廣州地鐵4號線北延段工程軌道減振方案比選

王羽杰

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司軌道工程設計研究院，北京 100055)

1 概述

城市軌道交通的建設，在緩解城市公共交通壓力的同時也存在著諸多問題，其中市民反映最為強烈和集中的是軌道交通所產生的振動和噪聲問題。軌道結構在車、軌、隧道(橋)耦合振動體系中，不但是振源，同時也是振動的傳遞因素，其結構參數(質量、剛度、幾何尺寸等)直接決定了振動輸出的效果。因此，合理選擇軌道結構的形式和結構參數，是解決減振降噪的積極措施，其結果是可直接減小軌下基礎振動，從而有效降低地面振動或高架結構“二次噪聲”。因此，軌道結構的減振降噪，對于整個軌道交通的振動與噪聲防治，是積極的，也是較為直接和經濟的防治措施。

2 方案介紹

廣州地鐵4號線北延段工程北起黃村站，南至車陂南站，全長3.02 km。經過區間為黃村、車陂村等城鄉結合部，沿線主要分布有學校、居民和村民住宅等建筑，除黃村站附近有高層建筑外，其余區段均以2～5層的私宅為主，建筑物結構類型以Ⅰ、Ⅱ類建筑為主，沒有供居住的Ⅲ類建筑。

城市各類區域鉛垂向Z振級標準值見表1［1］。

表1 各類區域Z振級標準值 dB

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，宜采用特殊減振軌道結構，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［2］。根據《廣州市軌道交通4號線北延段工程環境影響評價報告書》(以下簡稱“環評報告”)，本工程共有3處環境敏感點預測值超標，詳見表2。

表2 預測值超標地段

振動環境影響評價工作等級應根據建設項目特點、工程運營前后振動級變化程度，以及沿線環境敏感程度及其環境振動標準來確定，一般分為2級［3］。

采用高彈性減振扣件是所有軌道交通工程中最普遍的做法，特別適用于一般地段的軌道結構，該扣件種類很多，各國都研制了不同的結構，基本都是采用橡膠的壓縮變形來吸收振動，一般來講，這種扣件可以降低振動 3 ～8 dB［4］。

根據環評報告預測結論，上述3處敏感點振動超標值最大為7 dB，屬于中等減振范疇。本工程為直線電機牽引系統，且為國內首條已通車運營的廣州地鐵4號線車陂南—黃閣段的北延長段(4號線車陂南—黃閣段已采用LORD減振扣件)，結合以往地鐵軌道減振經驗，有以下3種扣件減振方案。

(1)GJ-Ⅲ型減振扣件

GJ-Ⅲ型雙層非線性減振扣件，是一種新型的軌道減振扣件，GJ-Ⅲ型扣件是基于底板型扣件系統(標準型或特制型)，并通過設計雙層非線性彈性墊板系統以降低系統剛度和提高結構阻尼來控制二次噪聲與振動。它由軌下橡膠墊、上鐵墊板、中間橡膠墊、下鐵墊板和自鎖機構等組成，如圖1所示。與傳統扣件相比，其優勢在于系統剛度較小，允許鋼軌在列車通過時具有較大的垂直變形。低剛度系統減少了對其支撐系統的振動傳播，從而減少了對地面振動的傳播。

圖1 GJ-Ⅲ型減振扣件

雙層非線性減振扣件屬于緩沖減振類型，利用緩沖尼龍墊板及上、下層鐵墊板結構實現自鎖，且能傳遞縱、橫向力，主要由上、下兩層橡膠墊板彈性起到一定的緩沖減振效果［5］。

該扣件技術的關鍵是上墊板與下墊板的鎖定裝置。鎖定裝置使得下鐵墊板對下通過錨固螺栓將整個扣件固定在鋼軌上、對上通過鎖定機構將上鐵墊板位置鎖定，限制鐵墊板前后左右及向上方向的運動，只允許其向下在中間橡膠墊上做彈性運動。緩沖尼龍套既是上、下鐵墊板間水平方向運動的緩沖墊，又起鎖定上墊板位置的作用。同時該系統不會因列車通過時產生大的鋼軌扭轉及增加軌道扣件和施工高度。

根據2007年2月6日由鐵道科學研究院金屬及化學研究所出具的檢驗報告“(2007)金化檢字第82號”，該扣件靜剛度為10.94 kN/mm，動靜剛度比 ＜1.3。相對于DTVI2型扣件，在大于63 Hz頻帶的減振效果為4.8～15.9 dB，最大減振效果15.9 dB，出現在頻率210 Hz處。

