地鐵環境影響評價中軌道隔振措施應用效果研究

謝詠梅，辜小安，劉揚

1.環境保護部環境工程評估中心，北京 100012

2.中國鐵道科學研究院，北京 100081

3.北京市地鐵運營公司，北京 100044

自1969年北京地鐵1號線建成開通以來，截至2010年底，我國已有13個城市開通了49條城市軌道交通線路(未含港澳臺)，運營里程達1425 km，城市軌道交通呈快速發展態勢。2010年內全國有29個城市96條線路(含續建段)正在建設，總里程超過2200 km，目前內地共有47個城市正在建設或規劃新的城市軌道線路，總規劃里程超過10000 km。

在城市軌道交通快速發展的同時，也給城市環境帶來了一定影響。對于地下線路，當列車運行時將在一定距離范圍內產生不同程度的振動干擾，目前常采用軌道隔振措施降低環境振動影響。其軌道隔振措施可大致分為扣件、軌枕和道床等三類:1)扣件類隔振措施包括GJ-Ⅲ扣件、Lord(洛德)扣件、科隆蛋(軌道隔振器)、Vanguard(先鋒)扣件等;2)軌枕類隔振措施包括彈性支承塊(彈性短軌枕)、梯形軌枕、彈性長軌枕等;3)道床類隔振措施包括橡膠浮置板、鋼彈簧浮置板。

由于對城市軌道交通軌道隔振實測效果的分析不夠充分和系統，目前在城市軌道交通環境影響評價及軌道隔振設計中，主要依據廠家提供的隔振性能，但是大多數廠家標稱的隔振性能并未詳細說明其分析頻率范圍和測試方法。筆者利用北京、上海和廣州地鐵運營線路的測試數據，分析各種軌道隔振措施在不同頻率下的隔振效果，提出了城市軌道交通環境影響評價中各種軌道隔振措施的應用效果等級劃分和采用措施的建議。

1 軌道隔振措施的應用效果

軌道結構主要由鋼軌、扣件及軌下基礎組成。輪軌之間的振動與軌道結構各部件的質量、剛度以及阻尼密切相關，不同形式軌道結構其振動也不同。理論與實際應用效果表明，每一種軌道隔振措施在不同頻率范圍、不同測試位置會有不同的隔振效果。目前關于軌道結構隔振效果的評價，尚無對應的標準規范。對于環境影響評價中要求的隔振效果，依據GB 10070—88《城市區域環境振動標準》，GB 10071—88《城市區域環境振動測量方法》和 HJ 435—2008《環境影響評價技術導則城市軌道交通》規定，應采用1～80 Hz的鉛垂向Z計權振級插入損失值作為隔振效果評價量。

但目前廠家或測量單位給出的各種隔振措施的隔振效果，一般對應于1～1000 Hz或更高頻率范圍內的不計權振動加速度級。如某鋼彈簧浮置板標稱的隔振效果為18～35 dB，其對應頻率范圍為10～2000 Hz(不計權)，但對于環境振動關注的1～80 Hz(Z計權)的隔振效果，在隧道壁處僅有16～19 dB，而對于水平距離30 m范圍內的地面環境振動，僅有8～12 dB。可見廠家標稱的隔振效果與環境影響評價中關注的隔振效果差別較大。表1為各種軌道隔振措施廠家標稱的隔振效果，因未注明適用的測量方法、評價量、頻率范圍、測點位置等與隔振效果直接相關的邊界條件，導致引用時存在諸多問題。一般情況下，廠家標稱的隔振效果均優于實際應用效果。

表1 各種軌道隔振措施廠家標稱的隔振效果Table 1 A variety of track vibration isolation effect of the manufacturers of nominal

針對國內城市軌道交通主要采用的軌道減振器、Vanguard(先鋒)扣件、Lord(洛德)扣件、彈性支承塊、梯形軌枕、橡膠浮置板、鋼彈簧浮置板等措施，根據國內已通車運營的北京地鐵4號、5號線，上海軌道交通9號線，廣州地鐵1號～4號線測試數據和相應線路的環境保護驗收結果，分析目前環境影響評價中對各種軌道隔振措施應用的合理性。表2為各種隔振措施在水平距離0～30 m范圍的地面環境振動實際隔振效果。其隔振效果均指各種軌道隔振措施相對于普通整體道床的插入損失值。插入損失(L1)的定義:式中，a2R為沒有隔振措施時測點的振動加速度有效值;a2為有隔振措施時對應測點的振動加速度有效值。

對式(1)進行變換，引入基準加速度(a0)=10-6m/s2，得到:

