地鐵車輛段上蓋開發道岔減振降噪關鍵技術研究

韋安祺

(廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣州 510010)

地鐵的快速發展對于緩解交通擁堵、推動城市發展具有重要意義。然而，地鐵車輛段一般占地較大、投資高、土地利用率較低，車輛段上蓋物業開發有利于充分利用土地資源，提高地鐵投資回報率，彌補部分軌道交通建設成本。

車輛段上蓋開發物業包括公園綠地、住宅及配套設施、公用建筑等，一般按照JGJ/T 170—2009《城市軌道交通引起建筑物振動與二次輻射噪聲限值及其測量方法標準》中2類區域標準進行振動及二次噪聲評價[1]。其中，建筑物室內振動限值為晝間不大于70 dB、夜間不大于67 dB;建筑物室內二次輻射噪聲限值：晝間不大于41 dB(A)、夜間不大于38 dB(A)。國內某地鐵車輛段實測結果表明，列車通過速度為15～20 km/h時，其正上方建筑物振動可達85 dB[2]；若列車運行速度更高，則振動噪聲危害更嚴重。如何解決岔區振動噪聲問題，已成為制約車輛段上蓋物業發展的關鍵因素。

為解決上述問題，主要開展以下研究。①針對車輛段振動噪聲的特點，綜述車輛段上蓋物業綜合減振降噪措施和軌道減振降噪控制措施。目前，已有結合可動心軌轍叉、減振扣件、枕下墊板、道砟墊、鋼彈簧浮置板道床等減振方式。②道岔減振措施大多沿襲高鐵區間線路減振方案的設計思路，結合道岔區結構和輪軌關系演化特點，開展更系統精細的理論研究。③在對比國內外道岔減振降噪措施的應用成效基礎上，提出車輛段上蓋道岔區域減振降噪措施的見解和建議。

1 車輛段振動噪聲特點

車輛段和該處輪軌振動噪聲主要有以下特點：①車輛段中包含試車線和小半徑曲線，列車行駛速度跨度大，振動頻帶范圍寬；②道岔多、鋼軌接頭集中；③車輛段庫外線小半徑曲線多；④對于車場多股道寬裕的空間噪聲，不同股道振動噪聲源的傳遞路徑不同，且較為復雜；⑤車輛段大部分區域車速較慢且為空車，地面振動主要為低頻，輪軌振動引發的噪聲主要為中高頻。

2 車輛段減振降噪措施

2.1 車輛段上蓋物業綜合減振降噪措施

為解決振動噪聲問題，可以從振源減振、傳播路徑減振、建筑物減振3個方面來控制。

(1)振源減振

從源頭減少振動源強，可從車輛、軌道、輪軌接觸關系等方面入手。吳建忠等指出鋼軌無縫化具有減振作用[3]；辜小安等認為，在我國地鐵既有的振動控制措施中，減振效果最好的是浮置板道床，軌道減振器次之，各彈性扣件也具有一定的減振效果[4]；Remington等提出，鋼軌打磨、增大輪軌接觸面積和降低接觸剛度可有效降低輪軌噪聲[5]。

(2)傳播路徑減振

振動波傳遞由軌道結構開始，經隧道基礎、周圍土體，最后傳遞到建筑物。傳播路徑減振是指在振動傳遞過程中插入隔振元素，進而起到隔振效果。曹志剛等指出，空溝作為傳播路徑的減振措施是有效的[6]。Perssond等認為加大土層厚度、彈性模量以及深度，可起到顯著減振作用[7]；孫旭等采用Comsol Multiphysics軟件建立減振型CRTSⅢ型板式無砟軌道有限元模型，對比分析橡膠減振墊采用常量和頻變工況下無砟軌道結構自振特性，并采用Winkler彈性地基上四邊自由板的振動理論與有限元結果進行驗證[8]；高廣運等發現，波阻板隔振在均質彈性半空間和層狀半空間內均具有較好隔振效果[9]；孫立強等指出，空溝和排樁的減振效果較為理想[10]；謝偉平等認為連續墻加減振材料的減振效果較好[11]。

(3)建筑物減振

建筑物減振是指通過采用相應的減振裝置將建筑物隔離，以減小振動對建筑物的影響。徐建提出，在建筑物中可采用房中隔振、基座處隔振、特殊浮置地板等多種減振措施[12]；周裕德等認為連續防振墻作為建筑物減振措施可行，其減振效果可以達到10～20 dB[13]；Talbot提出在建筑物和基礎之間設置隔振墊可有效減振[14]。

2.2 車輛段軌道減振降噪控制措施

(1)無縫線路

庫內車輛行駛速度慢，其振動來源主要是鋼軌接頭振動，鋪設無縫線路可以消除鋼軌接頭，從而有效減弱振動影響。

(2)減振道砟墊

減振道砟墊是一種質量彈簧系統，鋪設在道砟底部，具有減振效果好，施工方便，耐水、耐磨、耐老化，不影響過軌管線布置等特點。國內大部分進行上蓋物業開發的車輛段，其試車線或道岔區多采用減振道砟墊，如廣州鎮龍車輛段、深圳蛇口車輛段，杭州七堡車輛段等。

