城市軌道交通軌道振動(dòng)噪聲成因及整治措施研究

佘才高，曲 村，鄭 軍，王 宇，孫大新，徐壽偉

(1.南京地鐵集團(tuán)有限公司，南京 210008；2.北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100037；3.北京市軌道結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，北京 100037；4.城市軌道交通綠色與安全建造技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100037；5.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

隨著我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力的不斷提高，各大主要城市的軌道交通正在迅猛發(fā)展。四大超一線城市(北京、上海、廣州、深圳)以及眾多新一線城市(如成都、武漢、南京、重慶等)的軌道交通相繼開始網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營[1-8]。城市軌道交通作為大中城市的重要標(biāo)志，在人們的日常出行中起到了至關(guān)重要的作用。截至2020年年底，我國大陸地區(qū)已有44座城市、共計(jì)233條線路建成或投入運(yùn)營，總里程達(dá)7 545.5 km。

由于城市軌道交通線路主要興建于建筑物與人員密集的城市中心地帶，軌道線路走向或埋深設(shè)計(jì)常常難以繞避一些環(huán)境振動(dòng)敏感點(diǎn)。由城市軌道交通地下線路列車運(yùn)營引發(fā)的振動(dòng)及二次結(jié)構(gòu)噪聲問題，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)影響到沿線居民的身心健康，也會(huì)加劇軌道結(jié)構(gòu)的病害程度，已成為軌道交通發(fā)展中一個(gè)亟待解決的問題。

本文針對我國城市現(xiàn)有軌道交通地下線路列車運(yùn)行引起的環(huán)境振動(dòng)及二次結(jié)構(gòu)噪聲問題，根據(jù)國內(nèi)相關(guān)城市的調(diào)研情況，總結(jié)歸納出軌道振動(dòng)噪聲的主要產(chǎn)生原因，并提出具有針對性的整治方案；對軌道減振降噪的整治措施進(jìn)行了評估分析，探討了整治方案的合理性，并提出軌道減振降噪的運(yùn)維建議。

1 振動(dòng)噪聲成因分析及主要整治方案

1.1 成因分析

通過對我國各大城市現(xiàn)有軌道交通地下線路進(jìn)行調(diào)研，總結(jié)歸納出軌道振動(dòng)噪聲的主要產(chǎn)生原因如下。

1)鋼軌波磨

近年來，我國大部分城市軌道交通線路的鋼軌波磨現(xiàn)象越來越普遍[9]。軌道線路現(xiàn)場部分小曲線地段存在鋼軌波磨病害，波長基本在20～50 mm，屬于短波波磨，鋼軌波磨如圖1所示。鋼軌波磨會(huì)導(dǎo)致輪軌關(guān)系惡化，加劇輪軌系統(tǒng)中的高頻振動(dòng)，產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，同時(shí)影響行車安全和乘坐舒適性，造成運(yùn)營安全隱患。研究表明，影響鋼軌波磨的因素眾多，如鋼軌共振、鋼軌扣件剛度過小、鋼軌不平順、軌道幾何形位不良、軌枕間距過大、行車速度高和鋼軌材質(zhì)缺陷等[10]。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研情況，在所有居民投訴的敏感點(diǎn)中，關(guān)于鋼軌波磨問題的敏感點(diǎn)數(shù)量占投訴敏感點(diǎn)總數(shù)量的2/3。

圖1 鋼軌波磨

2)鋼軌焊接接頭不平順

鋼軌之間及道岔區(qū)的焊接接頭是其最薄弱的環(huán)節(jié)之一，現(xiàn)場部分地段存在鋼軌焊接接頭不平順的問題，鋼軌接頭不平順如圖2所示。由于焊接方式、焊縫材質(zhì)、廓形打磨等多方面因素的影響，車輪多次經(jīng)過鋼軌焊接接頭后，兩端的鋼軌接頭將產(chǎn)生錯(cuò)位，導(dǎo)致鋼軌焊接接頭不平順[11]。車輪經(jīng)過鋼軌焊接接頭錯(cuò)臺(tái)處，會(huì)不斷地撞擊鋼軌接頭，加速不平順的發(fā)展，也會(huì)影響到行車的安全，造成更大的振動(dòng)與噪聲[12]。

(a)焊接接頭不平順

3)其他原因

(1)軌道減振級(jí)別設(shè)置偏低。對應(yīng)線路并未采取減振措施或減振級(jí)別設(shè)置偏低，導(dǎo)致敏感點(diǎn)振動(dòng)噪聲值偏大。

(2)軌道病害或狀態(tài)不良。存在扣件臟污或板結(jié)、道床沉降以及軌枕與道床剝離等問題。

(3)地質(zhì)條件的影響。部分地段雖距離線路較遠(yuǎn)，超出了環(huán)評預(yù)測的范圍，但由于該處敏感點(diǎn)對應(yīng)的地質(zhì)以中風(fēng)化泥巖為主，振動(dòng)的衰減小，因此反而造成了振動(dòng)超標(biāo)。

