行轨道减振等级划分时，充分考虑了固体声对沿线周边敏感点的影响，且相对保守。这一方面与青岛特殊的地质条件有关；另一方面，也与近年来地铁噪声投诉事件中，多是固体声的投诉(而非振动投诉)有关。

3 轨道减振措施效果研究

3.1 压缩型减振扣件

一般地段扣件刚度值为25～35 kN/mm，减振扣件刚度值为15～18 kN/mm。减振扣件通过降低其垂向刚度值获得一定的减振效果。青岛地铁中等减振地段均采用压缩型减振扣件。

1) 结构型式特点。压缩型减振扣件是利用橡胶弹性垫板的压缩变形耗散能量，提供减振效果。其特点是横向刚度较大，在小半径曲线地段具有良好的适应性，大大降低了钢轨波磨的发生概率。其结构型式见图1。

图1 压缩型减振扣件示意Figure 1 Schematic of vibration absorber fastener structure

2) 减振效果。对青岛3号线应用的减振扣件进行了实测，检测结果显示[13]，隧道壁处的Z振级降低了8.1 dB，减振效果见图2。

图2 减振扣件减振效果测试Figure 2 Test of vibration reduction effect of vibration absorber fastener

3.2 减振垫浮置板道床

减振垫浮置板属于道床类减振方案，具有较低的固有频率和良好的减振效果。

1) 结构型式。铺设于道床下的弹性减振垫包括橡胶和聚氨酯两种材质。减振垫浮置板的最大特点是造价相对较低、可适用于道岔区，在硬岩条件下具有良好的适应性。其结构型式见图3。

图3 弹性减振垫浮置板道床Figure 3 Schematic of elastic pad floating slab track structure

2) 减振效果。对青岛2号线应用的减振垫浮置板进行了实测，检测结果显示[14]，隧道壁处的Z振级降低了12 dB。其减振效果见图4。

图4 减振垫浮置板道床减振效果测试Figure 4 Test of vibration reduction effect of rubber floating slab track

3.3 钢弹簧浮置板

钢弹簧浮置板属于道床类减振，是国内唯一公认效果最佳、最为成熟的特殊减振级别的轨道减振结构。

1) 结构型式。道床结构是将轨道固定在钢筋混凝土质量平台上，平台再放在由柔性弹簧组成的隔振器上。质量平台可以提供足够的惯性质量来抵消车辆产生的动荷载，只有静载和少量残余动荷载通过弹簧传到基础结构上。钢弹簧浮置板轨道系统的固有频率为6～10 Hz，是所有减振轨道结构中最低的。其结构型式见图5。

图5 钢弹簧浮置板道床Figures 5 Schematic of steel spring floating slab track structure

中量级钢弹簧浮置板又称固体阻尼钢弹簧浮置板，重量级钢弹簧浮置板又称液体阻尼钢弹簧浮置板。两者仅阻尼材料有所区别，其余无差别。重量级钢弹簧浮置板的减振效果较中量级钢弹簧浮置板略优。

2) 减振效果。对青岛3号线应用的钢弹簧浮置板进行了实测，检测结果显示[15]，中量级钢弹簧浮置板隧道壁处的Z振级降低了16.9 dB，重量级钢弹簧浮置板隧道壁处的Z振级降低了17.2 dB。其减振效果见图6。

图6 钢弹簧浮置板道床减振效果测试Figure 6 Test of vibration reduction effect of steel spring floating slab track

通过上述测试结果可知，减振扣件、减振垫浮置板及钢弹簧浮置板的减振效果分别为8 dB、12 dB和16～17 dB。3种措施分别可以满足中等减振地段、高等减振地段和特殊减振地段的使用需求。

4 新型轨道减振产品研究及应用

青岛地铁在建设过程中，注重对轨道新技术的吸收和应用，如在青岛地铁3号线和11号线落地应用的阻尼减振道床试验段，在11号线高架段铺设的减振组合道床试验段，以及在1号线铺设的多等级减振通用预制道床试验段。试验段的顺利铺设，有力推动了轨道交通减振技术的发展。

4.1 浮置板减振组合道床试验段

浮置板减振组合道床系统又称轨道交通高性能减振组合道床系统，由钢轨、减振扣件、预应力轨道板、道床隔振垫、砂浆层、底座等结构组成。综合运用了隔振以及谐振的减振机理，将多种减振措施融为一体，并通过调整不同耦合子系统之间空间上的刚度、质量比例分配关系，实现振动能量在传递途径中最佳的衰减[16]。其结构型式见图7和图8。

图7 减振组合道床结构示意Figure 7 Schematic of track-slab hybrid system structure

图8 青岛11号线减振组合道床铺设实景Figure 8 Photo of track-slab hybrid system in Qingdao metro line 11

