嵌入式連續支承軌道系統應用研究

史海歐，田 驥，劉小清，羅信偉，劉光勝，楊 剛

（1.廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣東廣州 510010；2.成都市新筑路橋機械股份有限公司，四川成都 611430）

1 引言

近年來，軌道交通蓬勃發展，在給人民出行帶來極大便利的同時也不可避免的給沿線環境帶來振動、噪聲等影響[1-2]。黨的十九大報告明確指出：永遠把人民對美好生活的向往作為我們的奮斗目標。為此，國家成立了“中央環保督察組”，開展環境督查工作，高度重視軌道交通振動噪聲防治問題。

隨著軌道交通技術進步，我國軌道減振降噪技術通過“引進” “吸收” “再創新”，得到長足的發展。軌道減振通常通過降低軌下支承剛度或采用質量彈簧系統的方法，軌道減振措施類型有扣件類、軌枕類和道床類，如圖1所示。但部分減振技術在應用時也引起車內噪聲增大等不利情況[3-4]。

圖1 軌道減振措施類型

2 嵌入式軌道

2.1 軌道結構簡介

廣州地鐵14號線嵌入式連續支承軌道系統（以下簡稱“嵌入式軌道”）采用連續彈性支承結構，為預制板式無砟軌道結構。自下而上為隧道壁、混凝土底座、砂漿調整層、預制軌道板、槽內彈性約束結構和鋼軌，道床結構如圖2a所示。預制軌道板上預留縱向U形承軌槽，承軌槽內安裝彈性約束結構。彈性約束結構包括鋼軌下連續鋪設的彈性墊板、鋼軌軌腰兩側的調軌組件和降噪塊，承軌槽內其他空間被彈性材料填充，彈性約束結構如圖2b所示。

圖2 廣州地鐵14號線嵌入式軌道結構示意圖

2.2 地鐵線路應用

廣州地鐵14號線率先在地鐵線路中建設嵌入式軌道段，如圖3所示，應用地段分為2處，一段在知識城站附近（直線），設計最大通過速度120 km/h；一段在鎮龍車輛段出段線（R305 m），設計最大通過速度40 km/h。

圖3 嵌入式軌道應用概況

3 結構服役性驗證

為驗證分析嵌入式軌道減振降噪能力、雜散電流防治效果、日常維護頻次，分別在運營初期（2017年）以及運營2年后（2019年）對嵌入式軌道性能進行跟蹤測試。

3.1 振動噪聲測試

3.1.1 車輛動力學性能測試

根據規范UIC 518 Testing and approval of railway vehicles from the point of view of their dynamic behaviour-Safety-Track fatigue-Running behaviour[5]、GB 5599-85《鐵道車輛動力學性能評定及試驗鑒定規范》[6]、UIC 513 Guidelines for evaluating passenger comfort in relation to vibration in railway vehicles[7]對車輛的安全性、穩定性、平穩性、舒適性進行測試與評價，評價結果如表1所示。

表1 車輛動力學性能測試評價結果

3.1.2 軌道系統振動測試

依據規范GB 10071-88《城市區域環境振動測量方法》[8]、DB11/T 838-2019《地鐵噪聲與振動控制規范》[9]對不同形式軌道（線形、軌道狀態基本一致）的隧道壁振動加速度進行Z振級頻譜測試與分析。現場測點情況如圖4所示。

圖4 線路測試測點布置情況

嵌入式軌道與普通扣件式軌道、GJ-III型減振扣件式軌道在運營2年后，在標準規定位置的隧道壁位置1 ～80 Hz范圍內垂向振動加速度Z振級頻譜對比如圖5所示。將Z振級疊加成總值，如表2所示。

圖5 三分之一倍頻程隧道壁振動加速度Z振級頻譜對比

從表2可知：相較于普通扣件式軌道，嵌入式軌道插入損失為12 dB（Z）；嵌入式軌道比GJ-III型減振扣件式軌道的插入損失高4.6 dB（Z）。

表2 嵌入式軌道與普通扣件式軌道隧道Z振級對比dB（Z）

為評估嵌入式軌道結構振動特性隨時間變化衰減情況，分別在線路通車后和線路正常運營2年后，對嵌入式軌道結構振動特性進行力錘敲擊試驗，測試軌道結構頻響情況。測試結果如圖6所示。

圖6 嵌入式軌道頻響曲線

測試結果表明：經過2年的運營，嵌入式軌道頻響曲線基本一致，無明顯變化。軌道結構一階固有頻率均在139 Hz處，曲線振幅變化較小，嵌入式軌道剛度、阻尼性能基本特性保持良好。