(3)減振接頭夾板

在列車通過鋼軌接頭時，減振接頭夾板使輪軌接觸面由中斷變為連續，減輕輪軌沖擊，改善輪軌關系。目前，減振接頭夾板在福州竹岐停車場、深圳蛇口車輛段、成都地鐵1號線等均有應用。

(4)熱塑性聚酯高彈性墊板

熱塑彈性體材料具有韌性好、回彈性強、耐磨、抗彎曲疲勞以及抗老化的特點。熱塑性高彈墊板結構為波浪形，通過撓曲和壓縮變形，可有效降低豎向剛度。

(5)雙層非線性減振扣件

雙層非線性減振扣件為分離式結構，通過兩層低剛度彈性墊板產生的壓縮變形，降低扣件剛度，從而達到減振目的。在廣州石湖停車場、成都崔家店停車場、福州部分車輛基地等，庫內整體道床地段得到應用。

(6)高等減振扣件

目前，車輛段內高等減振扣件主要有“軌腰支撐型”“軌底扣壓型”兩種，均為通過改變扣壓方式或彈性墊板內部尺寸結構來提供高彈性，從而達到高等減振目標。

(7)隔離式減振墊浮置板

隔離式減振墊浮置板通過在整體道床底面以及側面鋪滿隔振墊，與道床板形成質量彈簧系統，提高系統的參振質量，從而達到減振目的。

(8)梯形軌枕

梯形軌枕是一種輕型化浮置板軌道結構，軌枕由傳統的橫向鋪設改為沿線路方向連續鋪設，軌枕下部面積較寬，可以對線路的載荷進行分散，從而減輕對下部構造物的負荷和振動影響。在廣州魚珠車輛段、鎮龍車輛段、蘿崗車輛段試車線均有應用。

(9)阻尼鋼軌

阻尼鋼軌由阻尼板、鋼軌吸振器兩部分組成，同時具備減振、降噪功能。廣州地鐵在7號線板橋—大學城南區間、5號線魚珠車輛段及滘口—坦尾高架區間均有應用。

(10)道床吸聲板

道床吸聲板是一種全天候多孔混凝土吸音板，在深圳地鐵、中國香港地鐵正線部分地段均有應用。

2.3 車輛段上蓋道岔區域減振降噪思考

道岔輪軌沖擊和振動噪聲來源：①為實現輪載在不同鋼軌間的過渡，鋼軌截面廓形和降低值變化引起固有結構不平順；②多軌共用墊板的“幫軌”作用(輪載作用下多股道鋼軌共同承載)、尖軌無扣壓件和軌下墊層、岔枕和墊板尺寸沿縱向變化導致道岔軌下剛度不平順；③地鐵道岔轉轍器、連接部分與轍叉之間的鋼軌接頭，以及道岔與區間線路間的鋼軌接頭；④小號碼道岔的小半徑導曲線；⑤道岔變截面鋼軌磨耗和波磨引起的輪軌接觸不平順。

目前，針對車輛段道岔的振動噪聲評估的研究相對較少，而地鐵地下車站道岔的環境振動測試可為辨識車輛段道岔振動源強提供重要參考。WANG針對成都地鐵9號普通整體道床道岔開展振動源強測試，發現列車以38～47 km/h的速度直向通過道岔時，隧道壁最大振動加速度為轍叉區輪軌沖擊引起的橫向振動，隧道壁垂向和橫向振動集中在63～80 Hz范圍，轉轍器區和轍叉區的道床板垂向振動集中于大于80 Hz范圍。隨著道岔服役性能變化，相較于服役2年的地鐵道岔，服役8年地鐵道岔的鋼軌磨耗和波磨問題更顯著，其道床板垂向振動級增大30%[15]。瑞士聯邦鐵路公司針對多組導曲線半徑為300～1600m的道岔開展測試，距道岔橫向8m處誘發的地面振動主頻為16～40 Hz，與房屋木地板的共振頻率相對應[16]。

國內外采用的道岔減振措施、減振效果及評價見表1。

根據道岔減振部件類型，減振措施可分為4類。①將固定轍叉替換為可動心軌轍叉，歐洲的實測結果表明其最大減振效果約6 dB，說明道岔振動噪聲的來源不僅僅包括輪載過渡引起的輪軌沖擊。②扣件減振：適用于中等減振區段，振動噪聲一般可降低8 dB；需提升扣件橡膠的耐油性，以適應地鐵道岔可動軌件涂油維修的服役環境，還需提升扣件系統的耐疲勞性，以及其易更換性。③枕下墊板和道砟墊：枕下彈性墊板和道砟墊分別在32～40 Hz和8～20 Hz范圍內振動減弱；因測試對比結果受道岔對照組選取、測試場地土層條件、道岔服役狀態的影響，在不同頻段范圍內，多組測試的減振效果一致性較低，故尚未能對枕下墊板和道砟墊的減振效果進行量化評價。歐洲多家鐵路局的應用經驗表明，枕下墊板的面剛度越低，減振效果越好[16]；應探究墊板剛度與軌道幾何形位保持間的映射關系，避免因剛度過低導致道岔部件位移過大和車輪撞擊尖軌的風險；針對車輛段常用的有砟道岔，需考慮枕下彈性墊板對道床阻力的影響，保障彈性軌枕強度和道床結構穩定性。④鋼彈簧浮置板道床：適用于高等和特殊減振地段；需探究鋼彈簧浮置板共振頻帶是否與地鐵道岔的頻響特性、輪軌關系演化后岔區輪軌動態響應的時頻特性發生重合，以避免輪軌系統模態共振而放大振動。

