城市軌道交通軌道結構類型選擇的研究

提　要: 本文根據城市軌道交通的特點, 通過分析有碴軌道與無碴軌道結構的特點, 提出在城市軌道交通中, 應優先采用無碴軌道結構類型及其設計原則。提出了減振降噪型軌道結構的設計、應用特點。
關鍵詞: 減振降噪; 軌道結構; 城市軌道交通
1　前言
城市軌道交通極大地方便了人民群眾的出行, 產生了顯著的社會效益, 但同時也不可避免地給城市環境帶來了諸如噪聲、振動、電磁輻射、景觀以及日照等方面的負面影響, 其中以運營期的噪聲、振動影響尤為突出。過量的噪聲和振動將嚴重影響人們正常的工作和休息、損害身心健康、降低工作效率, 同時將引起受振物體的疲勞損壞, 降低使用壽命。因此, 噪聲和振動的污染防治成為城市環境保護的重要內容之一。我國國家標準《城市區域環境振動標準》(GB 10070-88)、《城市區域環境噪聲標準》(GB 3096-93) 和《城市區域環境噪聲適用區域劃分技術范圍》(GB ?T 15190-94) 中, 對于特殊住宅區的室內振動標準值為6B dB, 噪聲標準值為晝間50 dB 和夜間40 dB 。對于普通的居民區和文教區, 室內振動標準值為晝間70 dB 和夜間67 dB, 噪聲標準值為晝間55 dB 和夜間45 dB 。因此, 在修建軌道交通的同時, 如果不注意在相應的區段采取相應的減振降噪措施, 就難以達到國家的環境標準, 影響沿線居民的生活質量。
隨著我國第一條城市高架軌道交通線——上海市軌道交通明珠線一期工程的通車試運營以及地鐵二號線東延伸段的開通, 沿線部分地段的噪聲超標問題引起了社會的廣泛關注。此外, 全國人口密集的各大城市也在積極籌建軌道交通, 有鑒于高架線較之地下線投資省、工期短、運能、制式與地鐵無差別的優點, 目前其建設規模幾乎與地下線相當, 如武漢輕軌、北京八通線等。因此在如此大規模建設軌道交通的形勢下, 在吸取已有的軌道交通建設的經驗的基礎上, 及時尋求技術可行、經濟合理的新型軌道結構, 在當前來說是相當迫切的。
2　軌道結構的設計原則
2. 1　有碴軌道與無碴軌道結構
軌道結構按其軌下基礎型式的不同可分為兩大類: 有碴軌道與無碴軌道結構。有碴軌道具有造價相對低、施工速度快、維修方便及彈性好等優點, 目前一些工業先進的國家仍然采用。如原聯邦德國漢堡37 km 高架線路采用軌枕碎石道床; 1985 年建成通車的菲律賓馬尼拉輕軌鐵路, 全長14. 5 km, 為高架線路, 采用雙塊式預應力混凝土枕, 潘得羅爾扣件, 硬質碎石道床。
然而城市軌道交通應優先采用無碴軌道結構, 這是由城市軌道交通其特殊的運營特點所決定的。
(1) 有碴軌道養護維修量大。傳統的碎石道床由松散的碎石組成。因此, 在列車荷載作用下, 道碴的磨損、坍塌、局部陷入路基以及鋼軌和軌枕的變形, 都會引起軌道的殘余變形, 產生軌道不平順。而道碴的變形是引起軌道不平順的主要原因, 占軌道變形的80% 以上。整治道床占養護維修工作量的80% 以上。
(2) 軌道交通線路在其運營時間內進行養護維修幾乎已不可能。據統計, 自1863 年倫敦開行第一列城市軌道交通線以來, 世界各國的城市軌道交通累計已達4 000 km , 其行車間隔時分不超過4m in 的線路占90% 以上, 其運營時間通常在18 個小時左右, 夜間的養護維修作業在安全、質量和設備要求上提出更為苛刻的要求;
(3) 此外, 城市軌道交通除市郊鐵路外, 地鐵和輕軌線在城區內以隧道和高架形式穿越的情況居多, 其養護維修作業在空間上受到極大限制, 且隧道內的工作條件十分惡劣。
(4) 高架線采用道碴道床, 其軌下基礎單線自重為1. 9t/m, 而選用結構簡潔的軌道結構, 其雙線自重僅為1. 8t/m。因此, 采用道碴道床增加了橋梁的自重, 從而可能需加大梁跨和樁基尺寸, 增加投資。
此外, 有碴軌道道床的清篩粉塵也給城市環境造成污染。因此, 無碴軌道相比于有碴軌道, 具有穩定性、平順性、剛度均勻性好, 維修工作量少、簡潔易清洗等顯著優點, 逐漸被世界上許多國家所認識, 并在過去的幾十年里, 對無碴軌道結構開展了長期、系統的研究工作, 已把它作為城市軌道交通的主要軌道結構型式加以發展和應用。
3　彈性軌道結構的設計
3. 1　彈性支承塊式軌道結構
3. 1. 1　為了降低列車運行時車輛-軌道系統的振動, 增加軌道結構的彈性是一種較為有效的手段。英吉利海峽隧道采用低振動軌道結構(L ow V ib ration T rack ) ( 圖1), 其目的也是使得軌道結構具有較好的減振性能, 降低輪軌之間的動力作用和使得列車運行平穩。日本對高速鐵路軌道結構彈性的研究更為廣泛, 不但對軌道結構彈性與輪軌的動力作用關系進行研究, 而且對軌道彈性與降低列車運行噪音的關系進行研究。國外對此問題的多年研究, 特別是對鋼軌下墊層的剛度的研究, 已積累了許多資料。研究的目的也是為了提高列車運行的平穩性, 使軌道結構能夠有效吸收輪軌之間的沖擊振動。

