提升軌道交通減振綜合設計水平的探討

楊 惠 喜

(北京市軌道交通建設管理有限公司，北京 100037)

提升軌道交通減振綜合設計水平的探討

楊 惠 喜

(北京市軌道交通建設管理有限公司，北京 100037)

在總結軌道交通減振措施及應用經驗的基礎上，系統分析了為提升減振綜合設計水平需考慮的最高設計速度、特殊的橋梁結構類型、線路在線網中的建設時序等相關工程條件，并對減振設計需考慮的關鍵因素作了介紹，以確保鐵路長期運營的安全性。

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近年來，國內軌道交通建設規模不斷擴大，減振問題也越來越得到重視，減振需求也越來越大，減振措施種類不斷增多，工程經驗不斷豐富，技術水平不斷提高。

但在過去幾年的一些工程減振實踐中，也出現了一些問題和教訓，使我們意識到軌道交通的減振問題不光是一個減振效果和造價的問題，更是一個復雜的系統工程，不同減振措施的優劣及適應性不同，不同的工程也有不同的特點、條件及要求，減振措施的選擇和設計需考慮工程各種相關的工程條件，需關注除減振效果和造價之外的其他綜合因素，才能提升減振綜合技術水平。

1 主要軌道減振措施及應用狀況

1.1 軌道減振措施的分類

國內現有的軌道減振措施主要是按減振效果來劃分的，包括中等減振、高等減振及特殊減振三個檔次。

1.1.1 中等減振

減振效果5 dB～8 dB(隧道壁Z振級，下同)，類型主要有減振類扣件及彈性類軌枕等。

中等減振主要通過降低鋼軌支承剛度從而分散輪軌動態作用力的峰值實現減振，彈性類軌枕還有一定的參振質量，故僅從減振的角度，效果略優于減振類扣件。

中等減振結構簡單，造價較低，在各城市軌道交通中應用較多。但減振類扣件降低了對鋼軌的約束，在運量較大的城市和線路上易造成輪軌變形及磨耗異常，越來越慎用；彈性軌枕因生產及施工的問題較多，基本已淘汰；先鋒扣件經過幾年應用，現也基本僅限于既有線改造。

1.1.2 高等減振

減振效果10 dB～15 dB，類型主要有梯形軌枕、中型鋼彈簧浮置板、減振墊浮置板等。

高等減振主要通過彈性隔振元件支承的道床板分散輪軌動態作用力峰值并提供一定的參振質量實現減振，梯形軌枕及預制浮置板制造及鋪設精度很高，有助于提高軌道平順性，可實現更好的減振效果。

幾種高等減振各有特點，梯形軌枕耐久性好，承載能力強，對不均勻沉降適應性好，鋪設速度快，方便維修，在北京、上海、廣州等10多個城市軌道交通高架線及地下線有廣泛應用；減振墊浮置板構造簡單，能靈活適應道岔區的鋪設，在多個城市地下線及高鐵中有應用；中型鋼彈簧浮置板減振效果好，最早從上海開始推廣，因綜合造價相對較高，只在一些不便采用其他措施的工程中有應用。

1.1.3 特殊減振

減振效果15 dB以上，主要有重型鋼彈簧浮置板等。

特殊減振主要通過盡量加大浮置板體量并降低隔振器剛度來實現最好的減振效果，綜合造價也最高，對于線路下穿敏感建筑物或臨近需特殊保護的重要文物或精密儀器設備是不二之選。

幾種主要的軌道減振措施示意圖見圖1。

1.2 近年來軌道減振方面出現的問題

1.2.1 減振措施逐漸加強但仍存在投訴

在地鐵新線建設中，各方都對減振降噪十分重視，不斷加大投入，采取的減振措施也逐步加強，以北京為例，近年來很多線路減振長度已達到50%，特殊減振鋼彈簧浮置板的鋪設長度也達到或超過10 km或以上，但部分線路上仍存在振動噪聲投訴現象(見圖2)。

國內其他已有軌道交通開通運營的城市如上海、廣州、深圳、南京、天津、沈陽、成都、西安、杭州、蘇州等城市也都存在類似問題。

1.2.2 減振措施設置不當帶來各種問題

近年來部分工程開通運營后，在減振產生了一些問題和病害，給運營管理帶來麻煩和不便，個別問題甚至成為安全隱患。

1)鋼軌異常波磨(見圖3)。北京地鐵及其他城市部分線路開通運營后，在部分減振器扣件鋪設地段產生鋼軌異常波磨，鋼軌產生異常波磨導致振動及噪聲增大、車輛軌道零部件過早損壞，只能通過改造或打磨維修手段加以整治，增加了運營管理難度和成本。