表1 國內外道岔減振措施對比

綜上所述，地鐵道岔減振措施大多是繼承高鐵區間線路減振方案，并針對道岔軌下剛度均勻化、扣件系統的減振剛度控制及其易維修性開展優化設計；在結合道岔結構特點和輪軌關系演化的基礎上，還有進一步設計提升空間。針對車輛段道岔的服役條件，提出以下道岔減振的建議措施。

(1)道岔調諧質量阻尼器(TMD)

長沙中低速磁浮采用基于模糊控制理論的多重TMD，解決由車軌共振導致的道岔梁振動超限問題[23]。目前，地鐵區間線路已逐步應用阻尼鋼軌和動力吸振器鋼軌，主要針對單一頻率減弱其相應的振動響應。然而，道岔結構不僅部件繁多(如鋼軌之間的間隔鐵、限位器、頂鐵、轉轍機連桿等連接部件)，而且具有幾何非線性(鋼軌變截面)、約束非線性(滑床臺板只為可動軌件提供支撐力而不提供拉力、輪載作用下鋼軌密貼狀態等)和材料非線性(膠墊材料溫變和頻變特性)，其道岔結構頻響特性較復雜。亟需辨識地鐵道岔結構在輪載作用下的共振頻帶，并針對多重TMD的阻尼比及其與道岔結構的固有頻率比開展參數優化設計，從而避免TMD對道岔振動起放大的反作用，還需研發覆蓋道岔多個典型共振頻帶的多重TMD減振系統。

(2)無縫道岔

道岔內部、道岔與區間線路間的接頭是道岔振動與噪聲的重要來源之一；鋼軌焊接后不易更換，不適用于地鐵道岔更換頻繁的運維現狀。因此，可在地鐵道岔中推廣試用凍結接頭，其通過高強螺栓連接鋼軌，易更換性較強。同時，參考高寒地區高速道岔設計新型技術，開發地鐵用新型鉤型鎖閉機構，使鎖閉鉤可在銷軸一定長度內縱向平動，以適應尖軌大伸縮量[24]。

(3)道岔鋼軌打磨

在道岔轉轍器區，輪載作用下基本軌與尖軌之間會發生相對運動，兩者形成的組合廓形發生動態重構；固定轍叉中，翼軌與心軌的組合廓形沿縱向變化梯度大；設計打磨流程時，不宜參考區間線路的等截面鋼軌，應按照特定的打磨角度和深度而循環往復打磨。瑞士BLS貨運股份公司在打磨道岔后，其振動響應在31.5～80 Hz范圍內顯著增大，在其他頻段內與打磨前響應相似。目前，我國大部分道岔只有發現裂紋萌生后，才開展修復性打磨。因此，亟需結合車輛-道岔耦合動力學，基于代理模型技術和多目標優化算法，開展兼顧輪軌低動力、行車持穩、鋼軌延壽的多目標打磨廓形設計。

(4)鋼軌層流等離子強化

鋼軌層流等離子強化技術已在重載道岔、編組站道岔中試用，在不顯著降低鋼軌材質韌性的基礎上，增強道岔鋼軌表面硬度和耐磨性，鋼軌服役壽命可延長3倍以上；另外，該技術已在廣州地鐵22號線陳頭崗車輛段、南京地鐵的9號道岔中試用。不同于表1的轍叉爆炸預硬化技術，該技術可應用于道岔轉轍器曲尖軌、導曲線鋼軌的材料強化，從而保障輪軌關系演化不顯著偏離道岔設計狀態，間接降低道岔輪軌振動噪聲。

3 結語

從振源減振、傳播路徑減振、建筑物減振角度系統介紹車輛段減振降噪綜合通用措施；在總結軌道減振降噪措施的基礎上，針對小號碼道岔結構特點和車輛段道岔服役條件，考慮道岔減振結構優化、材料強化和輪軌關系演化，提出道岔減振設計的思路和建議，結論如下。

(1)國內外既有道岔減振措施及效果：①可動心軌轍叉最大減振效果約6 dB；②扣件減振效果一般可達8 dB；③枕下墊板和道砟墊分別在32～40 Hz和8～20 Hz范圍內減小振動，在不同頻段范圍內多組測試的減振效果一致性較低；④鋼彈簧浮置板道床，減振效果一般可達10 dB。

(2)提出車輛段道岔減振的優化思路：①辨識地鐵道岔頻響特性并開發道岔調諧質量阻尼器；②推廣地鐵無縫道岔；③優化設計道岔鋼軌打磨廓形和打磨流程；④采用鋼軌層流等離子強化技術來減緩道岔磨耗。