城市軌道交通振動噪聲機理及相關措施研究

曲凡毓 王運濤

青島地鐵運營有限公司 山東 青島 266520

引言

城市軌道交通通常需要穿過市區中心地帶，而此種地帶一般遍布住宅區、寫字樓等。振動給環境帶來的影響是多樣性的，其中也會對人體健康造成一定的危害，導致工作效率下降等。伴隨地鐵建設的大力推行，地鐵運營期間所形成的噪音對人們生活造成的影響愈發突出，在人們環保意識逐漸加強的當下，各地鐵公司都加大了對城市軌道振搗噪聲機理與減振降噪技術的研究力度。

1 振動與噪聲產生機制

噪聲的產生源于車輪和軌道之間的相互作用引起的振動現象。當列車行駛過程中，車輪與軌道不斷接觸，長期的相互作用會導致它們表面磨損和結構變形。例如，車輪可能會失去正圓度，形成扁疤；而鋼軌則可能因為持續受力而產生波形磨損。這些磨損和變形增強了振動的產生。同時，振動和噪聲會通過鋼軌傳播到軌道附近的其他部件和結構上。例如，從扣件、鐵墊板、軌枕，再到道床和橋隧結構，振動的影響逐漸向周圍建筑物傳遞，最終，振動通過土壤介質對周圍建筑物產生影響[1]。在振動的傳播過程中，垂向振動起著主導作用。這種振動主要由軌道的平順度不良、車輪偏心以及車輪與鋼軌的沖擊碰撞等因素引起。垂向振動具有一些獨特的特點，例如傳播距離較遠、衰減速度相對較慢，并給人帶來強烈的振動感。

2 振動與噪聲設計要求

2.1 振動源強

按照《城市軌道交通振動和噪聲控制簡明手冊》，某地鐵線路振動源強設為87.2dB，投入運營一年之后，對地下段振動強度展開測量，測得地下段普通線路隧道壁為59-87dB之間，高架段振動源強交叉渡線梁體75-89dB，曲線R430梁體76-88dB，速度100km/h高架段梁體70-88dB。經過對以上數據的分析比較便可了解到，其中一些區段存在測量值超過設計標準的問題。

設計振動源強需要根據列車型號、行駛速度、軌道特征加以確定，當面臨制動、加速地段振動源強較高的狀況，則要加強對設計工作的把控，面對線路變坡、車站位置變更等狀況也必須要及時調整為合適減振等級[2]。

2.2 傳播路徑

主要包括：①高架段，傳播到梁體、橫梁、橋墩、橋臺、基礎；②地下段，傳播至隧道結構、圍巖等。

2.3 衰減規律

①振動衰減總體上會伴隨距離的增加而逐漸趨向穩定。②巖石地質環境下，根據某工程測量結果，在100m以內，振動衰減28dB，衰減率為每米0.28dB；在中砂環境下，100m以內，振動衰減40dB，衰減率為每米0.4dB；在黏土環境下，60m以內，衰減25dB，衰減率為每米0.42dB。③當密度越高、結構顆粒愈發緊密，則衰減性能愈低；密度偏低且結構顆粒致密性不強時，衰減性能愈強。

2.4 振動限值說明

人類對于振動容忍的限值范圍，和人身體的姿勢、所處方位、身體健康狀態、個人感覺靈敏性以及承受能力存在緊密關聯。根據有關統計可知，振動強度低于65dB時，就不會對人類的睡眠帶來明顯影響；而若是振動強度大于70dB，則會對人類的睡眠帶來明顯影響。

2.5 二次噪聲限值說明

建筑物室內二次輻射噪聲是指由空調、通風系統、電子設備等在建筑內部產生的低頻噪聲。這種噪聲主要集中在幾百赫茲以下的頻率范圍內，其特點是波長較長、能夠穿透墻壁和隔板，對于居民的生活和工作環境造成一定的干擾。

