車輛段上蓋開發軌道振動噪聲控制技術研究

馬曉華，曲 村，鄭瑞武

(1. 北京城建設計發展集團股份有限公司，北京 100037；2. 北京市軌道結構工程技術研究中心，北京 100037；3. 城市軌道交通綠色與安全建造技術國家工程實驗室，北京 100037)

自20世紀60年代北京建成第一條地鐵線路以來，經過50多年的發展，中國進入了城市軌道交通的蓬勃發展期[1]，北京、上海、廣州等多個城市相繼進入城市軌道交通網絡化運營時代，城市軌道交通已經成為解決大中城市交通問題的主要方式。

隨著城市軌道交通的快速發展，工程建設占用了大量的城市土地，其中車輛段(停車場)占地面積較大，但土地利用率卻相對偏低。隨著城市軌道交通線網的完善，城市規模也在不斷擴大，而土地作為稀缺資源，利用價值不斷攀升。因此，有必要對車輛段的土地進行綜合利用。目前，對車輛段土地進行上蓋開發已成為一種趨勢。

車輛段上蓋開發是在保證軌道交通功能的前提下，結合車輛段(停車場)布局特點進行的開發利用，除南京地鐵1號線南延線大學城停車場是高架模式外，其余物業開發一般均為地毯模式。目前，上蓋開發結構形式主要有轉化層大平臺和核心筒落地(剪力墻落地)兩類，上蓋區多采用梁式轉換或隔振支座，如寧波地鐵天童莊車輛段、杭州地鐵七堡車輛段、北京地鐵東小營車輛段等。

上蓋開發的建筑類型很多，主要包括住宅、學校、醫院、商業辦公、休閑娛樂、綠地等。早期的上蓋開發主要集中在運用庫和部分落地區，如北京地鐵郭公莊車輛段、平西府車輛段，無錫地鐵雪浪停車場等；后期逐漸向車輛段咽喉區擴展，如北京地鐵五路停車場、杭州地鐵五常車輛段、福州地鐵新店車輛段等；現在很多車輛段都進行了全上蓋物業開發，如北京地鐵北安河車輛段、東小營車輛段、石家莊地鐵嘉華車輛段等。

目前我國對地鐵車輛段(停車場)進行上蓋開發的主要有香港、北京、上海、廣州、深圳、杭州、蘇州、無錫、合肥、長沙、廈門、福州、鄭州、石家莊、寧波、武漢、西安等城市[2-4]。

1 車輛段上蓋開發發展歷程

香港地鐵在1977年建設荃灣線時，就考慮了地鐵上蓋開發。隨著荃灣線荃灣車輛段、將軍澳線將軍澳車輛段、港島線柴灣車輛段的成功開發，我國其他城市也陸續開始了地鐵車輛段的上蓋開發建設。

我國內地早期在北京地鐵1號線四惠車輛段進行了上蓋開發的嘗試，結構型式為2層大平臺[5]，上蓋開發建筑直接位于平臺頂面，除車輛段外，復八線、八通線正線均從大平臺下通過。目前，車輛通過時上蓋開發的房屋內輪軌振動噪聲明顯，體感較差。隨著軌道交通建設和運營的不斷發展，城市軌道交通引發的居民投訴也不斷增加，在2008年之前，國家環境保護總局要求車輛段(停車場)等設施與居民區等敏感目標的距離控制在30 m以上，上蓋開發除了四惠車輛段的嘗試外，基本上處于停滯狀態。

2008年后，隨著北京奧運會的舉辦，軌道交通帶來周邊土地的升值，越來越多的人口涌入大城市，住房供求關系日趨緊張。上海、北京等城市物業開發項目相繼落地。

隨著軌道交通技術的進步和大城市住宅需求的不斷攀升，國家對于車輛段開發的態度也在發生轉變。2015年以后國家生態環境部提出：在滿足標準要求的情況下，不反對車輛段(停車場)上蓋建設敏感建筑物。

目前，全國各大城市地鐵車輛段上蓋開發建設開展得如火如荼，但也存在著軌道振動噪聲超標[6]、消防與降噪沖突等方面的問題。本文主要對已有工程出現的軌道振動噪聲問題和控制措施進行總結和分析，為后續工程提供技術支持。

2 車輛段上蓋物業開發的振動與噪聲分析

車輛段(停車場)一般包含出入線、庫外線、庫內線，車輛段還包含試車線，主要承擔停車列檢、綜合維修、試車等作業。車輛段(停車場)線路特征與正線有明顯區別：空車低速運行、曲線半徑小，大部分線路位于平坡，接頭多、道岔多。