表明插入損失值即為有隔振措施與無隔振措施對比之下的振級之差。

由表2可見，軌道減振器、Lord(洛德)扣件、Vanguard(先鋒)扣件可降低環境振動Z振級2～6 dB;梯形軌枕、彈性支承塊可降低Z振級4～6 dB;橡膠浮置板可降低Z振級8 dB左右;鋼彈簧浮置板可降低Z振級7～14 dB。上述測量統計結果與環境影響評價提出的軌道隔振措施隔振效果有差異，實際應用中應按照地面Z振級隔振效果確定。

表2 各種軌道隔振措施地面Z振級隔振效果(水平距離0～30 m范圍內)Table 2 The variety of track vibration isolation effect of the ground Z(horizontal distance of 0～30 m range)

表3給出了各種軌道隔振措施在隧道壁處對應于1～80 Hz(Z計權)、1～200 Hz(不計權)、1～1000 Hz(不計權)范圍內的隔振效果實際測量值。由表3可見，軌道隔振器可降低隧道壁處，對應于1～80 Hz(Z計權)為3～4 dB，1～200 Hz(不計權)為9 dB，1～1000 Hz(不計權)為10 dB;梯形軌枕可降低隧道壁處，對應于1～80 Hz(Z計權)為4～8 dB，1～200 Hz(不計權)為10 dB，1～1000 Hz(不計權)為15 dB;彈性支承塊可降低隧道壁處，對應于1～80 Hz(Z計權)為5～8 dB，1～200 Hz(不計權)為10 dB，1～1000 Hz(不計權)為 14 dB;橡膠浮置板可降低隧道壁處，對應于1～200 Hz(不計權)為7～10 dB;鋼彈簧浮置板可降低隧道壁處，對應于1～80 Hz(Z計權)為16～19 dB，對應于1～200 Hz(不計權)為18～24 dB，1～1000 Hz(不計權)為20～28 dB。可以看出，無論何種軌道隔振措施，高頻隔振效果均優于低頻隔振效果。

表3 各種隔振措施隧道壁處不同頻段的隔振效果Table 3 The tunnel wall vibration in different frequency bands of the vibration isolation effect of dB

2 軌道隔振措施頻率特性

城市軌道交通地下線振動頻率因受軌道結構形式、列車類型、運行速度、隧道結構、地質條件、建筑物結構等因素影響，將會有不同的振動頻率特性。圖1和圖2分別給出了彈性支承塊和鋼彈簧浮置板兩類典型隔振軌道在隧道壁處不同頻率下的隔振效果。

北京地鐵4號線采用的彈性支承塊(扣件型式為彈條Ⅱ型)在圓形隧道壁處的隔振效果，峰值頻率出現在63 Hz左右;與普通整體道床(扣件型式為DT-Ⅵ)相比，對高于40 Hz的振動具有較大的衰減(圖1)。

北京地鐵4號線采用的鋼彈簧浮置板(扣件型式為彈條Ⅱ型)在圓形隧道壁處的隔振效果峰值出現在40 Hz;與普通整體道床(扣件型式為DT-Ⅵ)相比，對高于12.5 Hz的振動具有較大的衰減(圖2)，該頻率對應的振動可引起列車運行產生的二次輻射噪聲影響，鋼彈簧浮置板對控制列車運行產生的二次輻射噪聲影響更為有效。

3 結論與建議

3.1 軌道隔振措施隔振效果

根據對數據的統計分析，目前國內城市軌道交通采用的軌道隔振措施對地面環境振動的隔振效果由大到小依次為:鋼彈簧浮置板，橡膠浮置板，梯形軌枕和彈性支承塊，科隆蛋(軌道減振器)、Lord(洛德)扣件和Vanguard(先鋒)扣件。其中科隆蛋(軌道減振器)、Lord(洛德)扣件、Vanguard(先鋒)扣件可降低地面Z振級2～6 dB;梯形軌枕、彈性支承塊可降低地面Z振級4～6 dB;橡膠浮置板可降低地面Z振級8 dB;鋼彈簧浮置板可降低地面Z振級7～14 dB。無論何種軌道隔振措施，均為高頻隔振效果優于低頻隔振效果。

為方便選擇，對不同軌道隔振措施歸類如下:一般隔振措施為DT-Ⅵ型扣件、GJ-Ⅲ型扣件、Lord(洛德)扣件、科隆蛋(軌道減振器)、Vanguard(先鋒)扣件等;中等隔振措施為梯形軌枕、彈性支承塊等;較高等級隔振措施為橡膠浮置板等;特殊隔振措施為鋼彈簧浮置板等。

