城市軌道交通上蓋開發車輛段7號可動心軌轍叉道岔減振降噪性能研究

郭 驍 劉樹松 柏成林 董 波 吳思行 駱 焱

(1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055; 2.青島地鐵集團有限公司運營分公司，青島 266001; 3.青島地鐵集團有限公司第三建設分公司，青島 266100)

1 概述

目前，我國正處于城市軌道交通快速發展時期，各大城市軌道交通建設規模不斷擴大，規劃、在建、運營里程日益攀升。城市軌道交通車輛段由于占地面積大、土地利用率低等原因，與日益稀缺的城市土地資源之間產生難以調和的矛盾。為充分合理利用車輛段地上空間，開發“新型土地資源”，實現城市軌道交通與商業、辦公以及住宅等各類物業的有機融合，車輛段物業開發已成為一項重要舉措。截至目前，國內已建成上蓋物業開發車輛段30余處，規劃或在建已超過100處[1-3]。

然而，車輛段內列車運行會產生振動、噪聲，已成為制約上蓋物業開發的關鍵因素。車輛段內運用庫、檢修庫、咽喉區以及試車線等來往車輛頻繁，其中咽喉區是列車從正線出入各庫的必經區域，相較于正線，該處存在大量道岔有害空間和鋼軌接頭，且多為小半徑曲線，列車通過時會引起較大的振動和噪聲，嚴重影響上蓋建筑物居住者的舒適感。

為提高上蓋開發品質，車輛段建設時，需采取針對性減振降噪措施[4-7]。對于軌道結構，減振降噪措施有減振接頭夾板、道砟減振墊、軌枕彈性墊、庫內減振扣件、鋼軌阻尼諧振器、浮置板道床等[8-10]；對于建筑物，減振降噪措施有隔振墊、隔聲窗等[11-14](見表1)。但這些措施多為面向傳播途徑和受振體，而輪軌振動與摩擦、鋼軌接頭及道岔有害空間處輪軌沖擊是振動噪聲主要來源(見表2)，故以上措施沒有從振源上控制和解決問題，實際應用效果不佳。

表1 國內典型車輛段上蓋物業軌道減振降噪措施

表2 車輛段振動噪聲源分布

針對此，提出一種面向振源的上蓋開發車輛段無縫化減振降噪技術理念，做到振源減振，并實現減振降噪路徑全覆蓋。

城市軌道交通車輛段庫外線多采用50 kg/m鋼軌7號固定道岔，其固有的結構不平順是車輛段噪聲與振動的主要來源，結構不平順主要包括尖軌活接頭結構和固定型轍叉的有害空間。對于尖軌活接頭結構，因道岔功能需要，尖軌跟端無法實現焊接或凍結，從而造成接頭處的輪軌附加動力響應較大(為正常輪載的2～3倍)，而固定轍叉軌線不連續，存在有害空間，車輪通過時重心經過下降和抬高的過程，是道岔乃至整個軌道中輪軌沖擊和振動最大的部位，一般車輛通過轍叉時產生的附加輪軌力和振動是靜輪載的1.5倍以上，成為道岔最大的振動和噪聲來源[15-20]。

道岔轉轍器采用彈性可彎尖軌，轍叉采用可動心軌轍叉，可消除鋼軌接頭和有害空間，是降低道岔區振動噪聲的有效措施。

2 可動心軌轍叉道岔結構特點

(1)一般結構

道岔不設軌底，道岔前后設順坡墊板過渡。道岔轉轍器部分設置1個牽引點，電務轉換設備按聯動內鎖閉設計；道岔心軌設1個牽引點，采用鉤形外鎖閉裝置(見圖1)。

圖1 可動心軌轍叉整體組裝示意

(2)轉轍器結構

尖軌彈性可彎跟端采用間隔鐵結構，基本軌外側設置軌撐。

(3)可動心軌轍叉

可動心軌轍叉采用雙肢彈性可彎結構，長、短心軌采用60AT1鋼軌制造，心軌跟端機加工成50 kg/m鋼軌形式，扳動過程中，長短心軌間采用心軌錯動裝置，在兩心軌錯動時減少摩擦力來實現兩軌之間的縱向錯動，進而減小心軌在扳動過程中的扳動力(見圖2)。