2. 2　無碴軌道結構設計的主要原則
在城市軌道交通中, 軌道結構應根據不同的環境要求來設計, 從而做到物盡其用, 經濟合理。減振降噪是城市軌道交通建設與設計中應重點研究內容之一。因此, 無碴軌道結構設計應遵循以下主要原則:
(1) 在列車長期動荷載作用下, 軌道結構應保持安全、可靠的幾何狀態, 并具有足夠的承載能力、強度貯備和使用耐久性;
(2) 軌道結構的振動質量、剛度和阻尼應根據軌道結構動力學原理進行合理選擇, 以適應減振降噪的要求, 使結構體有最大的減振降噪效果, 并能減緩輪軌之間的沖擊荷載, 減輕鋼軌的磨耗和波磨;
(3) 結構簡單, 便于組織快速施工和安裝, 便于配套設備和機構的應用, 施工進度應符合鋪軌要求, 對于混凝土道床的局部損壞應考慮有修復的可能性;
(4) 在軌道的基礎已確保堅實穩定的前提下, 仍需考慮因施工誤差、曲線超高變化, 以及預應力混凝土橋梁伸縮、上拱等因素引起的軌面標高的改變。為此, 配套的扣件設計應考慮足夠的調整量和可行的調整方法;
(5) 合理選材, 軌道部件國產化, 從而控制軌道結構的成本, 由于無碴軌道可大幅度降低維修費用, 其綜合的經濟效益可被接受, 從而有推廣應用的價值;
(6) 由于減振材料的壽命不如混凝土, 少量維修是必要的, 因此減振材料的更換應方便。

圖1　英吉利海底隧道的LV T 無碴軌道結構
瑞士國營鐵路首次采用彈性支承塊式無碴軌道結構(LV T)。根據瑞士聯邦鐵路的軌道檢查記錄顯示, 運營了1～ 7 年的軌道幾何狀態仍可保持在標準范圍之內, 最大限度地減少了軌道的維修工作量。由于維修費用的減少, 總運營費較有碴軌道可節省50% 。由于其特有的減振、降噪、減磨等優越性能, 后來被世界上許多國家所采用。
我國的彈性支承塊式無碴軌道結構在國鐵中的應用剛剛開始, 在剛建成的18 km 長秦嶺隧道內, 鋪設了這種彈性軌道結構。在課題研究期間, 曾于天寶線白清隧道改線工程中鋪設了100m 的試驗段。現場測試及理論分析結論表明, 這種軌道結構的振動衰減特性接近于有碴軌道。此外, 我國的秦(皇島)～ 沈(陽) 客運專線也部分鋪設了這種軌道結構的試驗段, 以驗證其減振性能。
由于這種軌道結構減振降噪的效果較為明顯, 因此, 對于城市軌道交通中對振動和噪聲敏感的地段, 特別是高架結構, 彈性支承塊式無碴軌道結構是一種比較理想的方案。廣州地鐵一號線已鋪設, 北京地鐵于1972 年在東十四條站鋪設了這種軌道, 現場測試較一般整體道床振動加速度降低30% , 減振效果好, 經過20 年運營使用, 技術狀態良好。正在興建的上海地鐵一號線北延伸, 部分高架地段擬采用這種軌道結構, 其結構形式如圖2 所示。