3.2 軌道隔振措施應用效果等級劃分建議

建議環境影響評價中在考慮軌道隔振措施應用效果時，可參照如下原則選擇:1)對于環境振動預測超標量(VLz)≤3 dB的路段，采取一般隔振措施，如DT-Ⅵ型扣件、GJ-Ⅲ型扣件、Lord(洛德)扣件、科隆蛋(軌道減振器)、Vanguard(先鋒)扣件等。2)對于VLz為3～≤6 dB的路段，采取中等隔振措施，如梯形軌枕、彈性支承塊等。3)對于VLz為6～8 dB的路段，采取較高隔振措施，如橡膠浮置板等。4)對于VLz≥8dB的路段，采取特殊隔振措施，如鋼彈簧浮置板等。

除以上措施外也可采用經實際驗證具有同等環境振動隔振效果的隔振措施。

3.3 主要軌道隔振措施隔振頻率特性分析

采用彈性支承塊，隧道壁處的振動加速度在63 Hz處出現峰值，對高于40 Hz的振動具有較大的衰減。采用鋼彈簧浮置板，隧道壁處的振動加速度在40 Hz處出現峰值，對高于12.5 Hz的振動具有較大的衰減，對控制列車運行產生的二次輻射噪聲影響更為有效。

隧道壁處對應于不同上限截止頻率，振動水平不同，隔振效果也不同，截止頻率越高，振動水平越高，隔振效果越好。隧道壁處對應于1～1000 Hz(不計權)與1～80 Hz(Z計權)的隔振效果可相差6～11 dB;因此環境影響評價中隔振措施的效果評價，應注意是1～80 Hz頻率范圍并Z計權。

4 展望

(1)軌道隔振措施應用時，還應綜合考慮軌道隔振措施工程的可施工性、可維護性、可更換性、使用壽命及鋼軌異常波磨影響等諸多綜合要素，因此關于城市軌道交通隔振措施應用效果的綜合評價，還有待進一步列專題開展相應內容的深入研究。

(2)根據北京地鐵4號線測試結果，對于地下線路當列車運行通過時，在隧道壁處引起的1～80 Hz范圍內的Z振級，VLz10值低于VLzmax值2～4 dB;但對于地面建筑物內，兩個評價量對應的振動值差別不大，該結果也在北京地鐵5號線、廣州地鐵3號線得到驗證，該結論在環境影響評價中應予以重視。

［1］交通部公路科學研究所.北京地鐵5號線竣工環境保護驗收調查報告［R］.北京:環境保護部環境工程評估中心，2008.

［2］上海船舶運輸科學研究所.上海軌道交通9號線工程竣工環境保護驗收調查報告［R］.北京:環境保護部環境工程評估中心，2010.

［3］中國環境監測總站.廣州地鐵1號線工程竣工環境保護驗收調查報告［R］.北京:環境保護部環境工程評估中心，2000.

［4］中國環境監測總站.廣州地鐵2號線首期工程竣工環境保護驗收調查報告［R］.北京:環境保護部環境工程評估中心，2004.

［5］環境保護部環境工程評估中心.廣州地鐵3號線工程竣工環境保護驗收調查［R］.北京:環境保護部環境工程評估中心，2008.

［6］北京鐵科工程檢測中心.北京地鐵4號線軌道減振措施性能測試評估報告［R］.北京:北京軌道交通建設管理有限公司，2010.

［7］北京鐵科工程檢測中心.北京地鐵5號線軌道減振措施減振性能測試評估報告［R］.北京:北京軌道交通建設管理有限公司，2008.

［8］北京交通大學，北京地鐵設計研究所.北京地鐵5號線軌道減振措施減振性能測試評估報告［R］.北京:北京軌道交通建設管理有限公司，2009.

［9］鐵道科學研究院鐵道建筑研究所.廣州地鐵1號線軌道動態測試及減振性能評估報告［R］.廣州:廣州市地下鐵道公司，2007.

［10］中船重工集團七二五研究所.廣州地鐵1號線GJ-Ⅲ減振扣件減振性能評估報告［R］.廣州:廣州市地下鐵道公司，2010.

［11］鐵道科學研究院鐵道建筑研究所.廣州地鐵3號線軌道動態測試及減振性能評估報告［R］.廣州:廣州市地下鐵道公司，2007.

［12］鐵道科學研究院鐵道建筑研究所.廣州地鐵4號線軌道動態測試及減振性能評估報告［R］.廣州:廣州市地下鐵道公司，2007.

［13］徐建.隔振設計規范理解與應用［M］.北京:中國建筑工業出版社，2009.

［14］孫家麒.城市軌道交通振動和噪聲控制簡明手冊［M］.北京:中國科學技術出版社，2002.?