2)軌道積水或影響維修。浮置板減振效果較好，但系統復雜，接口關系多，因此也容易出現一些問題和病害，如圖4所示的浮置板與普通軌道過渡段排水順坡往往存在問題，導致積水病害，影響減振效果和軌道結構的耐久性。之前大多數的浮置板還設計了配重凸臺，運營后發現對軌道防護、維修和更換作業的影響很大。

1.2.3 原因簡析

分析軌道交通減振方面出現問題的綜合原因，主要包括以下幾個方面：

1)減振涉及面廣(政府主管、規劃、環評、建設、設計、供貨、施工、運營等多部門；軌道、車輛、線路、土建等多專業)、過程長、因素多。

2)振動分析及預測的基礎理論、標準等方面有待完善。

3)減振環節單一，地下僅軌道減振為主，高架僅聲屏障為主，未實現綜合減振降噪。

4)新技術新產品上道應用待規范。

5)減振綜合因素(安全性、可靠性、穩定性、耐久性、可維修性、工程條件和接口適應性、施工依賴性、綜合造價等)有待更全面的考慮。

以下主要從工程條件和需求等方面探討如何提升減振綜合設計水平。

2 減振設計需考慮的相關工程條件

2.1 最高設計速度

常規的城區軌道交通最高設計速度一般都是80 km/h，但近年來越來越多的城市軌道交通向郊區延伸，速度達到100 km/h～120 km/h，個別項目甚至將采用140 km/h。

速度越高，一方面對軌道平順性及穩定性的要求越高，另一方面車輛懸掛剛度將提高，輪軌動載沖擊系數也有所不同，將會引起振動及噪聲源強的加大和頻譜改變。

對于速度提高后的線路，軌道減振措施的剛度及軌道幾何尺寸的精度均需相應適當提高，傳統的減振扣件和彈性軌枕因剛度較低，直接形成對鋼軌約束的削弱，對軌道動態平順性不利，慎在速度提高的線路上應用，優先考慮采用梯形軌枕或浮置板等整體性更好的減振措施。

2.2 線路平面及縱斷條件

線路平面方面主要是小半徑曲線的問題，每一條線路都存在為繞避特殊敏感點或障礙而設置小半徑曲線的情況，因此小半徑曲線往往也是需要采取高等或特殊減振措施的地段。

而小半徑曲線又是軌道主要病害環節之一(隧道施工誤差、鋼軌側磨、波磨、接頭、排水等)，輪軌作用力加大還會使振動源強放大。故小半徑曲線減振措施一要考慮更多的穩定性保障，二要考慮方便檢修，三要考慮充足的減振冗余量。

線路縱斷方面可能與減振發生關系的是排水及沉降病害等方面。隧道內一般在縱斷最低點設置排水泵房，在地質條件不好的情況下，排水泵房往往易產生較嚴重的不均勻沉降，在這些地段設置浮置板，容易出現積水、沉降調整困難等問題，需提前采取措施避免，可在前期設計中適當調整線路坡度，將線路最低點和泵房調整一下使其不與浮置板減振地段重疊。

2.3 特殊的隧道橋梁結構類型

圓形盾構隧道由一環一環的預制管片組成，頂進施工時較易出現偏差，地質條件不好時易產生不均勻沉降；此外，隧道盾構井、泵房、聯絡通道及隧道與車站銜接等結構斷面變化較大的部位易產生沉降及滲水積水等病害，在這些地段設置的減振措施，應能適應沉降和積水，而且方便檢查、調整和更換維修。

現有高等及特殊減振措施中，梯形軌枕為預制預應力框架板結構，承載能力強，排水溝為明溝，排水面較高，軌枕空吊易于檢查可填充，對隧道施工偏差的包容性也較大，適應性較好；鋼彈簧浮置板也能實現隔振器的檢查和更換，但對隧道施工偏差的包容性較小；采用滿鋪形式的減振墊浮置板對不均勻沉降及積水的適應性均較差，在這些地段宜慎用。

橋梁上對軌道荷載和高度的要求較為嚴格，一般橋梁軌道結構高度500 mm～540 mm，軌道自重荷載限值不大于20 kN/m，減振結構盡量不要超過，以免引起橋梁造價的增加。此外，大跨度橋梁的動態變形及梁端伸縮和轉角較大，徐變與預拱之間可能存在較大的偏差，減振措施應能充分適應。

2.4 特殊地質條件

對于軌道交通來說，可能遇到的特殊地質條件主要包括以下三類：

1)軟弱地層(沿海沿江地區)、地裂縫(西安等)或斷裂帶(北京、烏魯木齊等)。

這幾種特殊地質條件給軌道交通帶來的問題主要是不均勻沉降及滲水積水，這兩個問題一方面要線路、隧道橋梁結構等方面采取措施，對軌道減振結構而言，應優先選用自身強度高、對隧道橋梁變形適應性好、排水暢通、方便運營期間檢查和維修更換的減振軌道結構。