在减振组合道床系统中，减振扣件刚度为8 kN/mm，预应力轨道板下道床隔振垫静态弹性模量为0.018 N/mm2，系统组合刚度约为9.2 kN/mm，系统固有频率介于10～15 Hz间，减振效果可达到特殊减振级别。为确保行车安全，钢轨及道床板的垂向位移分别按4 mm和3 mm控制。此项技术在青岛地铁11号线上铺设了120 m试验段。测试结果显示[17]，浮置板减振组合道床的减振效果VLZmax为18.2 dB(梁面处)，达到了特殊减振的级别。

此种类型轨道结构存在两方面的不足：一是采用的谐振式减振扣件不适用于小半径曲线地段，具有一定的局限性。二是鉴于结构的特殊性，只能应用于非岔区地段。

4.2 阻尼减振道床试验段

约束阻尼结构是在传统自由阻尼结构的基础上，增加一个约束层，由约束层、阻尼层和基层三部分组成[18]。其实现减振的原理是当约束层产生振动时，阻尼层会随着基材产生弯曲形变，材料内部产生的交变拉伸、压缩应力和应变会损耗机械能量，从而达到减振降噪的目的[18]。其中道床与结构之间喷射的阻尼层采用Qtech-418粘弹阻尼材料，此材料具有良好的物理力学性能，耐久性可达80年。此减振机理有别于目前城市轨道交通中常用的质量-弹簧系统，打破了传统的思维模式。其结构型式见图9和图10。

图9 约束阻尼结构示意Figure 9 Schematic of constraint damping structure

图10 道床阻尼减振试验段剖面Figure 10 Sectional drawing of damping track bed

在青岛地铁11号线高架桥铺设的试验段现场见图11。根据相关测试，其减振效果见表3。

图11 阻尼材料喷涂实景Figure 11 Photograph of plating damping material on the bridge surface

由表3可知，喷涂层厚度5 mm的U型梁的减振效果要优于喷涂层厚度3 mm的减振效果，其梁壁处减振效果ΔVLZmax为6～8 dB。

表3 阻尼减振道床试验段测试效果ΔVLZ max (常温)[19]Table 3 Test effects of damping track bed test section(ΔVLZ max, normal atmospheric temperature)

4.3 多等级减振通用预制道床试验段

多等级减振通用预制道床为组合式板单元结构。道床结构由预制轨道板、预制基底板、调平减振层等组成，板下浇筑自流平材料。预制轨道板与预制基底板之间设置条状减振垫，可根据沿线的不同减振需求设置不同刚度的减振垫。其结构型式见图12。

图12 多等级减振通用预制道床结构示意Figure 12 Schematic of multigrade vibration attenuation general precast track bed

在青岛地铁1号线胜利桥站—安顺路站区间地下线铺设了302.4 m试验段，其中中等减振地段148.8 m，高等减振地段153.6 m。根据相关测试，中等减振和高等减振的减振效果分别为8.5 dB和13.9 dB[20]。其减振效果详见图13。

图13 多等级减振通用预制道床减振效果对比测试Figure 13 Test of damping effect of multigrade vibration attenuation general precast track bed

多等级减振通用预制道床实现了中等减振和高等减振地段道床结构型式的统一，对于推动行业技术进步具有良好的示范性。此种类型轨道结构存在两方面的不足：一是板体较为笨重，给运输存放及施工带来了一定难度；二是与减振组合道床类似，鉴于其结构的特殊性，其只能应用于非岔区地段。

5 结论及展望

截至2021年12月，青岛地铁已通车运营6条线路，合计开通运营里程284.3 km，全面进入到网络化运营阶段。青岛地铁从首条通车运营的3号线起就十分重视轨道减振地段的设置和轨道减振措施的选取，线路开通6年多来，列车运营对沿线敏感点的影响基本达到了预期的目标，运营实践经验验证了减振设计思路的正确性。今后还需从以下几个方面做好减振设计工作：

1) 轨道减振措施的选择需要结合环评预测结果确定。但同时应充分考虑减振产品在大坡道和小半径曲线等不利工况下的适应条件，确保轨道减振产品的性能可以充分发挥。避免因措施选取不当出现钢轨波磨等病害，效果适得其反。

2) 随着轨道交通的发展，其设计速度已不局限于80 km/h或120 km/h以内，如青岛地铁建设规划中的14号线设计速度为160 km/h。针对列车高速运行下的振动特性，需要做进一步的研究，为后续地铁线路建设做好技术积累。

3) 目前国内轨道交通的减振措施仍聚焦于轨道减振，其他专业参与度较低。轨道减振的效果固然最好，但也并非是解决所有振动及噪声问题的灵丹妙药。未来需要将减振推广至全领域，由各专业协同配合，如通过优化线路条件(调远线路与敏感点的距离、增加隧道埋深等)、加大结构断面、增加结构厚度、优化结构形式等措施，实现综合减振方案。综合减振之路仍任重而道远。