圖2 心軌錯動裝置

翼軌采用整鑄式高錳鋼搖籃結構，通過閃光焊與50 kg/m鋼軌連接，形成整體框架，翼軌跟端用間隔鐵與心軌聯結(見圖3)。

圖3 翼軌跟端間隔鐵

直側向均設置護軌，采用UIC33槽形鋼，護軌墊板為組合焊接墊板，提高抵抗橫向力能力，護軌基本軌內側采用彈性夾扣壓。

3 減振降噪效果對比測試

為對比車輛段碎石道床50 kg/m鋼軌7號固定型轍叉單開道岔與50 kg/m鋼軌7號可動心軌轍叉單開道岔振動噪聲特性差異，在某車輛段進行可動心道岔試鋪，并進行現場測試。

3.1 評價指標

根據《城市區域環境振動測量方法》[21]，選取列車通過時監測區域受環境振動影響最大的時段進行測量，評價量為最大Z振級VLzmax，頻率范圍為1～80 Hz。根據《環境影響評價技術導則》 (城市軌道交通)[22]，地面線振動測點應將振動傳感器置于距鄰近線路中心線7.5 m處，距建筑物水平距離3 m以上。

根據《聲環境質量標準》[23]，A聲級能夠較好地反映人耳對噪聲的強度和頻率的主觀感覺，評價量為等效連續A聲級LAeq，頻率范圍一般為20～20 000 Hz。現場噪聲測點共布置3處，輪軌噪聲測點布置在軌旁位置，距軌面1.2 m高；噪聲源強測點布置在距鄰近線路中心線水平距離7.5 m的地面、距軌頂面以上3.5 m處，為配合噪聲方面理論研究，第三個測點布置在距鄰近線路中心線水平距離7.5 m的地面、距軌頂面以上1.2 m處。

3.2 測點布置與測試工況

(1)轍叉振動加速度

列車通過道岔區的振動主要集中在有害空間位置，故選取36-37號枕中間的位置布置鋼軌垂、橫向加速度測點，測點位置見圖4，共計2個加速度測點。

圖4 轍叉咽喉位置測點(以可動心軌為例)

(2)軌枕振動加速度

軌枕振動加速度測點位于36號軌枕(固定型轍叉)或37號軌枕(可動心轍叉)直股和曲股中心位置軌枕上表面，見圖5，共計2個垂向加速度測點。

圖5 測點平面位置示意

(3)路基(振源處)垂向加速度測點

路基垂向加速度測點應設置在與36號枕(固定型轍叉)或37號枕(可動心轍叉)位于同一橫斷面的路基面上，加速度傳感器設置在距離線路7.5 m位置，共計1個測點。

(4)環境噪聲測點

噪聲測點設置在與心軌位于同一橫斷面的路基上，位置距岔線中心線水平距離7.5 m、距軌頂面分別1.2 m、3.5 m(噪聲源強處)兩處，以及與軌頂面平齊的軌旁位置(需在限界外)，共計3個測點。

道岔測點匯總見表3。

表3 道岔測點匯總

4 數據分析與對比

以某組測試數據為例，車輛以10 km/h分別通過固定型道岔和可動心道岔時，鋼軌、軌枕、地面振動及噪聲對比時程曲線見圖6～圖9。

圖6 心軌鋼軌垂向加速度

圖7 直股側軌枕垂向加速度

圖8 地面7.5 m處垂向加速度

圖9 軌旁噪聲

4.1 減振效果對比分析

對本次測試數據進行數理分析和統計，得到分別鋪設固定型道岔和可動心軌道岔時各位置的振動情況見表4，表中數據為行車5次得到的平均值，地面數據為距離岔線中心線7.5 m位置的測試結果。

根據表中數據分析得出以下結論。

表4 固定型道岔與可動心軌道岔結構振動數據分析對比

(1)車輛以10 km/h、15 km/h逆向通過道岔直股時，可動心軌道岔翼軌垂橫向加速度、直股及曲股軌枕垂向加速度均小于固定型道岔，且曲股軌枕加速度減小最為明顯，均減小約95%；車輛以10 km/h、15 km/h逆向通過道岔曲股時，可動心軌道岔各項指標，相較于固定型道岔均有所減小，且翼軌垂橫向加速度、曲股軌枕垂向加速度減小較為明顯。

