鋼彈簧浮置板隔振道床在北京城鐵敏感路段的應(yīng)用

【摘要】城市軌道交通的減振降噪問題已經(jīng)提上議事日程,受到各方面的關(guān)注。文章不僅介紹了道床減振的原理和軌下、枕下、道床下隔振的不同方法,而且還具體介紹了鋼彈簧浮置板(道床下隔振) 技術(shù)在北京城鐵敏感地段的實(shí)際應(yīng)用及其減振效果。【關(guān)鍵詞】軌道交通　減振降噪　鋼彈簧浮置板　隔振道床
1 　概況
北京城市鐵路(西直門—東直門) 為北京首條以高架和地面線為主的城市軌道交通線路,在東直門車站一帶為地下線。在東直門附近某居民區(qū),線路從兩居民塔樓中間地下穿過, 隧道外邊緣距塔樓基礎(chǔ)只有117 m 左右,屬于隔振要求很高的路段。若不采取特殊隔振措施,居民樓內(nèi)的環(huán)境振動(dòng)將會(huì)嚴(yán)重超標(biāo),給居民生活造成不良影響。根據(jù)市領(lǐng)導(dǎo)“以人為本”的指示精神,城鐵公司和北京市城建設(shè)計(jì)研究院為保護(hù)環(huán)境, 確保居民塔樓內(nèi)環(huán)境振動(dòng)達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn),經(jīng)過方案比選及專家論證,決定在此路段采用鋼彈簧浮置板隔振技術(shù)。

2 　道床隔振基本原理
傳統(tǒng)的城市軌道交通結(jié)構(gòu)對(duì)附近地面建筑物產(chǎn)生較大的振動(dòng)和噪聲影響(圖1) 。振動(dòng)和噪聲主要由于軌道的不平順和輪軌間相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生,其中噪聲通過空氣介質(zhì)傳播到建筑物中(一次噪聲),而振動(dòng)則通
　　在本道岔研究設(shè)計(jì)時(shí),力求減少今后的養(yǎng)護(hù)維修量和提高安全性能,采用了一些諸如精密鑄造鐵座、鐵墊板螺栓防轉(zhuǎn)孔等結(jié)構(gòu),給道岔的制造增加了一定的難度。經(jīng)過工廠的制造工藝攻關(guān),順利地實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)意圖。為確保道岔運(yùn)至城鐵工地后的順利鋪設(shè),分別在工廠對(duì)第一組單開道岔和交叉渡線進(jìn)行了試組裝。組裝工序進(jìn)行順利,這也是對(duì)道岔的研究設(shè)計(jì)和制造的一次有效的驗(yàn)證。
2001 年7 月31 日和9 月26 日,業(yè)主組織設(shè)計(jì)監(jiān)理、施工監(jiān)理、施工等單位,分別對(duì)單開道岔和交叉渡線進(jìn)行了廠內(nèi)試鋪驗(yàn)收。過軌道結(jié)構(gòu)—道床—隧道壁(或橋墩) —地基傳到建筑物上,再通過建筑物結(jié)構(gòu)本身的耦合放大(通常是放大) 而激發(fā)出樓板的低頻振動(dòng),振動(dòng)源中沒有衰減掉的高頻成分(20～500 Hz) 則通過墻壁和地板、天花板發(fā)出結(jié)構(gòu)聲(二次噪聲) 。這種振動(dòng)和噪聲都會(huì)對(duì)人造成不良影響。
城市軌道交通的減振降噪問題是從20 世紀(jì)60 年代才開始引起人們重視的。各國地鐵根據(jù)自身的特點(diǎn)研究出了不同的減振降噪方法。針對(duì)噪聲(一次噪聲) 的措施主要是改善輪軌接觸的平順性,這是治本治源的措施(也有利于減振),或者加裝隔聲吸聲屏。針對(duì)振動(dòng)和固體聲的措施都基于隔振原理,即在軌道—軌枕—道床—結(jié)構(gòu)—地基—建筑物這一振動(dòng)傳播鏈中間某一環(huán)節(jié)加入彈性和阻尼介質(zhì),降低系統(tǒng)固有頻率,從而對(duì)固有頻率114 倍以上的頻率實(shí)現(xiàn)隔離和吸收(高頻濾波),振動(dòng)沒有了,結(jié)構(gòu)噪聲也就不會(huì)產(chǎn)生。按照各種措施介入的不同環(huán)節(jié),分為軌下隔振、枕下隔振、道床下隔振3 個(gè)層次(圖2) 。
　　根據(jù)隔振原理和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué),隔振系統(tǒng)的參振質(zhì)量越大,彈性越高,隔振效果越好。從軌道結(jié)構(gòu)來看, 隔振節(jié)點(diǎn)離鋼軌越遠(yuǎn),彈性可以越大,參振質(zhì)量可以越