現行的噪聲限值標準采用A計權處理方法來測量噪聲級別。A計權是一種根據人的聽覺特性進行加權處理的方法，能夠更好地模擬人類對不同頻率噪聲的感知。然而，在幾百赫茲以下低頻噪聲的情況下，A計權處理方法存在一定的局限性，并不能準確地反映其對人體的影響。根據統計數據，當室內二次輻射噪聲達到45dB（A）時，對居民的影響和主觀反饋將會非常明顯。這種噪聲水平已經超過了人們在室內環境下對于噪聲的容忍度。居民可能會感到不適、疲勞和精神緊張，嚴重影響睡眠品質和生活質量。

3 現有減振降噪技術及適用方向

3.1 軌道設備結構方面

3.1.1 扣件減振?？奂p振是一種常見的減振技術，它通過扣件系統中的鐵墊板與彈性體相互配合來達成減振目的。其中鐵墊板主要發揮了承載重力與固定鋼軌的效果，而彈性體則能夠充分利用其自身的彈性特性來減振。在這種結構中，使用錨固螺絲把扣件固定于道床上，中間的非線性彈性墊可以以無預載狀態運行，不會受到錨固螺栓擰緊作用力的干擾，使得減振效果顯著。

（1）雙層墊板結構。這種結構通過在兩個鐵墊板之間安設彈性墊板來實現減振效果。彈性墊板可以基于上鎖或者下鎖的方式固定，從而借助其自身的彈性特性來減振。其構成結構由下至上分別是耦合墊板、上鐵墊板、中間的橡膠墊板、下鐵墊板和軌下墊板等，采用雙層墊板結構的壓縮性減振扣件和非線性減振扣件是其典型代表，這些扣件能夠有效地減少振動傳遞和噪聲的產生，減小對周邊居民的影響[3]。

（2）硫化墊板結構。此結構通過將承軌板和彈性墊板硫化成一體，并基于調節扣件的剛度以及使用橡膠的壓縮變形來滿足減小振動噪音的要求。其構成結構由下至上分貝時耦合墊板、一體化墊板和軌下墊板等。洛得（Lord）扣件和GJ-III型軌道減振器扣件是應用了硫化墊板結構的典型代表。這些扣件通過合理設計的剛度和橡膠的變形，有效地減少了振動傳遞和噪聲的生成。

（3）浮軌結構。浮軌結構是一種新式減振技術，其利用限位設備讓鋼軌浮離軌枕基礎，以此達成將鋼軌和軌道板、軌枕間的振動隔離的目標。這種結構可以對地面次生噪音的產生加以緩解，降低軌道噪音往周邊地表和建筑體之間的傳播，同時還可減小振動引起的二次噪聲。其構成結構由下至上分別是耦合墊板、浮軌限位裝置。先鋒（Vanguard）扣件和諧振式浮軌扣件是典型的浮軌結構應用。

3.1.2 道床減振。

（1）浮置板道床。在鐵路道床與基礎之間添加彈性介質，通過鋼彈簧隔振器或彈性高分子材料等形成質量彈簧結構，實現減振降噪的功能。這樣的設計可以有效地隔離基礎與道床結構，減少振動能量的傳遞。相比梯形軌枕，浮置板道床的減振效果較佳，能夠更好地降低鐵路運行時產生的振動和噪音。

（2）梯形軌枕。通過在對軌下縱梁上包裹減振材料，將振動能量吸收和衰減，同時通過橫向聯結桿件擴寬了輪軌力的覆蓋范圍，形成了一種浮置式減振系統。相較于普通的道床而言，采用梯形軌枕可以實現更好的減振效果，預計可達到10.5dB的減振效果。這種設計能夠有效地降低軌道振動帶來的噪聲，提升鐵路線路的運行環境。

（3）組合減振道床。其利用隔振墊和橡膠楔塊有機配合，既能吸收軌道產生的振動能量，又能有效抑制鋼軌的振動，從而實現減振降噪的效果。這種結構將兩種減振方式的優點進行了組合，能夠同時降低振動和噪聲的輻射。據產品設計結果顯示，組合減振道床的減振性能相較于減振墊浮置板道床而言更加優秀，可以為鐵路運輸提供更好的減振效果。

