城市轨道交通振动噪声机理及相关措施研究

曲凡毓 王运涛

青岛地铁运营有限公司 山东 青岛 266520

引言

城市轨道交通通常需要穿过市区中心地带，而此种地带一般遍布住宅区、写字楼等。振动给环境带来的影响是多样性的，其中也会对人体健康造成一定的危害，导致工作效率下降等。伴随地铁建设的大力推行，地铁运营期间所形成的噪音对人们生活造成的影响愈发突出，在人们环保意识逐渐加强的当下，各地铁公司都加大了对城市轨道振捣噪声机理与减振降噪技术的研究力度。

1 振动与噪声产生机制

噪声的产生源于车轮和轨道之间的相互作用引起的振动现象。当列车行驶过程中，车轮与轨道不断接触，长期的相互作用会导致它们表面磨损和结构变形。例如，车轮可能会失去正圆度，形成扁疤；而钢轨则可能因为持续受力而产生波形磨损。这些磨损和变形增强了振动的产生。同时，振动和噪声会通过钢轨传播到轨道附近的其他部件和结构上。例如，从扣件、铁垫板、轨枕，再到道床和桥隧结构，振动的影响逐渐向周围建筑物传递，最终，振动通过土壤介质对周围建筑物产生影响[1]。在振动的传播过程中，垂向振动起着主导作用。这种振动主要由轨道的平顺度不良、车轮偏心以及车轮与钢轨的冲击碰撞等因素引起。垂向振动具有一些独特的特点，例如传播距离较远、衰减速度相对较慢，并给人带来强烈的振动感。

2 振动与噪声设计要求

2.1 振动源强

按照《城市轨道交通振动和噪声控制简明手册》，某地铁线路振动源强设为87.2dB，投入运营一年之后，对地下段振动强度展开测量，测得地下段普通线路隧道壁为59-87dB之间，高架段振动源强交叉渡线梁体75-89dB，曲线R430梁体76-88dB，速度100km/h高架段梁体70-88dB。经过对以上数据的分析比较便可了解到，其中一些区段存在测量值超过设计标准的问题。

设计振动源强需要根据列车型号、行驶速度、轨道特征加以确定，当面临制动、加速地段振动源强较高的状况，则要加强对设计工作的把控，面对线路变坡、车站位置变更等状况也必须要及时调整为合适减振等级[2]。

2.2 传播路径

主要包括：①高架段，传播到梁体、横梁、桥墩、桥台、基础；②地下段，传播至隧道结构、围岩等。

2.3 衰减规律

①振动衰减总体上会伴随距离的增加而逐渐趋向稳定。②岩石地质环境下，根据某工程测量结果，在100m以内，振动衰减28dB，衰减率为每米0.28dB；在中砂环境下，100m以内，振动衰减40dB，衰减率为每米0.4dB；在黏土环境下，60m以内，衰减25dB，衰减率为每米0.42dB。③当密度越高、结构颗粒愈发紧密，则衰减性能愈低；密度偏低且结构颗粒致密性不强时，衰减性能愈强。

2.4 振动限值说明

人类对于振动容忍的限值范围，和人身体的姿势、所处方位、身体健康状态、个人感觉灵敏性以及承受能力存在紧密关联。根据有关统计可知，振动强度低于65dB时，就不会对人类的睡眠带来明显影响；而若是振动强度大于70dB，则会对人类的睡眠带来明显影响。

2.5 二次噪声限值说明

建筑物室内二次辐射噪声是指由空调、通风系统、电子设备等在建筑内部产生的低频噪声。这种噪声主要集中在几百赫兹以下的频率范围内，其特点是波长较长、能够穿透墙壁和隔板，对于居民的生活和工作环境造成一定的干扰。