在前述幾種高等特殊減振措施中，梯形軌枕的適應性較好，減振墊浮置板的適應性差，鋼彈簧浮置板的適應性居中。

2)地下滲水鈣化及沉淀(珠三角、重慶等)。

國內軌道交通隧道內滲水積水現象較普遍，一般情況下均可通過排水措施加以處理，但地下水存在鈣化及沉淀時處理較困難，對于存在這種情況的線路，應采取可靠措施避免滲水或不采用只能通過暗溝排水的浮置板減振措施。

3)巖石地質(重慶、青島、大連等)。

國內大多數軌道交通線路遇到的一般都是各種土質地層條件，相應的振動源強、頻譜特性及傳遞規律等都有大量測試和分析。巖石地質條件較少遇到，相應的數據和經驗積累不足。定性地分析，巖石的剛度和彈性模量較大，阻尼較小，隧道結構的振動位移會減小，振動頻率會提高，但振動衰減速度會降低，此外，還需關注二次結構噪聲的幅值和影響。這種情況下，宜適當增加減振冗余量，并優先選擇固有頻率較低、減振效果好的減振措施。

2.5 行車運營工況

在以往的概念中，城市軌道交通軸重較輕、速度較低、線路通過總重較小，故對輪軌關系并不太重視，減振設計中往往只考慮盡量降低鋼軌支承剛度，以期望更好的減振效果，而忽視了給輪軌關系帶來的副作用。

但近年來在減振方面出現的問題表明，以下與城市軌道交通輪軌關系相關的特點不容忽視：

1)小半徑曲線及大坡道多，減振地段多、軌道類型多，而且頻繁過渡。

2)站間距小，列車頻繁啟動、加速、制動，且加減速度較大。

3)全自動駕駛采用了精確的運行圖，使得每一次列車都以相同的工況經過特定的位置，車輛對軌道施加的是單一周期性荷載和蠕滑作用。

4)施工工期短，開通運營前缺乏足夠的磨合，開通即達到設計負荷，白天運營時段長，行車間隔小，夜間停運維修時間短。

以上特點使很多部位的輪軌關系較差，可靠性降低，易誘發軌道疲勞傷損或異常磨耗，而維修又受到時間和空間的制約，使得問題難以得到及時有效的處理。

因此，減振措施的選擇要考慮對行車運營工況條件的充分適應性，在實現減振的同時，不能削弱軌道的穩定性，措施可靠性高，方便檢查、維修和更換。

2.6 施工工期及施工質量依賴性

施工質量對減振措施減振功能的實現至關重要。一方面，城市軌道交通工程的施工工期都被壓縮得較短，另一方面，減振等級越高的減振系統越復雜，施工質量的依賴性越高，越需要精心施工，施工速度越低，像普通軌道、減振扣件、彈性軌枕及梯形軌枕的施工速度約75 m/d～100 m/d，減振墊浮置板及鋼彈簧浮置板的施工速度約30 m/d～50 m/d。

故在減振措施選擇時，需考慮施工工期的影響及對施工質量的依賴性，工期緊張時，應選擇施工速度較快、施工質量依賴性低的減振措施；若施工質量依賴性較強、施工速度較慢的浮置板鋪設地段較長時，需預先籌劃合理的工期。

2.7 線路在線網中的建設時序

現有的減振措施技術成熟度及工程條件的適應性各有差異，在這個城市或工程中應用成功的技術，在另一個城市或工程中應用也可能出現問題，因此一個城市線網建設的經驗十分重要。

對于北京、上海、天津、廣州、深圳、南京等已成線網的城市，可總結既有線的實際運營經驗，在減振方面自成技術體系，事實上這些城市也是這么做的。但對于更多尚處在線網建設初期的其他城市而言，宜多借鑒參考同類工程條件下經過運營考驗、技術成熟的減振措施，以降低工程建設和運營的風險。

3 減振設計需考慮的關鍵因素

3.1 二次結構噪聲控制效果

大量實測表明，城市軌道交通引起沿線敏感點超標和投訴的往往不是振動，而是室內中低頻二次結構噪聲，但二次結構噪聲的產生及傳遞影響因素很多，目前既無可靠的預測方法，而且各種減振措施的預防效果也缺乏實測統計。早幾年的工程設計中不考慮二次結構噪聲，在出現問題后最近的設計中一旦有預測超標即采用特殊減振鋼彈簧浮置板措施，偏保守和不經濟。

實際上，根據一些研究，當振動水平位于60 dB～65 dB時(根據背景噪聲及受眾的敏感程度差異性有所區別)，二次結構噪聲基本可接受，這個振動值是嚴于國家現行振動標準的。因此在現階段對二次結構噪聲可復雜問題簡單化處理，通過采用稍微嚴格的振動限值來達到控制二次結構噪聲的目的。事實上，正在修編中的GB 10070-88城市區域環境振動標準正是采用的這一思路。

