北京新機場線車輛段上蓋物業開發軌道減振降噪設計

劉 瑋 李克飛 張東風

(1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055； 2.北京軌道交通建設管理有限公司，北京 100068)

1 概述

隨著城市軌道交通的迅速發展，車輛段、停車場上蓋開發綜合利用已成為新的熱點[1-2]。車輛段和停車場的合理開發對提高城市土地利用率[3]、優化城市空間布局[4]、彌補部分軌道交通建設成本有著重要現實意義[5-7]。目前，北京市已開展上蓋綜合利用的項目有四惠車輛段、郭公莊車輛段、馬泉營車輛段等[8]。總結已有上蓋開發的經驗，其關鍵問題之一就是合理控制車輛段的振動和噪聲。

北京軌道交通新機場線一期工程磁各莊車輛段位于大興區團河地區，占地30.3 hm2，為實現土地集約化利用，將咽喉區、聯合檢修庫、運用庫以及大型房地產開發進行一體化設計。其中，蓋上為非軌道交通運營管理的社會化房地產開發部分，包括商業樓、住宅樓及配套的公建區；蓋下為車輛段部分，包括運用庫、聯合檢修庫、工程車庫、洗車庫、材料棚、鏇輪庫、內燃機車庫等(見圖1)。

圖1 磁各莊車輛段物業開發示意

2 車輛段列車運行振動和噪聲特點

車輛段振動和噪聲主要包括列車在車輛段內運行產生的振動和噪聲，以及車輛段架修設備產生的振動與噪聲[9]。軌道設計要著重解決的是車輛運行產生的振動和噪聲[10]。車輛段內車速相對較低，地面振動主要表現在低頻(20～60 Hz)，噪聲源主要表現在中高頻(200～800 Hz)[11]。

車輛段列車運行產生的振動、噪聲源為：①列車自重通過輪軌接觸點引起的鋼軌周期性上下振動；②車輪經過鋼軌、道岔的接縫處或呈波紋狀鋼軌(表面磨損)時，車輪撞擊這些部位產生的沖擊振動，以及輪軌滾動噪聲、沖擊噪聲和摩擦噪聲[12]。這些振動及噪聲通過車輪、鋼軌、軌枕、道床、路基等向外傳播，當這些振動通過基礎、立柱及平臺等鋼筋混凝土結構時，振動受到的阻尼小，振級衰減較慢[13]。

上蓋物業車輛段軌道振動與噪聲具有以下特點。

(1)車輛通過速度低

車輛段內一般列車運行速度較低(除試車線外)，庫內線路運行速度更低。磁各莊車輛段咽喉區車輛最大運行速度不超過35 km/h，庫內線路速度一般小于5 km/h，出庫時速度為7～8 km/h。

(2)碎石道床減振體系不完善

磁各莊車輛段庫外咽喉區及試車線均采用混凝土枕碎石道床，其本身彈性較好，列車通過時的振動較整體道床低3 dB左右，但可適用于碎石道床軌道的減振形式不多(一般只有道砟墊和梯形軌枕兩種)。

(3)車輛段庫外線路小半徑曲線多，道岔多，接頭多

車輛段庫外一般采用有縫線路，鋼軌接頭多；咽喉區道岔多，小曲線半徑多(一般情況下150 m，困難條件100 m)。磁各莊車輛段咽喉區最小曲線半徑為200 m，實現無縫線路設計技術難度大(《鐵路無縫線路設計規范》(TB10015—2012)3.13條“允許鋪設無縫線路的最小曲線半徑為300 m”)。列車通過鋼軌接頭處的沖擊帶來的振動與噪聲是車輛段軌道振動與噪聲的最大影響因素之一。

3 軌道減振降噪設計措施

目前，車輛段上蓋減振降噪治理措施單一，軌道結構可采用的措施有限，在實際應用過程中存在過度投資、效果不理想等問題[14-16]。因此，根據車輛段上蓋開發的特點，需要設計安全可靠、經濟性好，適用于50 kg/m鋼軌和庫內檢查坑結構的減振措施。

3.1 庫內無縫線路

相較于正線，車輛段振動與噪聲控制有利的因素為車輛運行速度低，車輛空車運行；不利的因素為車輛段軌縫多，軌縫處振動沖擊大。因此，對于車輛段軌道，減少軌縫處的沖擊振動是減振降噪的關鍵。由于車輛段咽喉區小半徑曲線多、道岔多，采用無縫線路尚存在技術難度，目前還沒有實際工程案例，而庫內線路一般為直線，具備實施無縫線路的條件[17]。磁各莊車輛段的信號工程采用計軸設備，無需考慮在軌縫處設置絕緣軌節，故決定在磁各莊車輛段庫內采用無縫線路。