现行的噪声限值标准采用A计权处理方法来测量噪声级别。A计权是一种根据人的听觉特性进行加权处理的方法，能够更好地模拟人类对不同频率噪声的感知。然而，在几百赫兹以下低频噪声的情况下，A计权处理方法存在一定的局限性，并不能准确地反映其对人体的影响。根据统计数据，当室内二次辐射噪声达到45dB（A）时，对居民的影响和主观反馈将会非常明显。这种噪声水平已经超过了人们在室内环境下对于噪声的容忍度。居民可能会感到不适、疲劳和精神紧张，严重影响睡眠品质和生活质量。

3 现有减振降噪技术及适用方向

3.1 轨道设备结构方面

3.1.1 扣件减振。扣件减振是一种常见的减振技术，它通过扣件系统中的铁垫板与弹性体相互配合来达成减振目的。其中铁垫板主要发挥了承载重力与固定钢轨的效果，而弹性体则能够充分利用其自身的弹性特性来减振。在这种结构中，使用锚固螺丝把扣件固定于道床上，中间的非线性弹性垫可以以无预载状态运行，不会受到锚固螺栓拧紧作用力的干扰，使得减振效果显著。

（1）双层垫板结构。这种结构通过在两个铁垫板之间安设弹性垫板来实现减振效果。弹性垫板可以基于上锁或者下锁的方式固定，从而借助其自身的弹性特性来减振。其构成结构由下至上分别是耦合垫板、上铁垫板、中间的橡胶垫板、下铁垫板和轨下垫板等，采用双层垫板结构的压缩性减振扣件和非线性减振扣件是其典型代表，这些扣件能够有效地减少振动传递和噪声的产生，减小对周边居民的影响[3]。

（2）硫化垫板结构。此结构通过将承轨板和弹性垫板硫化成一体，并基于调节扣件的刚度以及使用橡胶的压缩变形来满足减小振动噪音的要求。其构成结构由下至上分贝时耦合垫板、一体化垫板和轨下垫板等。洛得（Lord）扣件和GJ-III型轨道减振器扣件是应用了硫化垫板结构的典型代表。这些扣件通过合理设计的刚度和橡胶的变形，有效地减少了振动传递和噪声的生成。

（3）浮轨结构。浮轨结构是一种新式减振技术，其利用限位设备让钢轨浮离轨枕基础，以此达成将钢轨和轨道板、轨枕间的振动隔离的目标。这种结构可以对地面次生噪音的产生加以缓解，降低轨道噪音往周边地表和建筑体之间的传播，同时还可减小振动引起的二次噪声。其构成结构由下至上分别是耦合垫板、浮轨限位装置。先锋（Vanguard）扣件和谐振式浮轨扣件是典型的浮轨结构应用。

3.1.2 道床减振。

（1）浮置板道床。在铁路道床与基础之间添加弹性介质，通过钢弹簧隔振器或弹性高分子材料等形成质量弹簧结构，实现减振降噪的功能。这样的设计可以有效地隔离基础与道床结构，减少振动能量的传递。相比梯形轨枕，浮置板道床的减振效果较佳，能够更好地降低铁路运行时产生的振动和噪音。

（2）梯形轨枕。通过在对轨下纵梁上包裹减振材料，将振动能量吸收和衰减，同时通过横向联结杆件扩宽了轮轨力的覆盖范围，形成了一种浮置式减振系统。相较于普通的道床而言，采用梯形轨枕可以实现更好的减振效果，预计可达到10.5dB的减振效果。这种设计能够有效地降低轨道振动带来的噪声，提升铁路线路的运行环境。

（3）组合减振道床。其利用隔振垫和橡胶楔块有机配合，既能吸收轨道产生的振动能量，又能有效抑制钢轨的振动，从而实现减振降噪的效果。这种结构将两种减振方式的优点进行了组合，能够同时降低振动和噪声的辐射。据产品设计结果显示，组合减振道床的减振性能相较于减振垫浮置板道床而言更加优秀，可以为铁路运输提供更好的减振效果。