車輛段(停車場)相較于正線有以下特點：

(1) 早上發車時間比正線早，晚上收車時間比正線晚，振動及噪聲的影響時段比正線更長。

(2) 車輛段上蓋物業開發完全在其正上方，列車引起的振動波不經過土體的衰減，直接通過道床、立柱傳遞到上蓋作用的平臺上，影響更大。

(3) 庫外線最小曲線半徑一般為150 m，列車通過小半徑曲線時會產生摩擦嘯叫聲[7]。

(4) 除試車線外一般均采用普通線路，車輛經過鋼軌接頭時“咣當”聲頻繁出現[8]。

(5) 庫外線道岔多采用50 kg/m鋼軌7號系列道岔，為固定型轍叉，車輛通過道岔“有害空間”的振動放大聲明顯。

車輛段(停車場)振源主要是軌道車輛在鋼軌行駛時，輪軌的不平順及車輪與軌道的摩擦、撞擊等造成的，會通過車輪及鋼軌以及軌枕、道床等結構向外傳播[9]。由于輪軌沖擊作用而引起軌道振動，該振動波通過道床傳遞到上蓋，激發周邊建筑物產生振動，并進一步誘發室內結構的二次振動和振動噪聲[10-11]。

噪聲主要來源于車輛段(停車場)自身公用設備運行、汽車噪聲、車輛段運行噪聲、地鐵風亭和冷卻塔噪聲等。

本文主要針對軌道專業設計可以改善的輪軌振動及二次結構噪聲進行分析。

3 運營車輛段上蓋開發采取的減振降噪措施

車輛段上蓋開發，目前多采用源強減振，其中軌道減振措施最為成熟。國外常采用的措施有減振接頭夾板、減振扣件和鋼軌阻尼等。

上蓋開發除了源強減振外還應考慮采取綜合減振降噪措施，傳播途徑的減振降噪包含隔振溝、剛性排樁或筏基等；建筑物減振降噪可以考慮采用隔振支座、浮置樓板等減振措施，聲屏障、隔音玻璃、隔音窗等降噪措施。國內目前在地鐵上蓋開發中采取了多種措施，技術較國外更為先進、種類更多，現運營車輛段上蓋開發，多是考慮振源減振，采取軌道類的減振降噪措施，主要措施分析如下。

3.1 鋼軌類措施

鋼軌作為輪軌的接觸面，是輪軌沖擊振動的源頭，目前常采用的措施主要有：

(1) 保持良好的輪軌關系。良好的輪軌關系可以有效地減少輪軌振動及產生的二次結構噪聲。目前，國內多個項目測試報告顯示，同樣的軌道結構形式，不同車輛通過，振動差別為3～7 dB；同樣車輛不同養護狀態振動差別達到3～7 dB。建議定期打磨鋼軌、定期鏇輪，在小半徑曲線地段設置涂油器等措施既可以保持良好的輪軌關系也可以減少嘯叫聲，也是目前最易采用、最普遍的措施。

(2) 采用重型鋼軌和降低鋼軌高度。地鐵車輛段項目一般采用50 kg/m鋼軌，這也是地鐵設計規范的要求。根據以往的研究經驗，增加鋼軌重量可以有效抑制鋼軌的垂向振動，降低鋼軌高度和寬度可以減少鋼軌垂向和橫向輻射。

(3) 減小鋼軌接頭沖擊振動。目前，可以通過采用減振接頭夾板[12]、凍結接頭和焊接接頭的方式實現減小鋼軌接頭沖擊振動的目標。無上蓋開發的車輛段多采用普通接頭，接頭沖擊振動能量大，在鋼軌接縫處采用減振接頭夾板，可以減小接頭沖擊振動，達到減振的效果。減振接頭夾板主要是通過將接頭夾板中間部位加高至與軌面平齊，當車輪通過接頭范圍時，減振接頭夾板頂面與鋼軌頂面同時接觸車輪，減振接頭夾板剛度大，可以減小車輪通過軌縫時的臺階和折角，從而減小接頭沖擊振動。其目前在蘇州地鐵太平車輛段，長沙地鐵黃興車輛段，北京地鐵東小營車輛段、北安河車輛段、天竺車輛段等均有采用。