圖2　高架橋上的彈性支承塊式無碴軌道結構
3. 1. 2　結構組成
彈性支承塊式軌道結構由彈性支承塊、道床板和混凝土底座及配套扣件構成。彈性支承塊由橡膠靴套包裹的鋼筋混凝土支承塊以及塊下大橡膠墊板組成。橡膠靴套與塊下大橡膠墊板具備一定的厚度, 大橡膠墊板為溝槽形, 其設置是根據所需剛度設計而定, 與軌下墊板的彈性匹配目標是使得無碴軌道的總體剛度與傳統有碴軌道的剛度相接近, 盡可能做到線路上無碴軌道和有碴軌道的結構受力、動力傳遞均勻一致。支承塊承軌部分設軌底坡, 由于無碴軌道調整鋼軌高度的需要, 配套扣件為彈性分開式, 支承塊與鐵墊板的聯結通過預埋絕緣套管及螺栓實現; 道床板由就地灌注的填充混凝土和槽形板組成的道床將彈性支承塊嵌固在其中。每7～ 8 個支承間距作為一個板長單元。道床表面設人字坡, 以利排水; 在隧道內, 混凝土道床可直接與隧底仰拱填充混凝土聯結。而在高架結構上, 考慮列車制動和溫度力等作用, 加設了混凝土底座底。為此, 需解決底座與橋面的聯結以及底座與道床的聯結等問題。為了提供混凝土道床的可修復性, 在底座表層設置隔離層; 在曲線地段, 外軌超高的設置是在混凝土底座內完成。
3. 1. 3　結構特點

·軌道結構的垂向彈性由軌下和塊下雙層彈性橡膠墊板提供, 最大程度上模擬了彈性點支承傳統碎石道床的結構和受荷響應特性, 并使得軌道縱向彈性點支承剛度趨于一致。通過雙層彈性墊板剛度的合理選擇, 可使軌道的組合剛度接近有碴軌道的剛度。
·支承塊外設橡膠靴套提供了軌道的縱、橫向彈性變形。使這種無碴軌道在承載、動力傳遞和振動能量
吸收諸方面更接近堅實均勻基礎上的碎石道床軌道。這種低振動軌道可以彌補無碴軌道彈性不足, 以適應環保對低振動、低噪音的要求。
·通過雙層彈性墊板的隔離, 軌道的支點荷載和振動等動力性能可保持長期穩定, 軌道的幾何形位也可在長時間內得以保持。
·結構簡單, 施工相對容易。支承塊為鋼筋混凝土結構, 可在工廠預制, 在現場只需將鋼軌、扣件、靴套及墊板的支承塊力加以組裝, 經準確定位后, 就地灌注混凝土即可成型。
·由于采用橡膠靴套和塊下大橡膠墊板, 初期投資較大。且由于橡膠易老化, 故運營一定時間后必須更換。

鐵道部科學研究院對彈性支承塊式軌道結構進行了室內1∶1 模型試驗。在確認了其疲勞強度和安全性后, 利用落軸沖擊試驗對其振動特性進行了對比試驗, 結果表明, 減振型結構道床的最大振動加速度為剛性型的一半, 振動頻率也只有一半, 說明彈性支承塊軌道結構的減振性能優良。測試結果表明: 其阻尼值比剛性整體道床提高30. 8～ 50. 7% , 有利于消振。彈性支承塊式整體道床軌道結構建議用于有一般減振要求的1 類地區, 如居民區、商業區域等。
3. 2　浮置板式軌道結構
根據振動理論可知, 當一個振動體在一個外部激振動力作用下, 該振動體產生振動, 但振動體振動的頻率與振動體質量的開方成反比, 與振動體的剛度開方成正比。而加速度的大小是與振動體振動頻率的平方成正比, 所以也就與質量成反比, 與剛度成正比。浮置板就是利用這一原理, 增大振動體的振動質量和增加振動體的彈性, 利用其慣性力吸收沖擊荷載, 從而起到隔振作用, 所以浮置板式軌道結構是降低傳振和傳聲的很有效的方法。這種隔振系統在共振頻率下的放大倍數很低, 所以減振降噪效果非常顯著。浮置板軌道結構系統采用三層水平墊板(鋼軌下橡膠墊板、鐵墊板下橡膠墊板、板下橡膠墊板) 和一層側向墊板。
(1) 國內外應用概況

圖3　德國有道碴浮置板軌道結構

圖4　迪塞樂多夫輕軌鐵路上的無碴浮置板式軌道
最早采用浮置板式軌道結構的是聯邦德國。德國對環境標準的要求非常嚴格, 隨著地鐵的開通, 噪聲和振動也不可避免地產生了。針對此情形, 德國先開發了有道碴的浮置板軌道結構(見圖3), 在多特蒙德(Do rtm und) 的一座輕軌鐵路隧道內鋪設了試驗段。此后, 在科隆地鐵和波鴻至穆爾海姆輕軌鐵路及迪塞爾多夫的輕軌鐵路上鋪設了無碴浮置板式軌道(見圖4)。由于其良好的減振降噪性能, 這種結構在華盛頓、亞特蘭大、多倫多、布魯塞爾均有鋪設。
我國第一次采用浮置板式軌道結構的城市軌道交通線路是廣州地鐵一號線。由于目前全國建成的軌道交通線路的城市只集中于京、津、滬、穗, 其他城市也只是處于在建或籌建階段, 因此, 這種軌道結構的性能在國內的實際運用情況可通過下一步的試驗來進一步闡明。