3.1.3 弹性支承块轨道结构。弹性支承块式轨道结构（LVT）以其特有的设计和材料组合，在轨道建设领域展现出了巨大的潜力和优势。首先，它采用预埋钢筋砼式支撑块作为弹性支承块，这种材料具有高强度和耐久性的特点，可以有效地抵抗荷载和外界环境的影响。其次，橡胶套靴和橡胶垫板的应用则进一步增强了轨道结构的弹性变形能力，使得轨道能够更好地适应列车运行时产生的振动和动荷载。对于高速列车等具有高动态荷载的情况，LVT轨道能够吸收和分散荷载，减少轨道和车辆的磨损，延长使用寿命，降低维护成本。此外，LVT轨道还能够适应地形变化和环境影响，例如地震、温度变化等。这使得LVT轨道在各种复杂地质条件下都能表现出良好的稳定性和可靠性。正因如此，该种轨道结构目前已经在全球范围内得到了大面积推广运用，比如英国的英吉利海底隧道和国内的秦岭、乌鞘岭隧道等。

3.1.4 阻尼减振降噪装置。主要是对钢轨装设阻尼设备与谐振器，以此提高振动质量，减小有害振动能量，实现从源头上弱化噪音危害，控制啸叫音的产生，同时缓解钢轨波磨问题。在小半径曲线中能发挥出突出优势。通过试验分析得知，能够将客室噪音减小7.7dB，达到理想的降噪水平。而对于大曲线半径、直线段之类初始噪音不高的路段，则不太适用[4]。

3.1.5 外加振动衰减措施。

（1）钢轨包裹。通过在钢轨轨腹裹上缓振弹性阻尼材料，可以有效地减少轨道和车轮振动产生的噪声。同时，此技术主要可分为迷宫式约束阻尼车轮和迷宫式约束阻尼轮轨两大类型，即在钢轨或者车轮的非工作区域外设迷宫型约束阻尼降噪板，以此做到快速衰减振动，进一步减小噪声水平。

（2）可动心轨辙叉。在列车行驶经过有害空间时，发出的瞬间激励会导致振动噪声的增加，并且可能破坏轨道的连贯性。可动心轨辙叉的设计可以消除这种激励，确保线路的稳定性，减少振动噪声对乘客和周围环境的影响。

（3）道床包裹。在道床的中部安装阻尼吸振材料，可以有效地缓解振动的发展和传播，进一步降低噪声水平。这种方式可以在一定程度上减少振动向周围环境传播，并提升乘客的乘坐舒适度。

（4）抗微振增强型钢弹簧浮置板道床。此种道床具有减振和衰减低频振动的功能，能够有效地保护电子元件等精密设备不受振动干扰，一般多运用在具有精密仪器的各种信息产业园附近。这种道床通过采用抗微振钢弹簧和浮置板结构，可以在一定范围内吸收和隔离振动，为设备的正常运行提供良好的环境。

（5）嵌入式连续支撑轨道（高等减振等级）。此种轨道主要是在钢轨的两端和底部粘接了弹性材料与降噪块，并把钢轨完全嵌进道床中，构成了一个整体系统，从而有效地减少振动和噪声的产生。然而，需要注意的是，该轨道在实际应用过程中具有施工精度要求高、投入使用后的换轨频率相对较高的特点，必须要控制好施工精度和后续维修工作，需要确保施工质量和及时维护，以保证其长期稳定运行。

3.2 传播路径方面

主要涉及产品包含吸音板或隔音门窗等，吸音板一般应用于高架段或高架隧道衔接位置，隔断噪声在传播路径上的传递。隔音门窗一般应用于老年人、弱势群体以及特殊疾病患者等对噪声敏感的特殊人群居住场所。

4 结束语

地铁设计环节，需要合理分析隧道埋深和高架段的振动噪声辐射范围，以确保振动噪声能够有效衰减。地铁运营环节，需要持续关注线路的动态几何尺寸、钢轨的不平顺，同时，及时开展钢轨打磨和涂油频次的调整也是必要措施。当出现振动噪声投诉时，可以采取多种措施进行处理，各线路也可根据运量合理安排运行速度调整。综合应用各项措施和技术手段，可以有效减少振动和噪声对居民生活环境的影响，提升地铁系统的稳定运行和居民的满意度[5]。