3.1.3 彈性支承塊軌道結構。彈性支承塊式軌道結構（LVT）以其特有的設計和材料組合，在軌道建設領域展現出了巨大的潛力和優勢。首先，它采用預埋鋼筋砼式支撐塊作為彈性支承塊，這種材料具有高強度和耐久性的特點，可以有效地抵抗荷載和外界環境的影響。其次，橡膠套靴和橡膠墊板的應用則進一步增強了軌道結構的彈性變形能力，使得軌道能夠更好地適應列車運行時產生的振動和動荷載。對于高速列車等具有高動態荷載的情況，LVT軌道能夠吸收和分散荷載，減少軌道和車輛的磨損，延長使用壽命，降低維護成本。此外，LVT軌道還能夠適應地形變化和環境影響，例如地震、溫度變化等。這使得LVT軌道在各種復雜地質條件下都能表現出良好的穩定性和可靠性。正因如此，該種軌道結構目前已經在全球范圍內得到了大面積推廣運用，比如英國的英吉利海底隧道和國內的秦嶺、烏鞘嶺隧道等。

3.1.4 阻尼減振降噪裝置。主要是對鋼軌裝設阻尼設備與諧振器，以此提高振動質量，減小有害振動能量，實現從源頭上弱化噪音危害，控制嘯叫音的產生，同時緩解鋼軌波磨問題。在小半徑曲線中能發揮出突出優勢。通過試驗分析得知，能夠將客室噪音減小7.7dB，達到理想的降噪水平。而對于大曲線半徑、直線段之類初始噪音不高的路段，則不太適用[4]。

3.1.5 外加振動衰減措施。

（1）鋼軌包裹。通過在鋼軌軌腹裹上緩振彈性阻尼材料，可以有效地減少軌道和車輪振動產生的噪聲。同時，此技術主要可分為迷宮式約束阻尼車輪和迷宮式約束阻尼輪軌兩大類型，即在鋼軌或者車輪的非工作區域外設迷宮型約束阻尼降噪板，以此做到快速衰減振動，進一步減小噪聲水平。

（2）可動心軌轍叉。在列車行駛經過有害空間時，發出的瞬間激勵會導致振動噪聲的增加，并且可能破壞軌道的連貫性?？蓜有能夀H叉的設計可以消除這種激勵，確保線路的穩定性，減少振動噪聲對乘客和周圍環境的影響。

（3）道床包裹。在道床的中部安裝阻尼吸振材料，可以有效地緩解振動的發展和傳播，進一步降低噪聲水平。這種方式可以在一定程度上減少振動向周圍環境傳播，并提升乘客的乘坐舒適度。

（4）抗微振增強型鋼彈簧浮置板道床。此種道床具有減振和衰減低頻振動的功能，能夠有效地保護電子元件等精密設備不受振動干擾，一般多運用在具有精密儀器的各種信息產業園附近。這種道床通過采用抗微振鋼彈簧和浮置板結構，可以在一定范圍內吸收和隔離振動，為設備的正常運行提供良好的環境。

（5）嵌入式連續支撐軌道（高等減振等級）。此種軌道主要是在鋼軌的兩端和底部粘接了彈性材料與降噪塊，并把鋼軌完全嵌進道床中，構成了一個整體系統，從而有效地減少振動和噪聲的產生。然而，需要注意的是，該軌道在實際應用過程中具有施工精度要求高、投入使用后的換軌頻率相對較高的特點，必須要控制好施工精度和后續維修工作，需要確保施工質量和及時維護，以保證其長期穩定運行。

3.2 傳播路徑方面

主要涉及產品包含吸音板或隔音門窗等，吸音板一般應用于高架段或高架隧道銜接位置，隔斷噪聲在傳播路徑上的傳遞。隔音門窗一般應用于老年人、弱勢群體以及特殊疾病患者等對噪聲敏感的特殊人群居住場所。

4 結束語

地鐵設計環節，需要合理分析隧道埋深和高架段的振動噪聲輻射范圍，以確保振動噪聲能夠有效衰減。地鐵運營環節，需要持續關注線路的動態幾何尺寸、鋼軌的不平順，同時，及時開展鋼軌打磨和涂油頻次的調整也是必要措施。當出現振動噪聲投訴時，可以采取多種措施進行處理，各線路也可根據運量合理安排運行速度調整。綜合應用各項措施和技術手段，可以有效減少振動和噪聲對居民生活環境的影響，提升地鐵系統的穩定運行和居民的滿意度[5]。