GJ-Ⅲ扣件減振失效時可直接更換墊層，方便維修。獨特的“自鎖結構”設計通過在鑄件結構中鑲嵌尼龍結構件，巧妙地解決了上、下鐵墊板之間的連接問題，不用螺栓錨固，也不用硫化粘結，便能傳遞縱、橫向力和翻轉力矩;能方便地更換失效的中間橡膠墊，而鐵墊板可繼續使用，大大降低了維護費用［6］。

(2)LORD減振扣件

美國LORD扣件是由美國LORD公司研制的一種壓縮型減振扣件，在我國主要是在上海地鐵多條線路大批量應用。該扣件用彈性材料把頂板(用來固定鋼軌)和底板(用以連接基礎)粘接起來由相當厚的彈性材料提供彈性［7］。

該扣件是由洛得公司開發的一種扣件，見圖2，其主要結構是三明治型橡膠與金屬的膠結墊板。主要特點是將承軌板、帶孔橡膠和底板硫化為整體，利用橡膠孔的變形進行減振。LORD扣件直接支承鋼軌，下面設置調高墊板，扣件調距通過調距扣板的齒紋移動鐵墊板，利用鐵墊板的長圓孔來實現“無級”調距的目的。

圖2 LORD減振扣件

根據2006年8月同濟大學鐵道與城市軌道交通院提供的檢測報告，LORD扣件相對于單趾彈簧扣件在小于800 Hz頻帶范圍內的減振效果1～12 dB，最大減振效果出現在250～800 Hz頻帶范圍內，綜合的減振效果為6.29 dB。

(3)減振器扣件(克隆蛋)

參照國外有關軌道減振器資料和國內其他減振器，根據地鐵軌道結構特點，為避免應力集中，把減振器設計為橢圓錐形，見圖3，能有效地耗散軌道振動能量，起到減振和緩沖作用［8］。減振器扣件是將橢圓錐形內圈(與鋼軌相聯)和外圈(與道床相聯)用橡膠硫化膠結在一起的結構形式。減振器扣件在車輪荷載作用下有較大的撓曲，從而降低上部建筑的力學阻抗，減小振動的激發，利用橡膠的剪切變形取得較高的彈性進行減振。

圖3 減振器扣件

軌道減振器是從垂向、橫向和縱向支撐軌道的，并且通過垂向、橫向和縱向的彈性支撐結構緩沖傳遞的振動。所以，軌道減振器對軌道的縱向和橫向限制力應相等，而且必須具有高彈性［9］。

根據2007年4月株洲橡塑時代提供的產品檢測報告，扣件垂直靜剛度為7～12 kN/mm。2007年4月由鐵道科學研究院出具的軌道減振器與DTVI2型扣件減振性能比較的實驗報告表明，減振器扣件在80～1 000 Hz頻帶的減振效果為2.9～12 dB，最大減振效果17.6 dB出現在頻率400 Hz處。

3 方案比選

軌道減振設計的主要原則如下:

(1)軌道減振結構應確保軌道結構強度及穩定性，且應滿足環境評價減振要求;

(2)軌道減振應采用成熟的工藝、設備，盡可能減少工程風險，且應與既有、在建線減振措施統一，便于維修，降低運營成本;

(3)減振類型應盡量統一，并進行經濟分析比較，采用能降低全壽命周期成本的減振產品。

上述3種減振扣件在國內各城市地鐵線路中均有應用，是成熟的減振扣件。3種減振扣件的技術經濟比較見表2。

表2 3種減振扣件技術、經濟比較

從表2可知，上述3種減振扣件均能滿足環評報告要求的減振要求。LORD減振扣件已在廣州地鐵4號線車黃段工程中采用過，其余2種扣件均未在直線電機系統軌道減振設計中采用。

LORD減振扣件具有一體化設計、整體性好、結構高度與既有線路一致、鋼軌垂直下沉量小于1.5 mm，滿足直線電機技術要求等優點，已在4號線首期工程鋪設。但從近5年來實際運營的情況來看，該扣件還存在如下弊端。

(1)該扣件不設軌距塊，承軌槽一級無法調整軌距，只能用鐵墊板二級調整軌距，不符合廣州地鐵分2級調整軌距的扣件設計原則，加大了運營維修工作量。

(2)鋼軌直接落在承軌槽上，無軌下墊板。無法根據實際使用需求調整鋼軌的爬行阻力。

(3)彈條直接扣在鋼軌軌底，沒有尼龍軌距塊的緩沖，有可能會影響彈條的扣壓力，使用初期鋼軌的爬行阻力可能偏小，使用后期隨著鋼軌、彈條接觸面的銹蝕，爬行阻力會增加。

(4)該扣件是一體化結構，出現問題時需整體更換，維修成本高。根據廣州地鐵1號線使用經驗，橡膠件使用8年左右就需要更換，而鐵件使用壽命預計可達30年，兩者使用壽命相差較大，同時整體更換經濟性較差。據運營部門反饋，4號線車黃段已發現部分硫化墊板橡膠層開裂現象。