3.1.3 噪聲測試

依據規范GB/T 3449-2011《聲學軌道車輛內部噪聲測量》[10]、GB/T 5111-2011《聲學軌道機車車輛發射噪聲測量》[11]、GB 14892-2006《城市軌道交通列車噪聲限值和測量方法》[12]對不同軌道系統中地鐵車輛運行時的噪聲進行測試，測試結果如表3所示。表3分別給出了地鐵列車以60 km/h速度勻速經過嵌入式軌道、GJ-III型減振扣件式軌道以及普通扣件式軌道時司機室及客室各測點噪聲A計權聲壓級總值。為更直觀地進行展示，將表3中的車內噪聲總值繪制為曲線，如圖7a所示。

圖7 車輛噪聲測試結果

表3 車輛噪聲測試結果匯總 dB（A）

由表3和圖7a可知，列車以60 km/h速度勻速經過3種軌道時，司機室和客室內各測點噪聲A聲級均小于車內噪聲限值；其中嵌入式軌道的車內噪聲最小，與GJ-III型減振扣件式軌道和普通扣件式軌道相比，嵌入式軌道平均降低車內噪聲3～6 dB（A）。

列車以60 km/h速度勻速通過嵌入式軌道和普通扣件式軌道時不同轉向架位置測得的輪軌噪聲如圖7b所示。由圖可知，地鐵車輛運行在嵌入式軌道上輪軌噪聲約為96 dB（A），運行在普通扣件式軌道上輪軌噪聲約為102 dB（A），嵌入式軌道平均降低車輛輪軌噪聲約6 dB（A）。

3.2 過渡電阻測試

依據規范GB/T 28026.2-2011《軌道交通 地面裝置第2部分：直流牽引系統雜散電流防護措施》[13]基于離線法對過渡電阻進行測試。結果顯示，知識城站下行線嵌入式軌道對地過渡電阻平均值為25 Ω · km，遠高于“新建線路不應小于15 Ω · km”的要求，具備較強的雜散電流防護能力。

3.3 鋼軌磨耗監測

在抑制鋼軌異常磨耗方面，對比測試了同線路位置的普通扣件式軌道和嵌入式軌道鋼軌表面粗糙度情況。經過2年的運行，普通扣件式軌道出現了波長30～40 mm的波浪型磨耗，嵌入式軌道鋼軌表觀狀態良好，未見異常磨耗，現場鋼軌磨耗情況如圖8所示，鋼軌表面粗糙度測試結果如圖9所示[14]。

圖8 現場鋼軌磨耗情況對比

圖9 不同軌道鋼軌磨耗測試對比

3.4 日常維護

廣州地鐵14號線知識城支線嵌入式軌道段從2017年建設至今，運營近4年，據運營反饋嵌入式軌道狀態保持良好（直線和曲線段），材料自身穩定，日常基本免維護，4年未進行維修。

4 線路適應性設計優化

在廣州地鐵14號線嵌入式軌道結構的基礎上，進一步設計了適合不同線路情況的嵌入式軌道，如圖10所示。

圖10 應用于不同線路情況的嵌入式軌道

（1）拼裝化預制板式道床，應用于路基段、橋梁段等小曲線地段，相比于14號線所用結構在后期維護中軌距調整更加便捷、大修換軌工效更高。

（2）既有線改造結構，應用于既有線路改造，針對既有線路的波磨、振動和噪聲超標進行治理。

（3）嵌入式連續支承道岔，為提升線路整體運營品質，降低車輛運行在岔區產生的振動與噪聲，針對線路道岔段設計開發了嵌入式連續支承道岔。

5 結論

（1）地鐵車輛運行于嵌入式軌道上時車輛運行安全、穩定、舒適。

（2）相比普通扣件式軌道和GJ-III型減振扣件式軌道，嵌入式軌道可明顯降低隧道壁位置振動加速度，相比普通扣件式軌道，嵌入式軌道隧道壁垂向Z振級降低12 dB（Z），相比GJ-III型減振扣件式軌道降低4.6 dB （Z）。根據跟蹤測試結果，嵌入式軌道經過2年的運營，軌道結構振動特性基本無變化，軌道結構振動與阻尼特性無衰減。

（3）在降噪效果方面，嵌入式軌道車內各測點噪聲相比普通扣件式軌道降低3～6 dB（A），輪軌噪聲降低約6 dB（A）。

（4）嵌入式軌道雜散電流防護效果較好，可減少軌道交通線路運營產生的雜散電流。

（5）連續支承的嵌入式軌道對鋼軌異常磨耗也有減緩作用，同時也有減少軌道日常養護維修的作用。