哈爾濱市軌道交通一期工程軌道減振設計方案研究

孫洪強

(哈爾濱地鐵集團公司,哈爾濱 150080)

1 概述

哈爾濱城市軌道交通一期工程,線路全長約17.4 km,全部為地下線,其中利用既有人防隧道工程約5.4 km。既有人防工程為單洞雙線馬蹄形隧道,共設6座地下車站。利用既有人防隧道工程,是為了盤活閑置國有資產的迫切需要。經專業部門檢測,隧道結構強度具有相當的安全儲備,限界滿足運營要求,經加固可作為一期工程的一部分,短期內即可形成一條運營線路,給一期工程提供了最大優勢和最好的基礎條件。

既有人防隧道工程是1973年根據戰備需要,按我國早期地鐵標準設計修建的單洞雙線馬蹄形隧道,給軌道結構預留的空間能滿足一般軌道結構的要求。但是不符合軌道減振結構的特殊要求,減振結構高度受到限界制約,已成為本工程的難點。

如鑿除既有人防隧道地段隧道洞底面,其改造工程量巨大、工期延長、工程投資增加。在改建過程中易造成防水層破壞,新老混凝土結合處強度不足,既有混凝土在施工過程中易出現裂縫,形成安全隱患等問題,給施工帶來困難。如維持既有人防隧道限界,則軌道減振結構方案應予慎重研究,滿足環境保護要求。

本文對哈爾濱軌道交通一期工程軌道減振設計原則、減振結構給以介紹,并對利用既有主體結構,提出如何滿足環保要求的設計方案。

2 軌道減振設計原則

2.1 以國家相關環保規范為設計準則

城市軌道交通在列車運行時引起環境振動影響應滿足國家《城市區域環境振動標準》(GB10070—88—中規定(表1),其超標地段采取減振措施以滿足國家環保要求。

表1 城市各類區域環境振動標準值VLz dB

2.2 以本工程《環境影響報告書》要求為依據

國家環保部門對哈爾濱軌道交通一期工程沿線振動敏感點進行環境振動現狀調查、監測與評價。并對城市軌道交通在運營后引起環境振動影響加以預測,對沿線振動超過國家環保標準地段及超標值提出要求。

軌道減振設計應以國家有關部門審批后的《哈爾濱市軌道交通一期工程環境影響報告書》(國環評證甲字第1703號)的精神,作為設計的依據。

2.3 按《地鐵設計規范》規定進行設計

《地鐵設計規范》(GB50157—2003)第6.5節減振軌道結構中,將減振軌道結構劃分為3個等級,即一般減振軌道結構，較高減振軌道結構，特殊減振軌道結構。

一般減振軌道結構：采用重型鋼軌、無縫線路、彈性扣件、整體道床(或碎石道床)。

較高減振軌道結構：線路中心距離住宅區、賓館、機關等建筑物小于20 m及穿越地段,即在一般減振軌道結構的基礎上,采用彈性短軌枕式整體道床或軌道減振器扣件短軌枕式整體道床。

特殊減振軌道結構：線路中心距離醫院、學校、音樂廳、精密儀器廠、文物保護和高級賓館等建筑物小于20 m及穿越地段,即在一般減振軌道結構的基礎上,采用浮置板整體道床或其他特殊減振軌道結構形式。

另外,減振軌道結構還應采用成熟、先進的技術和施工工藝,還應具有施工和維修工作量少且方便等特點。

3 較高減振地段軌道結構

較高減振地段的軌道結構，是在一般減振軌道結構的基礎上采用彈性短軌枕式整體道床或高彈性扣件。

3.1 彈性短軌枕式整體道床

彈性短軌枕即短軌枕用橡膠減振套靴包覆,能大幅度降低道床應力,減少振動(圖1)。北京地鐵東四十條站試鋪了彈性短軌枕式整體道床,經現場測試,車輛彈簧下振動加速度值較一般地段整體道床少30%左右。

鐵道部科學研究院曾為高速鐵路研究鋪設了彈性短軌枕,經室內試驗表明：采用彈性短軌枕,輪軌間相互作用力減少39～52 kN,短軌枕振動加速度下降17g～46g,減少振動約10～12 dB,減振效果良好。根據瑞士SBB資料介紹彈性短軌枕運營17年后,軌道幾何形狀保持標準范圍。

圖1 彈性短軌枕

3.2 軌道減振器扣件

在短軌枕式整體道床中鋪設軌道減振器扣件(圖2)。該扣件為橢圓形彈性分開式扣件。承軌板與鐵座之間用減振橡膠硫化粘結為一整體。利用橡膠圈剪切變形,獲得彈性。

據上海地鐵1號線鋪設現場初步減振測試,較一般地段減振性能良好的彈性分開式扣件降低4～5 dB,綜合減振效果約8 dB。

該扣件與一般彈性扣件一樣可隨時更換其中任一個部件,便于維修,扣件壽命為10年左右。

圖2 軌道減振器扣件

3.3 LORD扣件

LORD扣件是一種粘合墊板式扣件(圖3)。該扣件節點靜剛度為10～16 kN/mm,減振效果低于軌道減振器扣件,約為5 dB。該扣件源于美國LORD公司,采用國際標準生產加工制造工藝,質量穩定,使用壽命長,已在國內外大量使用。近年來該公司已在我國開始建廠生產制造,并逐步在城市軌道交通取得應用。