3.2 工程綜合造價

大多數工程減振措施選型時，造價成為決定性因素之一。但是，在工程設計中應考慮減振措施的綜合造價，綜合造價包括：

1)減振產品和服務采購成本，按普通軌道基礎上增加的造價計算，減振扣件或彈性軌枕約150萬元/km，梯形軌枕或減振墊約650萬元/km，鋼彈簧浮置板約850萬元/km。

2)施工現場工機料的差異所增加的造價，在普通軌道基礎上，減振扣件、彈性軌枕及梯形軌枕基本不增加造價，減振墊浮置板及鋼彈簧浮置板分別增加約100萬元/km，400萬元/km。

3)隧道、橋梁綜合造價，這部分造價的差異性較大，如在矩形隧道內，采用減振扣件、彈性軌枕及梯形軌枕的軌道結構高度560 mm與向軌道相同，則不增加隧道造價，但采用浮置板的軌道結構高度需650 mm，則隧道斷面需相應加大；在橋上，除軌道結構高度之外，還要考慮軌道自重荷載的影響，一般來說，若軌道自重荷載超過20 kN/m，橋梁設計即需加強，相應造價就會提高。

4)進一步地，宜將長期運營維修更換綜合成本納入考慮范圍，如彈性軌枕雖然初期成本低，但失效后更換為先鋒扣件代價高昂，可能超過1 100萬元/km；減振扣件引起鋼軌異常磨耗帶來的維修成本則難以估算。

3.3 輪軌關系的安全可靠性

結合近年來部分工程中出現的問題，現有減振類扣件剛度10 kN/mm太低，宜提高至18 kN/mm左右；另外，半徑曲線或不小于80 km/h線路宜盡量避免采用減振扣件。

目前已開通的城市軌道交通最高設計速度為120 km/h，已積累較多的減振設計運營經驗，但對于不小于140 km/h的工程，因車輛走行部相關參數和要求又有較大差異，為確保正常的輪軌關系安全可靠性，所有減振措施的參數均宜重新研究制定，而不能直接照搬先前低速線路的技術。

3.4 使用壽命、維修更換難度及成本

軌道長期直接承受列車動荷載的沖擊作用，因此結構和零部件的使用壽命應盡量長，當達到壽命時，檢查維修和更換要盡量方便，成本盡量低，減振軌道結構無疑增加了軌道系統的復雜性，更需強調長壽命、少維修的要求，需關注的主要因素包括以下兩方面：

1)減隔振部件的可靠性、穩定性及檢查維修更換的操作便捷性，尤其需重視不可更換或薄弱環節的使用壽命，如減振墊浮置板的減振墊、鋼彈簧浮置板隔振器的套筒及阻尼材料等。

2)各種不利運營條件對減振系統使用狀態長期不利的作用和影響，如隧道基礎不均勻沉降變形、積水、積淤、沉淀等。

3.5 技術完整性及成熟性

技術的完整性和成熟性體現在以下幾方面：

1)上道使用程序完整，包括立項、研發(設計)、試制、試驗、試鋪(示范工程)、測試、驗收、鑒定、推廣等過程，是技術管理的必要環節。

2)配套技術文件全面，包括設計技術標準、制造技術條件、安裝技術規程、安裝裝置設備、檢測方法及手段、運營維護管理手冊或指南等，是技術順利實施的基礎保證。

3)供貨及施工質量的可控性，即能保證批量化供貨和施工安裝質量的穩定性。

4)應用案例工程條件的充分性和代表性，即必須經過各種工程條件下應用的充分考驗和驗證，如各種車型、運量、速度、線路、敷設方式、地質、氣候環境條件等。

4 結語

為實現減振效果，軌道減振結構往往要降低支承剛度或增加參振質量，在扣件、軌枕或道床結構及與軌旁結構和設備的接口等方面采取特殊設計處理，這樣的改變將對行車、軌道、隧道橋梁、軌旁設備、排水等多方面產生影響，因此減振措施的合理選型和設計需全面考慮工程相關條件，綜合考慮各種關鍵因素的影響，方能在實現預期減振效果的同時，確保長期運營的安全可靠性。

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Inquiryonimprovingcomprehensivevibrationreductiondesignlevelofrailtransittraffic

YANGHui-xi

(BeijingRailTransitTrafficConstructionAdministrationCo.,Ltd,Beijing100037,China)

On the basis of summarizing rail transit vibration reducing measures and application experience, the paper analyzes conditions of the highest design speed, special bridge structure forms and line network construction for improving vibration reduction design level, and introduces critical vibration reducing design factors, with a view to guarantee long-term railway operation safety.

rail transit, vibration reduction, traffic, condition

1009-6825(2014)33-0147-04

2014-09-18

楊惠喜(1978- )，男，工程師

U213.2

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