圖1 　城市軌道交通噪聲振動(dòng)的產(chǎn)生和傳播
大,固有頻率和隔振頻率范圍可以越低,隔振效果越好。然而剛度和質(zhì)量在不同的節(jié)點(diǎn)都有一定的客觀制約范圍,不能隨意擴(kuò)大或減小。如在軌下,任意增大墊板彈性會(huì)造成鋼軌變形和位移過大,影響行車安全。

圖2 　軌下、枕下、道床下隔振措施
3 　各種道床隔振技術(shù)及其性能比較
3.1 　軌下彈性墊板
軌下彈性墊板是最基本的減振措施,用橡膠和其他高分子材料制成的各類彈性墊板幾十年來一直在優(yōu)化和改進(jìn)之中。科隆蛋是常見的較好隔振措施之一, 最早應(yīng)用在科隆地鐵,在我國上海地鐵等地也有應(yīng)用, 一般可以取得隔振5～8 dB 的效果。它是將橢圓錐形內(nèi)圈(與鋼軌相聯(lián)) 和外圈(與道床相聯(lián)) 用橡膠膠結(jié)在一起,利用橡膠的剪切變形取得較高的彈性。其缺點(diǎn)是橫向剛度較低,不適于曲線段,如橡膠工藝不嚴(yán)格容易造成橡膠圈脫落而失效。
3.2 　彈性支承塊
彈性支承塊(彈性套靴) 經(jīng)濟(jì)實(shí)用,可以達(dá)到隔振5～10 dB 的效果,在北京地鐵等地得到使用。套靴的橫向剛度較科隆蛋好,因套靴四周側(cè)面剛度較大,能提供較好的橫向約束,而在垂向可采用不同剛度的彈性墊板提供垂向彈性。主要的問題是套靴側(cè)面磨損后, 橫向剛度會(huì)降低。
3.3 　整體彈性道碴墊
對(duì)于隔振要求大于10～15 dB 的場合,一般需要在道床下采取隔振措施。碎石道床和整體道床下的隔振措施有所不同。碎石道床一般采用整體彈性道碴墊,如橡膠墊(發(fā)泡、開槽膠墊,或再生橡膠) 和發(fā)泡聚氨酯彈性墊。發(fā)泡聚氨酯彈性碎石道碴墊比橡膠墊彈性高、壽命長,隔振效果可達(dá)10～16 dB , 對(duì)地面線碎石道床隔振是一種性能、價(jià)格比很好的技術(shù)。

3.4 　浮置板道床
如果將整體道床與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)分離,做成具有足夠剛度和質(zhì)量的道床板,再浮置于彈性元件上,即構(gòu)成浮置板道床。浮置板可以提供足夠的慣性質(zhì)量來抵消車輛產(chǎn)生的動(dòng)荷載,只有靜荷載和少量殘余動(dòng)荷載會(huì)通過彈性元件傳到基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上。其彈性元件有面支承、線支承和分布支承3 種形式,其中分布支承效果最好。采用橡膠的稱橡膠浮置板,采用螺旋鋼彈簧(一般采用分布支承) 的稱鋼彈簧浮置板。
橡膠浮置板在新加坡、香港和廣州地鐵中得到應(yīng)用,其隔振效果好于科隆蛋和彈性套靴,但存在以下問題影響其進(jìn)一步推廣: ① 橡膠易老化,不易檢修; ② 列車運(yùn)行中隔振地段車內(nèi)振動(dòng)噪聲明顯加劇,鋼軌內(nèi)側(cè)磨損加劇,據(jù)分析是由于橫向剛度較低和阻尼較小所致; ③ 隔振效果約10～15 dB , 但固有頻率在15～20 Hz , 對(duì)于軟土地基及對(duì)人們較敏感的振源低頻部分隔振效果并不理想。
鋼彈簧浮置板道床由螺旋鋼彈簧和粘滯阻尼組成,有內(nèi)置式、側(cè)置式和適用于橋梁建筑隔振的支座式3 種系列,隔振效果遠(yuǎn)高于其它隔振方法,適用于線路從建筑物下面(或附近) 通過,以及建筑物隔振要求較高的場合(如音樂廳、歌劇院、醫(yī)院、市政廳、會(huì)議中心、博物館、中高檔住宅和酒店等) 。該技術(shù)已成功地應(yīng)用于國內(nèi)外20 多個(gè)不同場合。德國柏林地鐵、科隆地鐵、法蘭克福—曼茵茨國際機(jī)場樓頂快速客運(yùn)系統(tǒng)、巴西圣保羅地鐵、日本東京地鐵、韓國釜山—漢城高速鐵路的部分地段采用了這項(xiàng)技術(shù)。首批使用場合已成功運(yùn)營達(dá)10 年之久,至今情況良好。表1 對(duì)幾種常見的隔振措施的特性進(jìn)行對(duì)比。