庫內線采用普通線路，后期物業開發實施后多建議采用焊接接頭，鋼軌焊接取消了接縫，可以徹底消除列車通過時的沖擊振動、打擊噪聲，是最直接減小輪軌沖擊振動的方式。庫外線由于最小曲線半徑多為150 m，且道岔數量多，不滿足《地鐵設計規范》(GB 50157—2013)鋪設無縫線路的條件，不建議大面積采用焊接接頭。

將準備好的插干挖穴栽植，每穴垂直插干一株。插干所需洞穴由人工挖深法或水沖法獲得。將剪制好的插條每30個捆成一捆，頭朝上，插干2/3置于清潔的流水中浸泡，時間約30～40d為宜。若無流水條件，視水位而定(低于插干1/3處)及時灌水浸泡。

庫內線和試車線多個車輛段上蓋開發項目通過采用焊接長軌條的方式取消接縫，是目前庫內線減振降噪的首選方案之一，北京地鐵五路停車場、郭公莊、平西府、北安河，杭州地鐵七堡、湘湖等車輛段(停車場)均采用了此類方案。運營線路采用鋁熱焊較為便捷，從目前焊接方法反饋來看，鋁熱焊的折損率約為0.5%。北京運營部門不建議在既有線上采取鋁熱焊，因此平西府車輛段和五路停車場上蓋開發后采取了凍結接頭。東小營車輛段采用移動閃光焊，相較于鋁熱焊、閃光焊焊接效果更好，質量更容易控制。

(4) 采用鋼軌阻尼降噪裝置。庫外線最小曲線半徑多為150 m，輪軌作用產生的噪聲比較大，建議在庫外線鋪設鋼軌阻尼降噪裝置。鋼軌阻尼降噪裝置主要用于降低噪聲及延緩鋼軌的波磨，產品的有效作用頻率范圍應在800～8 000 Hz。

鋼軌阻尼降噪裝置[13-14]在上海地鐵吳中路車輛段、蘇州地鐵太平車輛段、杭州地鐵七堡車輛段、北京地鐵東小營、北安河車輛段等均有采用。鋼軌阻尼降噪裝置主要有兩類產品，一類是調頻式鋼軌阻尼降噪裝置(TRD)，如圖1所示；一類是寬頻型鋼軌阻尼減振降噪裝置(TMD)，如圖2所示。

TRD作用原理為：當鋼軌發生振動時，諧振質量塊產生諧振，轉移吸收鋼軌振動能量，抑制鋼軌振動，衰減鋼軌振幅，降低鋼軌的振動和噪聲輻射。

TMD是在鋼軌表面設置由阻尼材料和約束板構成的復合阻尼板并在軌腰設置吸振器。采用這種阻尼結構后，列車運行時鋼軌的振動強迫阻尼體產生剪切變形，將鋼軌的振動能量轉化為熱能，降低鋼軌所產生的振動，相應的噪聲也大幅降低。軌腰吸振器通過調整質量塊和彈簧系統的剛度可以實現精準調頻。

采用鋼軌類的減振措施在正線上減振效果不小于3 dB，低速狀態下缺乏測試數據，工程設計中認為采用此類措施可以有效緩解輪軌振動對上蓋建筑的影響；鋼軌阻尼降噪裝置在招標中要求在車輛段使用降噪效果不小于3 dB。

3.2 扣件類措施

1) 將普通扣件更換為減振扣件

扣件類減振措施是指通過更換車輛段的普通扣件為減振扣件達到減振的效果，在北京地鐵五路停車場、郭公莊車輛段、平西府車輛段、北安河車輛段、鄭州地鐵鐵爐西車輛段等均有采用。車輛段減振扣件主要有壓縮型扣件、浮軌式扣件兩類，壓縮型扣件包含雙層非線性減振扣件和分體嵌套式減振扣件。浮軌式扣件如圖3所示，雙層非線性減振扣件如圖4所示，分體嵌套式減振扣件如圖5所示。

圖3 浮軌式扣件

圖4 雙層非線性減振扣件

圖5 分體嵌套式減振扣件

浮軌式扣件把約束鋼軌的部位由軌底移動到軌腰，從鋼軌兩側夾緊鋼軌，正常工作時鋼軌處于懸浮狀態，利用彈性體的剪切特性，最大限度地獲得低的垂向剛度，減少振動向軌下基礎傳播，目前此類扣件在北京地鐵五路停車場、北安河車輛段、福州地鐵新店車輛段等有所采用。