圖3 LORD扣件

4 特殊減振地段軌道結構

4.1 浮置板式整體道床

特殊減振地段的軌道結構是在一般減振軌道結構的基礎上,采用浮置板式整體道床。該型式由鋼筋混凝土板和支撐它的隔振系統組成,形成質量-彈簧體系,可減弱傳遞到隧道結構的振動力和振動加速度,減振效果顯著,約為20～25 dB。浮置板的隔振系統目前有金屬彈簧隔振(圖4)和橡膠隔振兩種結構。

圖4 金屬彈簧浮置板式整體道床(單位：mm)

金屬彈簧隔振系統在減振系統中是較先進的,對振動頻率在12.2 Hz以下的振動提供了較好的隔振效果。同時較橡膠減振系統使用壽命長,萬一損壞容易更換,可維修性能好,不會影響正常運營,但是造價較高。

金屬彈簧減振系統的浮置板軌道在德國最先采用,減振效果良好,比橡膠浮置板的減振效果提高了約5 dB。

4.2 橡膠隔振墊整體道床

橡膠隔振墊整體道床由道床板和減振橡膠隔振墊組成(圖5),軌道垂向振動在8～210 Hz頻率范圍內的減振效果可達到15 dB(相對于鋪設60 kg/m鋼軌、DT彈條Ⅲ型系列扣件、整體道床軌道而言)。

該型減振結構中橡膠隔振墊材料除需要滿足技術規格書要求外,還應有以下特殊要求：

(1)為避免運營后列車車輪引起鋼軌波浪形磨耗,要求橡膠隔振墊軌道結構在保持運營的狀態下,鋼軌的垂向位移小于3 mm；

(2)橡膠隔振墊預期使用壽命應達50年；

(3)橡膠隔振墊應根據產品,根據廠家承諾的預期使用壽命確定疲勞試驗次數,進行疲勞試驗后,其橡膠隔振墊厚度變化不大于1 mm,凈剛度變化不應超過20%；

(4)產品必須得到具有相關資質的測試單位的測試認可方能鋪設。

目前橡膠隔振墊性能及減振效果僅從理論分析,但是橡膠隔振墊道床目前鋪設尚少,缺乏設計、施工、養護維修經驗,需要進一步研究開發。

經過方案比選,哈爾濱軌道交通一期工程,較高減振地段軌道減振結構采用了減振器扣件整體道床和LORD扣件整體道床；特殊減振地段采用金屬彈簧浮置板式整體道床形式。較高減振地段鋪設長度3.180單線km,特殊減振地段鋪設長度1.340單線km(其中人防隧道工程中鋪設1.0單線km)。

金屬彈簧浮置板式整體道床在既有人防隧道工程中鋪設時,應根據既有軌下限界進行特殊設計,方可滿足環保要求。

5 既有人防隧道金屬彈簧浮置板式整體道床結構

由于既有人防隧道為雙線馬蹄形,線間距為3.4 m，軌下結構有效高度不足,制約了軌道減振結構的選用。金屬彈簧浮置板式整體道床是由鋼筋混凝土板和支撐它的隔振器組成,屬于質量-彈簧體系,因此浮置板需要保證一定的質量,才能對振動頻率在12.2 Hz以下的振動提供較好的隔振效果,減振效果可達20～25 dB。

既有人防隧道鋪設的金屬彈簧浮置板軌道,在現有隧道斷面條件下,設計了低高度浮置板,并充分利用馬蹄形隧道橫向斷面,縮小兩股道之間排水溝占用空間,加大了浮置板寬度,相對增加了浮置板質量。為了適應既有人防隧道限界要求,優化后浮置板軌道結構高度為562 mm(圖6)。

根據國家有關部門審批后的《哈爾濱市軌道交通一期工程環境影響報告書》(國環評證甲字第1703號)精神,該地段振動超標約15 dB,經有關科研部門檢算該低高度浮置板減振效果約20 dB,達到預期設計要求。

6 結論

我國城市軌道交通發展方興未艾,城市軌道交通施工和運營不可避免的給城市帶來諸多如振動噪聲等污染。超標的振動及噪聲,影響了人們的正常工作和生活。城市軌道交通軌道減振在國外從20世紀60年代開始引起重視。我國軌道減振的研究起步較晚,早期修建的北京地鐵、天津地鐵(既有南北線),在工程建設時忽視了振動問題,投入運營后再改造,困難增大、干擾運營、浪費人力財力。在生活質量不斷提高的今天,為減少城市軌道交通帶來的振動和噪聲,自1991年開工興建的上海地鐵1號線開始,陸續修建的上海、廣州、深圳、南京、天津、杭州、蘇州等城市軌道交通均不同程度的設計了軌道減振結構。

哈爾濱市軌道交通一期工程軌道設計者,在調查研究的基礎上,充分總結了以往軌道減振設計經驗,開發研制了新材料、新工藝、新結構,滿足了環保要求。

在今后軌道減振設計中,還應在以下幾方面做出努力：

(1)軌道減振等級的劃分應適當留有余量,設防值比超標值宜高出3 dB；

(2)軌道減振設計應根據環保要求,采用性價比合理的軌道減振結構,不能盲目追求高標準產品,更不能為節省造價而降低標準；

(3)根據《地鐵設計規范》(GB50157—2003)要求,在減振軌道結構劃分為3個等級的基礎上,對減振結構的等級進一步細化,適應不同振動環境的需求。

(4)進一步優化浮置板軌道結構,繼續研制開發橡膠防振墊整體道床或者其他減振結構,以滿足各種振動環境的要求。

[1]GB10070—88，城市區域環境振動標準[S].

[2]GB50157—2003，地鐵設計規范[S].

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