軌道減振器扣件是城市軌道交通減振產品中采用較廣的一種，北京、上海、廣州等多個城市地鐵線路中已成功應用，但同時也存在一些問題，經過對國外軌道減振器扣件的技術調查，初步分析減振彈性衰減的主要原因是減振器橡膠圈的橡膠性能不穩定、配方不佳等;另外，減振器的減振參數也不盡合理，如動靜剛度比偏大，在10～40 kN荷載范圍內達1.4。國產減振器隨著使用時間的延長，軌道減振器的減振性能會大大降低，因此，為使減振器具有良好的減振性能，必須努力降低產品的動靜剛度比，優化橡膠材料的耐久性、抗老化性等綜合性能以及確保產品成型工藝的穩定性［10］。

減振器扣件主要存在以下弊端:

(1)扣件結構高度較大，不適宜直線電機系統感應板安裝高度的精確要求;

(2)內、外圈與減振橡膠墊硫化為一整體結構，需整體性更換，后期成本較高;

(3)綜合單價較高，較 GJ－Ⅲ型減振扣件高22%。

相比于LORD扣件和軌道減振器扣件，GJ－Ⅲ型減振扣件具有如下優點:

(1)橡膠件采用非線性設計，做到“低荷載低剛度，高荷載高剛度”，能滿足不同軸重車輛通行安全，特別是直線電機線路，更能體現此設計的優勢，能避免重軸車通過時，鋼軌出現大變形;

(2)橡膠件可根據老化情況，單獨進行更換，成本較低;

(3)可采用分開式設計，上下兩塊鐵板分離，上鐵板完全按照廣州地鐵普通扣件的承軌槽尺寸設計，保證扣件技術條件的一體性;可在制造廠家進行預組裝，也可在現場維修時局部更換零部件;

(4)減振效果較好，尤其是80～100 Hz低頻狀態下，見圖4(廣州地鐵5號線實測數據)。

廣州地鐵5號線全線減振地段共計7.4 km，超過8 dB的地段有4.7 km，小于8 dB的地段有2.7 km。由于五號線采用直線電機方式，對鋼軌的動態下沉有較高的要求，為慎重起見，在減振要求相對較低，小于8 dB的地段，大沙地—大沙東區間試鋪0.8 km雙層非線性減振扣件［11］。

圖4 GJ－Ⅲ減振扣件與單趾彈簧扣件振動加速度級對比

綜上所述，上述3種減振扣件均能滿足4號線北延段中等減振的設計要求。經技術和經濟兩方面綜合對比，GJ－Ⅲ型減振扣件減振效果較好、工程造價較低，性價比最好，故推薦廣州地鐵4號線北延段中等減振采用GJ－Ⅲ型減振扣件。

4 結語

國內城市軌道交通中等減振方案多采用扣件減振，彈性短枕因后期運營無法更換已很少采用。本文中的3種減振扣件是使用率最高的，在具體選用哪種減振扣件時，應結合工程的實際工況，經技術和經濟等多方面比選后，綜合確定，擇優選用。

［1］國家環境保護局.GB100070—88 城市區域環境振動標準［S］.北京:國家環境保護局，1988.

［2］北京城建設計研究總院.GB50157—2003 地鐵設計規范［S］.北京:中國計劃出版社，2003.

［3］國家環境保護部.HJ453—2008 環境影響評價技術導則·城市軌道交通［S］.北京:國家環境保護部，2009.

［4］任靜.Ⅲ型雙剛度軌道隔振器扣件的設計［J］.都市快軌交通，2007(1).

［5］李毅，丁靜波.雙層非線性減振扣件選型設計［J］.科技信息.2010(15).

［6］方劍.GJ－Ⅲ型減振扣件廣州地鐵一號線的技術應用［J］.城市建設·下旬刊，2010(02).

［7］郭建平，劉衍峰.城市軌道交通在8～12 dB范圍軌道減振降噪措施比較［J］.鐵道標準設計，2008(3).

［8］李湘久，楊月云，周才寶，張丁盛.軌道減振新型式－軌道減振器［J］.地鐵與輕軌，1989(1).

［9］王進，彭立群，侯海彪，林達文.軌道彈性減振器實驗方法的研究［J］.城市軌道交通研究，2006(3).

［10］黃友劍，趙熙雍，李金衛.橡膠產品在城市軌道交通中的應用［J］.橡膠科技市場，2004(20).

［11］中國船舶重工集團公司第七二五研究所.GJ－Ⅲ型減振降噪扣件在廣州地鐵5號線上的軌道動態測試及減振性能評估［Z］.洛陽:中國船舶重工集團公司第七二五研究所，2008.