(4)房屋結(jié)構(gòu)體量小。例如房屋結(jié)構(gòu)為4～6層的磚混/鋼混結(jié)構(gòu)的敏感點(diǎn)，房屋體量小，容易產(chǎn)生激振和共振激發(fā)振動(dòng)，設(shè)計(jì)中應(yīng)引起足夠重視。

1.2 主要整治方案

城市軌道交通軌道振動(dòng)噪聲的整治方案宜遵循先易后難、分步實(shí)施的原則，既要降低既有線路改造的難度，又要確保方案安全可靠，并具有良好的整治效果。基于上述原則，提出的整治方案如下。

1)提高軌道平順性

其包括鋼軌打磨和對鋼軌焊接接頭狀態(tài)不良地段的整治等。鋼軌打磨現(xiàn)場如圖3所示。

圖3 鋼軌打磨現(xiàn)場

2)提升軌道減振降噪等級(jí)

針對敏感點(diǎn)對應(yīng)線路采用了普通扣件或減振扣件，但扣件剛度值有衰減的區(qū)段，擬采用針對原位扣件設(shè)計(jì)的分體嵌套式減振扣件[13]進(jìn)行替換，替換用分體嵌套式減振扣件如圖4所示。此方案不僅無需改變既有軌枕的尺寸、釘孔位置和軌面高程，也能利用既有扣件的零部件(如彈條、螺栓、軌距塊等)，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性好。對于整治方案實(shí)施后，振動(dòng)噪聲效果評估仍然偏大的敏感點(diǎn)，則應(yīng)進(jìn)行道床類改造方案的研究。

圖4 替換用分體嵌套式減振扣件

3)減緩鋼軌波磨

其包括安裝鋼軌阻尼降噪裝置[14]、軌頂涂覆裝置等。鋼軌打磨及減振扣件原位替換實(shí)施完成后，運(yùn)營部門應(yīng)密切關(guān)注曲線地段鋼軌波磨的發(fā)展情況，并擇機(jī)啟用鋼軌阻尼降噪裝置[如調(diào)頻式鋼軌阻尼器(TRD)或迷宮式鋼軌阻尼器(TMD)]、軌頂摩擦控制裝置等以延緩鋼軌波磨的發(fā)展。調(diào)頻式鋼軌阻尼器如圖5所示，軌頂摩擦控制裝置如圖6所示。若上述整治效果評估后仍存在振動(dòng)噪聲超標(biāo)的敏感點(diǎn)，可考慮道床類的改造方案。

圖5 調(diào)頻式鋼軌阻尼器

圖6 軌頂摩擦控制裝置

2 整治措施評估分析

1)鋼軌打磨

既有研究表明，通過對城市軌道交通鋼軌進(jìn)行打磨，可以使鋼軌表面的不平順狀態(tài)得到顯著改善，并且能夠緩解鋼軌波磨情況，使隧道壁振動(dòng)加速度和軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)均降低4 dB以上，說明鋼軌打磨措施對減振有效[15]。

在城市軌道交通小半徑曲線地段，常采用U75V鋼軌以減緩鋼軌波磨。此外，還可以通過采用重型鋼軌和降低鋼軌高度、定期鏇輪等方式有效抑制鋼軌振動(dòng)。

2)替換分體嵌套式減振扣件

分體嵌套式減振扣件采用子母鐵墊板嵌套式減振扣件的結(jié)構(gòu)，分體嵌套式減振扣件結(jié)構(gòu)示意如圖7所示。經(jīng)線上測試，分體嵌套式減振扣件減振效果約為7 dB。該扣件組裝高度、釘孔距與普通扣件完全相同，是目前可分離式壓縮型減振扣件中唯一一種組裝高度與普通扣件一致的減振扣件。將普通扣件更換為分體嵌套式減振扣件后，軌道結(jié)構(gòu)高度不會(huì)產(chǎn)生變化。

圖7 分體嵌套式減振扣件結(jié)構(gòu)示意

分體嵌套式減振扣件目前在合肥地鐵1號(hào)線、重慶地鐵10號(hào)線、西安地鐵4號(hào)線、西安地鐵5號(hào)線等新線建設(shè)中已有應(yīng)用；在南京地鐵1號(hào)線珠江路站、北京地鐵6號(hào)線青年路—褡褳坡區(qū)間的減振改造工程中也有應(yīng)用。南京地鐵1號(hào)線珠江路站減振改造用嵌套式減振扣件如圖8所示。