(2)隨著通過速度的增大，軌道結構的振動加速度值、環境振動值隨之增大。

(3)相較于固定型道岔，可動心軌轍叉根據行車方向實現扳動密貼，可消除有害空間(約465 mm)，輪軌接觸時軌形連續，降低心軌處輪軌沖擊作用，翼軌垂向振級明顯減小。車輛通過直股，車速為10 km/h時翼軌垂向振動減小4.12 dB，15 km/h時振動減小5.09 dB；車輛通過曲股，車速為10 km/h時翼軌垂向振動減小9.63 dB，15 km/h時振動減小12.14 dB。

(4)相較于固定型道岔，鋪設可動心轍叉道岔時，地面源強處(距岔線中心線7.5 m)減振效果明顯。車輛通過直股，車速為10 km/h時減振2.16 dB，15 km/h時減振2.5 dB；車輛通過曲股，車速為10 km/h時減振2.32 dB，15 km/h時減振2.68 dB。隨著速度的增大，可動心轍叉道岔減振效果可進一步提升。

4.2 降噪效果對比分析

分別鋪設固定型道岔和可動心軌道岔時軌旁噪聲和環境噪聲值見表5，表中數據為行車各5次得到的平均值，環境噪聲值為距岔心中心線水平距離7.5 m、距軌頂面分別為1.2 m、3.5 m(噪聲源強處)的測試結果。

由表5可知，相較于固定型道岔，可動心轍叉道岔對軌旁噪聲和環境噪聲(距線路中心線7.5 m，距軌面分別為1.2 m和3.5 m高)降噪效果明顯。車輛通過直股，車速為10 km/h時，軌旁噪聲降低4.05 dB(A)，環境噪聲分別降低4.58 dB(A)和5.06 dB(A)；車速為15 km/h時，軌旁噪聲降低4.11 dB(A)，環境噪聲分別降低4.65 dB(A)和5.13 dB(A)。車輛通過曲股，車速為10 km/h時，軌旁噪聲降低4.24 dB(A)，環境噪聲分別降低4.64 dB(A)和4.95 dB(A)；車速為15 km/h時，軌旁噪聲降低4.31 dB(A)，環境噪聲分別降低4.78 dB(A)和5.09 dB(A)。

表5 固定型道岔與可動心軌道岔噪聲數據分析對比

4.3 仿真分析

場段庫外線最大行車速度、7號道岔側向允許通過速度均為25 km/h，受場地線形條件限制，試驗段車輛行駛最高時速為15 km/h，為研究25 km/h行車條件下，可動心軌道岔的減振降噪效果，建立道岔-路基-土體有限元動力分析模型，見圖10。

仿真分析表明，車速為25 km/h逆向進岔時，相較于固定型道岔，車輛通過可動心軌道岔直股，地面源強處(距岔線中心線7.5 m)減振3.58 dB，軌旁噪聲降低4.63 dB(A)，環境噪聲分別降低5.19 dB(A)和5.63 dB(A)；車輛通過曲股時，地面源強處減振3.70 dB，軌旁噪聲降低4.75 dB(A)，環境噪聲分別降低5.26 dB(A)和5.87 dB(A)。

4 結論

(1)城市軌道交通50 kg/m鋼軌7號道岔可動心軌轍叉道岔填補城市軌道交通小號碼可動心軌道岔的技術空白，可動心軌道岔消除有害空間，有效降低心軌處輪軌沖擊受力，相較于固定型道岔，減振降噪效果明顯，隨著行車速度的提高，減振降噪效果進一步增加。

(2)車輛通過道岔直股，速度最大為25 km/h時，地面源強處減振3.58 dB，軌旁噪聲降低4.63 dB(A)，環境噪聲降低5.63 dB(A)；車輛通過道岔曲股，速度最大為25 km/h時，地面源強處減振3.70 dB，軌旁噪聲降低4.75 dB(A)，環境噪聲降低5.87 dB(A)。