4 　隔振效果
由于鋼彈簧浮置板的固有頻率很低,所以隔振效
表1 　幾種常見的隔振方案比較

率很高。據(jù)國外文獻(xiàn)報(bào)道,科隆地鐵通車后,實(shí)測浮置板到隧道壁的振動(dòng)傳遞損失,在215～400 Hz 的1Π3 倍頻程內(nèi)平均高達(dá)45 dB(圖4) 。我國鐵道科學(xué)研究院對(duì)深圳地鐵足尺模型落錘試驗(yàn)測試結(jié)果顯示,鋼彈簧浮置板的峰值振動(dòng)傳遞損失達(dá)30 dB 。

圖4 　科隆地鐵浮置板及隧道壁垂向振動(dòng)速度(dB) 比較
　
　　北京城市鐵路共在3 個(gè)地段采用了鋼彈簧隔振技術(shù),其中西直門交通樞紐西直門車站和指揮中心高架線路穿樓段已于2002 年9 月28 日通車。東直門居民樓段浮置板道床于2002 年11 月底頂升完畢, 將于2003 年1 月28 日全線通車。業(yè)主已委托鐵道科學(xué)研究院對(duì)西線各種隔振措施進(jìn)行全面測試,結(jié)果正在處理中,待東直門居民樓路段通車測試后一并發(fā)表。
根據(jù)現(xiàn)場宏觀感覺,關(guān)窗后在指揮中心內(nèi)感覺不到車進(jìn)車出;根據(jù)非正式測試結(jié)果,站臺(tái)層下的監(jiān)控室內(nèi)車進(jìn)車出時(shí)垂向Z 振級(jí)和等效聲級(jí)分別為60 dB 和45 dBA , 已滿足了國標(biāo)GB100070 —1998 和國標(biāo)
GB3096 —1993 對(duì)城區(qū)夜間居民區(qū)室內(nèi)的振動(dòng)的控制標(biāo)準(zhǔn)(67 dB 和45 dBA) 。
5 　鋼彈簧浮置板的應(yīng)用前景
目前國內(nèi)各大城市正大力發(fā)展城市軌道交通,但由于國內(nèi)城市軌道交通起步較晚,土地資源又十分寶貴,軌道線路從建筑物附近甚至正下方穿過的情形難以避免。如果不采取較好的隔振措施,建筑物內(nèi)的環(huán)境振動(dòng)將可能超標(biāo),不但影響人們的工作和休息,還會(huì)造成附近房地產(chǎn)貶值。鋼彈簧浮置板隔振效果徹底, 技術(shù)優(yōu)勢明顯,為城市軌道交通的振動(dòng)噪聲環(huán)境控制提供了有效的技術(shù)手段,在特殊隔振地段具有廣闊的應(yīng)用前景。
正因如此,螺旋彈簧浮置板技術(shù)近期在國內(nèi)地鐵中得到了較快的推廣,除北京城市鐵路外,尚有深圳地鐵、上海地鐵、南京地鐵在特殊的隔振地段設(shè)計(jì)了螺旋彈簧浮置板,我國臺(tái)灣臺(tái)北、高雄兩市也將鋼彈簧浮置板列為比選方案之一。城市軌道交通減振降噪是城市可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分,是一門系統(tǒng)學(xué)科,希望各方面專家和有關(guān)主管部門在城市規(guī)劃和設(shè)計(jì)研究中能給予足夠的關(guān)注。