圖8 南京地鐵1號(hào)線珠江路站減振改造用嵌套式減振扣件

鑒于分體嵌套式減振扣件在安裝尺寸、零部件數(shù)量、減振效果、經(jīng)濟(jì)性及安裝便利性等方面相較其他減振扣件具有較大優(yōu)勢，且原位替換的工作量較小，其已得到了多個(gè)城市地鐵運(yùn)營部門的認(rèn)可，目前北京、杭州等城市的部分振動(dòng)噪聲投訴地段已采用此方案。分體嵌套式高彈扣件可實(shí)現(xiàn)與原位替換扣件的組裝高度及釘孔距等完全一致，且盡可能地與原位扣件的零部件(如道釘、彈條、軌距塊、螺栓等)做到通用，便于今后的養(yǎng)護(hù)維修。

3)安裝鋼軌阻尼降噪裝置

鋼軌阻尼降噪裝置包括調(diào)頻式鋼軌阻尼器和迷宮式鋼軌阻尼器等。其中，調(diào)頻式鋼軌阻尼器由減振體(包括彈性體和金屬質(zhì)量塊)和金屬卡組成[16]。彈性體、質(zhì)量塊和金屬卡一起構(gòu)成了“阻尼—質(zhì)量—彈簧”減振系統(tǒng)，也相當(dāng)于沿鋼軌縱向附加了一系列分布式質(zhì)量調(diào)諧阻尼耗能器。

重慶地鐵1號(hào)線在下行線靠近較場口站的小半徑曲線路段設(shè)計(jì)安裝了鋼軌阻尼降噪裝置，并在相同半徑曲線處的上下行線的車廂內(nèi)進(jìn)行了噪聲測試。安裝鋼軌阻尼降噪裝置的下行線路段較未安裝的上行線路段車廂內(nèi)噪聲下降了7.8 dB(A)，并對波磨發(fā)展有明顯的延緩作用。

4)安裝軌頂摩擦控制裝置

軌頂摩擦控制裝置的作用機(jī)理為：安裝在軌側(cè)的裝置自動(dòng)向鋼軌頂面噴涂摩擦調(diào)節(jié)材料，在鋼軌頂面形成一層穩(wěn)定的薄膜，可使軌頂和車輪踏面接觸的界面保持一定的摩擦系數(shù)(0.3～0.4)[17]和正摩擦特性，該摩擦系數(shù)可同時(shí)保證列車牽引、制動(dòng)所需要的黏著系數(shù)。

2009年10月，北京地鐵5號(hào)線于一對存在鋼軌波磨的反向曲線段前安裝了軌頂摩擦控制裝置。列車通過第一個(gè)右向曲線段(R=696.4 m)，然后通過第二個(gè)左向曲線段(R=603.6 m)。近5個(gè)月的監(jiān)測結(jié)果表明，已經(jīng)形成的鋼軌波浪磨耗幾乎沒有變化，說明軌頂摩擦控制裝置可以延長波浪磨損的形成周期，因而可以有效降低噪音、延長鋼軌打磨周期。

2016年，南京地鐵1號(hào)線在雙龍大道—南京南站區(qū)間上行曲線安裝軌頂摩擦控制裝置后，進(jìn)行了6個(gè)月的跟蹤測試，中途將涂敷量降為正常涂敷量的50%，進(jìn)行了對比試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，安裝軌頂摩擦控制裝置不會(huì)影響車輛的正常制動(dòng)；同時(shí)減少了小半徑曲線波浪磨耗80%以上，延長鋼軌打磨周期一倍以上；輪軌噪聲降低了12 dB(A)。

5)其他措施

除了以上的幾項(xiàng)措施外，還可以采取的整治措施如下。

①改善車輛條件；②控制地鐵設(shè)備噪聲源；③降低振動(dòng)源的固體傳播；④增加地表減振措施；⑤選擇地鐵車站周邊的建筑物結(jié)構(gòu)類型。

3 結(jié)論

本文針對城市軌道交通軌道振動(dòng)噪聲問題，根據(jù)現(xiàn)場對軌道的調(diào)研和總結(jié)，歸納出振動(dòng)噪聲的主要產(chǎn)生原因，包括鋼軌波磨、鋼軌焊接接頭不平順、軌道減振級(jí)別設(shè)置偏低等；并提出了相對應(yīng)的整治方案，包括：提高軌道平順性、提升軌道減振降噪等級(jí)和減緩鋼軌波磨等。具體整治措施包括鋼軌打磨、替換分體嵌套式減振扣件、安裝鋼軌阻尼降噪裝置、安裝軌頂摩擦控制裝置等。

除軌道外，還可從改善車輛條件、控制地鐵設(shè)備噪聲源、降低振動(dòng)源的固體傳播、增加地表減振措施、周邊建筑物結(jié)構(gòu)類型的選擇等方面采取相應(yīng)的措施降低振動(dòng)和噪聲的影響。

以上各項(xiàng)整治方案需結(jié)合城市軌道交通新建線及運(yùn)營線的需求，結(jié)合工程實(shí)際情況，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選后擇優(yōu)選用。