(1) 雙層非線性減振扣件采用分離式結構，由軌下橡膠墊板、上鐵墊板、中間橡膠墊板、下鐵墊板和自鎖機構等組成，利用兩層橡膠墊板的壓縮變形實現減振，橡膠墊板與鐵件分離，可實現單獨更換。雙層非線性減振扣件目前主要應用于北京地鐵磁各莊車輛段、西安地鐵阿房宮車輛段等。

(2) 分體嵌套式減振扣件采用子母鐵墊板分體嵌套的理念，由子鐵墊板、基礎彈性墊板、母鐵墊板、絕緣緩沖嵌套圈和其余常規零件如彈條、螺旋道釘、軌距墊等組成，該扣件的特點是：可與普通扣件實現通用互換；減振能力達到同類產品較高水平；造價便宜；結構簡單、拆卸方便，可更換減振橡膠，降低維修費用等。分體嵌套式減振扣件目前主要應用于西安地鐵阿房宮車輛段。

減振扣件多用于庫內線的減振，也應用于北京地鐵北安河車輛段和磁各莊車輛段等庫外線。

2) 更換扣件墊板為高彈性墊板

更換扣件墊板[15-16]通過將普通扣件墊板更換為彈性更好的材料達到減振效果。在車輛段上蓋開發初期，在深圳地鐵蛇口西車輛段、塘朗車輛段，長沙地鐵黃興車輛段，無錫地鐵雪浪停車場等采用了將庫內扣件墊板更換為熱塑聚酯高彈性墊板的措施，通過降低扣件節點靜剛度以滿足減振的需求。該方案相較于其他減振措施投資低、養護維修工作量小，但其減振效果也較為依賴于中標廠家提供產品的質量。

扣件類減振措施在正線的減振效果一般不小于5 dB，車輛段低速狀態下減振效果測試數據比較少，暫沒有統一的標準。

3.3 軌枕類措施

1) 合成軌枕

目前為止僅在北京地鐵北安河車輛段庫外線上蓋開發項目中采用過合成軌枕作為減振降噪措施，主要使用在道岔區，合成軌枕的優勢在于其與各種扣件配套使用靈活，但相對成本較高。

2) 梯形軌枕

梯形軌枕是一種在正線常用的高等減振措施，主要應用在廣州、上海等地的地鐵車輛段項目，出入線和試車線均有使用，梯形軌枕鋪設示意如圖6所示。調研發現常使用的梯形軌枕為在縱梁下部鋪設減振墊，主要由預制預應力混凝土縱梁與鋼軌形成雙彈性疊合梁，增大軌道抗彎剛度，擴大輪軌力分布范圍，降低基底輪軌動態力的峰值和變化幅度，從而改善輪軌動力學性能，起到減振作用。該方案實施時需要注意在小半徑曲線段鋪設的精度。

圖6 梯形軌枕鋪設示意

合成軌枕在車輛段是否存在減振效果有爭議，梯形軌枕正線減振效果不小于10 dB，車輛段梯形軌枕的減振效果在行業內尚未達成共識。

3.4 道床類措施

1) 減振墊

減振墊在碎石道床和整體道床均有鋪設，墊按照材質可以分為橡膠和聚氨酯兩大類。橡膠類材料利用橡膠下部凸臺的變形、橡膠實體的剛度和阻尼層實現減振的目標；聚氨酯類是由聚氨酯材料發泡而成的微孔彈性體形成，通過實體的高彈特性實現減振。

碎石道床區減振墊施工時，首先在滿足壓實度要求的路基上開挖厚度不小于200 mm的基底，綁好鋼筋，澆筑混凝土底板，鋪設減振墊和道砟，起道至設計高程。其在國內大多數車輛段上蓋項目庫外線和試車線上均有使用，庫外線減振墊如圖7所示。庫內線檢查坑地段減振墊鋪設在結構橫梁下，按照檢查坑的形式進行側面包裹(按照實際工況選擇)，庫內線減振墊鋪設效果如圖8所示。庫內線鋪設減振墊的項目主要有北京地鐵北安河、東小營車輛段，石家莊地鐵嘉華車輛段等。該方案需要注意必須鋪設減振墊基底，以保持良好的狀態，另外在水位較高地段采用聚氨酯材質需要對材料的吸水率提出要求，以免減振墊泡水后影響減振效果。