(2) 浮置板軌道結構的特點
·減振降噪效果最好。據聯邦德國有關部門測試, 有道碴下墊層和浮置板式的軌道結構其阻尼效應可達30 dB, 且在垂直荷載20%～ 100% 變化范圍內其隔振的效果幾乎保持不變。
·軌道絕緣性能強。由于軌道結構四周基本上由絕緣的橡膠支座與混凝土底座隔離, 可有效防止軌道迷流的發生。
·體積龐大, 施工與維修不便。由于浮置板是采用了有意增大軌下參振質量和有效阻尼的方法來控制噪聲和振動, 故一般而言, 浮置板體積較大, 需大型機械施工。維修時, 若需更換支座, 在隧道內將造成不便。

·由于采用橡膠支座, 故造價較高。
浮置板式軌道結構包括兩種基本類型: (1) 連續現澆浮置板; (2) 軌枕板式預制浮置板。連續現澆浮置板是在橡膠隔振墊上鋪一塊金屬模板, 然后將混凝土澆入金屬模板。但這種類型施工和維修均不便。板下橡膠支承方式分為整體支承、線性支承、分布式支承三種。浮置板的基本形式如圖5 所示。

圖5　浮置板式軌道結構示意圖
整體支承在瑞士、法國、西班牙、意大利、德國、法國等國地鐵中采用, 其優點是構造簡單, 施工速度快, 支承面積大, 道床受力均勻, 成本較低, 缺點是維修不方便。浮置板的線性連續支承主要在德國地鐵中應用, 其優點是較整體支承節省材料, 軌道結構的固有頻率較低。分布式支承曾在德國、法國、加拿大、新加坡地鐵中采用。這種支承方式如果設計合理, 軌道結構的固有頻率低, 減振效果好, 維修方便。但在國外應用時曾發現軌道縱向和橫向抵抗力差, 為了限制變形, 必須使剪切模量、彈性模量、墊板厚度、墊板大小等的匹配, 采取凹槽對橡膠墊板進行定位, 能有效地提高板的穩定性。
浮置板式與彈性支承塊式整體軌道相比, 施工和維修都較為困難, 但經過仔細研究國外地鐵軌道結構資料后, 發現采取改進板的結構型式和尺寸, 對現有板下橡膠支承方式進行改進, 可使施工和維修簡化, 在維修過程中完全可采用簡單機具更換橡膠墊板。浮置板軌道結構建議用于有特殊減振要求的0 類地區, 如心臟病醫院、文教類區域。
4　結束語
城市軌道交通的建設是百年大計, 對軌道交通工程每一部分的選擇都應慎之又慎, 一方面要節約投資, 另一方面要考慮環境等因素又不得不增加投資。所以有時不能只因節約投資而忽略環境、運行等問題。一旦軌道交通建成, 要對其整改, 所花的費用則可能是一次性投資的幾倍。據此, 這里提出一些對城市軌道交通軌道結構設計的原則和類型選擇的建議, 以供決策部門考慮與借鑒:
(1) 修建城市軌道交通工程應有超前意識, 全線宜采用整體軌道結構類型。
(2) 根據城市環境的要求和軌道結構振動、噪聲的特點, 應采用新型的整體軌道結構形式, 如: 彈性軌道結構、減振降噪型軌道結構等類型。
(3) 對城市軌道交通沿線地區, 根據環境的要求, 進行分類。有特殊減振要求的區域, 如心臟病醫院、文
教類區設為0 類地區; 其他地段為一般減振要求, 如學校、居民區、商業區域設為1 類地區。0 類地區, 采用浮置板軌道。1 類地區, 采用彈性支承塊式整體道床軌道。
(4) 就我國目前的應用情況, 減振降噪型軌道結構真正應用于具體的城市軌道交通中, 還有以下幾個大的方面要進行工作:
·以相應的運營條件, 建立動態軌道力學模型進行理論計算分析, 從理論上分析結構減振降噪的關鍵所在;
·對減振部件進行優化設計, 以獲得最佳減振降噪效果。對減振橡膠材料進行理化性能的研究, 提高其長期的使用壽命, 降低成本;
·進行必要的室內性能試驗。如條件許可, 可建立實尺軌道模型進行振動、噪聲和力學傳遞等的對比研究;
·進行施工工藝及施工機具的研究, 提高施工速度和精度;

·進行養護維修技術的研究, 以保證正常運營。