結合磁各莊車輛段庫內軌道結構類型，車輛段庫內無縫線路分別采用了鋼軌焊接、鋼軌凍結接頭夾板兩種形式。其中50 kg/m鋼軌凍結接頭夾板為專門針對車輛段上蓋物業開發的無縫線路設計產品，采用夾板與高強螺栓聯結鋼軌，使軌端密貼(實現無縫化)；50 kg/m鋼軌凍結接頭采用特制六孔夾板和高強度M24螺栓(10.9s)，以及匹配的螺母及平墊圈，可利用較高的緊固扭矩產生較大的接頭阻力，實現鋼軌接頭的有效凍結。該產品尤其適用于車輛段軌道，方便現場無縫線路的施工，增加了施工的靈活性和方便性(見圖2、圖3)。

圖2 磁各莊車輛段50 kg/m鋼軌凍結接頭夾板

圖3 磁各莊車輛段50 kg/m鋼軌凍結接頭夾板組裝

3.2 庫內高等級減振扣件

對于庫內線軌道，由于線路平直(可實現無縫線路)，運行速度低，再加上道床下土壤對固體噪聲的有效隔絕，振動及噪聲污染并不明顯，一般采用中、高等級減振扣件即可。

根據本工程環評咨詢報告的建議，庫內應采用浮軌或同等級減振效果的減振措施。考慮浮軌式扣件存在如下缺點：鋼軌調高及調距不方便；浮軌扣件定位塊易松動，增加了養護維修工作量；軌撐結構設置于軌腰處，與接頭夾板沖突，故決定研發適用于車輛段的高等級減振扣件。在既有雙層非線性減振扣件結構形式基礎上，采用多重彈性層形成串聯結構，以獲得較低的垂向剛度(扣件靜剛度為6～9 kN/mm)，進而達到較高的減振效果。該扣件主要特點：采用上鎖式雙層非線性的結構形式，技術安全可靠；采用彈性鎖緊結構進行扣件預組裝，提高了產品運輸和現場安裝施工效率；鋼軌調高及調距方便，方法與普通扣件相同；扣件組裝和拆卸方便，利于施工和養護維修(見圖4)。

圖4 磁各莊車輛段庫內高等級減振扣件

研發過程中，在南京地鐵小行車輛段進行了鋪設和測試。測試結果表明，該扣件減振效果≥8 dB(可滿足環評要求)。相較于DTⅥ2扣件，當列車速度為10 km/h時，相對插入損失ΔVLZmax為8.4 dB；當列車速度為20 km/h時，相對插入損失ΔVLZmax為10.4 dB。

3.3 庫外高效減振墊碎石道床

對于庫外線軌道(尤其是咽喉區)，此區域道岔密布，軌縫眾多，列車出庫速度增大，易產生軌縫沖擊振動，是振動控制的難點。目前，一般采用碎石道床下鋪設高效彈性減振墊、軌縫處安裝減振接頭夾板、安裝軌道減振扣件等措施。

道砟減振墊是一種質量彈簧系統，具有減振效果好，施工方便、快速，不影響過軌管線布置等特點[18-19]。

根據本工程環評咨詢報告的要求，在高效彈性減振墊使用壽命期內，設置高效彈性減振墊與道砟組合后，列車以速度25～35 km/h通過時，最大振級(VLzmax)較普通碎石道床減少10 dB。考慮咽喉區上蓋建筑物一般以住宅為主，對振動與噪聲的要求較高，咽喉區道砟厚度應適當增加。

由于車輛段碎石道床碎石顆粒不規則，在列車通過時，其碾壓可能會破壞砟下的彈性道砟墊。為確保道砟墊結構的彈性和結構的完整性，應在減振墊外設置保護層(見圖5)。

圖5 高效減振墊碎石道床

3.4 咽喉區小半徑地段阻尼鋼軌

車輛段咽喉區軌縫較多，一定程度上增加了輪軌的振動沖擊噪聲[20]。根據環評咨詢的建議，咽喉區小半徑曲線宜采用阻尼鋼軌(見圖6)。阻尼鋼軌的降噪原理是增加鋼軌阻尼，消耗有害振動能量，抑制鋼軌共振，降低輪軌振動及曲線“嘯叫”[21]。本工程采用的迷宮式阻尼鋼軌具有阻尼面積大、阻尼比高、約束剛度高、性能可靠等優點。

圖6 阻尼鋼軌

4 結束語

在既有上蓋物業開發軌道減振降噪成熟措施基礎上，研發了安全、可靠、經濟性好且適用于庫內50 kg/m鋼軌無縫線路的鋼軌凍結接頭夾板及高等級減振扣件，滿足上蓋的環評要求，解決了磁各莊車輛段上蓋物業開發的軌道振動與噪聲問題。下一步應進一步探索車輛段咽喉區無縫化成套技術，包括提升鋼軌等級、小半徑曲線實現無縫線路、采用可動心軌轍叉道岔等技術，為上蓋物業開發提供更安靜、更舒適、環境更友好的開發條件。