圖7 庫外線減振墊

圖8 庫內線減振墊鋪設效果

目前北京地鐵16號線北安河車輛段在道岔區采用了減振墊與減振扣件組合的減振措施。

2) 道砟加厚

在車速、土層相近的深圳地鐵前海車輛段和橫崗車輛段采用單層道砟和雙層道砟不同工況下，振動源強相差8.1 dB[17]，通過模擬計算發現道砟每加厚10 cm相較于普通碎石道床振動減弱4 dB，加厚20 cm減弱約6.5 dB。因此，在北京地鐵東小營車輛段上蓋開發中，庫外線采取了加厚道砟的方案，交叉渡線區段加厚20 cm，其余地段加厚10 cm。后期在北京地鐵磁各莊、石家莊地鐵嘉華車輛段上蓋物業開發項目中也采用了此方案。該方案工程實施容易，但在全上蓋開發中需要預留足夠的軌道結構高度，以免后期影響上蓋下凈空。

3) 鋼彈簧浮置板

車輛段內整體道床鋼彈簧浮置板主要用在出入線整體道床地段和試車線整體道床，其工況近似于正線工程，相關案例也比較多。

在合肥地鐵濱湖車輛段首次采用了碎石道床鋼彈簧浮置板，如圖9所示。系統設計固有頻率為6 Hz，在混凝土基礎上設置現澆槽形板，側式鋼彈簧隔振器支撐在結構底板，槽形板內鋪設道砟。

圖9 碎石道床鋼彈簧浮置板

此方案需要的軌道結構高度比較大，北京地鐵馬泉營車輛段軌道結構高度為1.84 m，合肥地鐵濱湖車輛段軌道結構高度為1.35 m，都用在試車線，相較于以往車輛段采用的碎石道床基礎處理費用也有所增加。上述工程在單開道岔區采用了此方案，而交叉渡線區因為荷載較大，采用此方案需要根據實際情況進行分析，目前沒有應用案例。

正線減振墊、鋼彈簧浮置板的減振效果不小于10 dB，對于低速狀態下的減振效果，目前已知的測試數據離散性比較大。

4 結論及建議

本文通過調研和分析目前全國各城市車輛段(停車場)常用的軌道減振降噪控制措施，在實際使用中建議根據工程具體情況選擇合理的方案，建議如下：

(1) 車輛段開發初期需要結合振動噪聲分布情況，合理設置上蓋的業態分布；上蓋物業開發中軌道方面的改進措施是目前最為成熟的減振降噪控制措施，但是同時也要意識到車輛段的激勵、荷載與正線不同，軌道專業對其研究也處于初期階段，上蓋開發設計還要充分考慮綜合減振措施，如隔振措施、結構減振措施等。

(2) 車輛段內行駛車輛最大的特點是低速、空載，各類措施的減振效果在行業內未達成共識，工程中不能將正線的減振效果數據引用到車輛段；另外車輛段內振動噪聲的傳播途徑與正線不同，直接由道床、柱傳遞到上蓋，目前對于車輛段的減振降噪處于研究階段，有必要對振源、已采取的措施效果進行綜合的測試研究。

(3) 車輛段在庫內采用軌道減振措施，建議首選焊接接頭，出庫速度控制在5 km/h以內，東小營車輛段采用的無縫線路方案相較于普通線路，費用增加約25 萬元/km，為最成熟、安全性最高的方案。困難時考慮采用減振扣件或者鋪設減振墊道床，減振扣件在上蓋開發項目中應用較多，磁各莊車輛段鋪設減振扣件增加費用約76.3 萬元/km；減振墊方案在北安河和東小營項目中應用，效果如何需要進一步驗證，東小營車輛段庫內線采用全包裹的減振墊方案，增加費用約352.8 萬元/km。

車輛段庫外線軌道減振降噪措施首選道砟加厚、減振接頭夾板，東小營車輛段采用此方案增加費用約為20 萬元/km；困難時考慮鋪設減振墊或者梯形軌枕，采用減振墊一般增加費用506萬元/km，梯形軌枕增加費用600 萬元/km；對于組合道床的減振措施慎用；庫外線和試車線軌道減振降噪控制措施建議采用鋼軌阻尼降噪措施，此措施中應采用含質量塊、彈簧系統、彈性元件的裝置。試車線軌道減振措施建議采用鋪設減振墊或者鋼彈簧浮置板的措施。

(4) 建議車輛段上蓋開發下階段進一步深化研究鋼軌接頭處的措施，盡量減少道岔區有害空間的影響。