地下铁道工程轨道高等减振方案研究

地下铁道工程轨道高等减振方案研究

石泉 刘跃

贵阳市城市轨道交通集团有限公司，贵州 贵阳 550000

摘要：阐述地铁轨道减振系统的原理，并对各种高等减振方案的减振效果、优缺点、投资造价等方面的研究对比分析，并通过调研相关城市高等减振方案的实际应用案例，旨在为新建地铁线路高等减振方案的实施提供参考。

关键词：地铁；轨道；减振等级；高等减振；减振效果

引言

现代社会城市规模不断扩大，由此带来的交通拥堵问题日渐突出。地铁交通以其运量大、运行准时、乘坐方便舒适等优势成为缓解现代城市交通压力、解决大城市交通拥堵的主要途径。然而地铁交通在方便人们出行的同时，也带来了环境振动与噪声问题，轨道减振因其具备优良的减振效果被广泛应用于环境振动敏感区域。近年来开通和正在设计的一些工程中，轨道减振比例达到了40%～60%，而高等减振措施在轨道减振中占到了30%～50%。因此，有必要对高等减振方案进行研究。

1 可供选用的高等减振措施归纳

截止目前，在国内各城市地铁轨道工程高等减振地段线路主要采用的减振措施有：隔振垫浮置板道床（隔振元件主要为隔振垫）、中档钢弹簧浮置板道床（隔振元件为钢弹簧隔振器（含固体阻尼））、橡胶弹簧浮置板道床（隔振元件为橡胶隔振器）、梯形轨枕（隔振元件为橡胶隔振支座）、先锋扣件（扣件减振）。

2 地铁轨道减振的原理

浮置板轨道结构一般由钢筋混凝土板、弹性支座、混凝土底座及配套扣件组成。该结构是用扣件把钢轨固定在钢筋混凝土板上，板置于可调的弹性支座上，形成一种质量-弹簧隔振系统，其基本原理是在轨道和基础间插入固有频率远低于激振频率的线性谐振器，通过足够的惯性质量来抵消车辆产生的动荷载，从而只有静荷载和少量残余动荷载可通过橡胶或螺旋钢弹簧等弹性元件传至基础结构。

图1 浮置板轨道结构

梯形轨枕是基于纵向轨枕理论开发的，由混凝土纵梁作为固定的且连续支承钢轨的结构，并在左右纵梁之间用钢管或钢筋混凝土进行横向刚性连接，组成“梯子式”的一体化结构。为具备良好的减振效果，轨枕分别设有减振材料和缓冲材料，枕下减振材料设计静刚度15～18kN/mm，两侧缓冲材料刚度为42.5kN/mm，系统固有频率在25～30Hz之间，其减振效果可达7～18dB。

2001年，英国Pandrol公司开发出了先锋（Vangurd）扣件。它包括两种类型：一是嵌入式，它可以直接预埋在混凝土轨枕或轨枕块中；二是底板式，它是利用螺纹道钉、一般道钉或螺栓固定到轨枕上。它的减振原理是通过弹性部件扣紧轨头与轨腰，而不是扣在轨底，钢轨悬浮于轨下基础之上，这种扣紧系统可提供非常低的竖向刚度（6～10kN/mm），允许钢轨产生较大的垂向位移（3～4mm），并能有效抑制钢轨的横向翻转，从而达到显著的减振效果。

3 各种减振措施综合减振效果对比

各种高等减振措施的实际减振效果由高到低的顺序排列为：中档钢弹簧浮置板（15dB左右）＞隔振垫道床（12～15dB ）≈橡胶弹簧浮置板（12～15dB ）＞梯形轨枕（10dB左右）≈先锋扣件（10dB左右）。各减振措施的减振效果对比见表1。

表1 各减振措施的减振效果对比

4 经济指标投资造价分析

各种高等减振方案的造价较普通道床增加的工程投资由高到低的顺序排列为：中档钢弹簧浮置板（约1000万/km）＞梯形轨枕（约800万/km）＞隔振垫道床（约600万/km）≈橡胶弹簧浮置板（约600万/km）＞先锋扣件（约400万/km）。各减振措施的工程造价对比见表2。

表2 各减振措施的工程造价对比

5 各种高等减振措施在施工建设与运营维护中存在的问题

目前，高等减振措施中，除先锋扣件外，维修更换均较困难。隔振垫浮置板施工方便、减振效果好、稳定性好、适用性广（正线、道岔区均可适用）、性价比较高，日常无需对隔振垫进行维护，但隔振垫不易更换、不具备日常维修性，如需更换，需锯断钢轨，切割并顶升浮置板道床，日常运营封锁天窗时间无法完成，可在轨道大修停运期间完成更换工作；中档钢弹簧浮置板减振元件较隔振垫浮置板易维护，但局部地段仍需切割钢轨后进行更换，且铺设施工复杂，施工进度缓慢，对土建施工精度要求高，质量较难控制，阻尼剂可能外泄；橡胶弹簧浮置板道床减振效果好，便于维修，无需额外添加阻尼剂，杜绝了由于阻尼剂外泄而造成的浮置板病害，但施工复杂，施工进度缓慢，对土建施工精度要求高；梯形轨枕在直线地段铺设方便，较多应用于高架区间，但曲线地段以直代曲，轨道平顺性较差，另施工精度要求高，易产生空吊。属于轻量的质量弹簧系统，减振性能略低，易产生波磨，道岔区无法使用，更换也较困难，同样需锯断钢轨，起吊梯形轨枕预制板，在日常天窗封锁期间无法完成；先锋扣件安装更换方便，但钢轨振动下沉量大,啸叫声较明显，无法安装钢轨急救器，养护维修工效较差，结构复杂、稳定性差，曲线地段易产生波磨。

6 工程应用情况

综上，先锋扣件减振效果一般，主要应用于既有线的改造，同时，由于其稳定性较差和易引起钢轨啸叫、在曲线地段易产生波磨等原因，目前在相关新建地铁线路也较少采用；梯形轨枕在曲线地段铺设须以直代曲，轨道平顺性较差，实际的减振能力有限，在曲线地段较多的高等减振线路地段不推荐采用；隔振垫虽有不易更换、维修的缺点，但由于其具有施工方便、减振效果好、稳定性好、适用性广（正线、道岔区均可适用）、性价比较高，不易产生钢轨波磨等特点，在当前国内高铁、地铁线路广泛应用；中档钢弹簧浮置板因安装时间长，造价投资较高因而采用较少；橡胶弹簧具有减振效果较好，便于维修、性价比高等特点，虽然其应用还不十分广泛。

通过调研，隔振垫浮置板广泛应用于在国内高铁线路，以及北京、上海、广州、深圳等大部分城市的轨道交通线路；中档钢弹簧浮置板主要集中应用在北京、上海的地铁线路，因投资造价较大，近年来已极少选用；橡胶弹簧浮置板仅在深圳地铁11号线有运营应用，目前在成都、宁波、南宁、兰州的部分地铁线路有在建使用；梯形轨枕在北京和上海有较多的线路运营应用，其他城市较少采用，且近年来在全国各城市在建地铁线路中基本不再采用；先锋扣件在北京、上海、广州早期已运营的地铁线路有过应用，近年来各地城市在建地铁线路已基本不再采用，目前其应用范围主要集中于既有线路的改造工程。各减振措施的应用情况见表3。

表3 各减振措施的应用情况

7 结语

地铁轨道减振等级的划分与减振产品的减振能力密不可分，而由于目前国内尚无量化指标规定减振等级采用何种减振产品措施，且任何减振措施均有一定局限性，故需要通过对城市轨道交通运营线路减振产品使用情况的不断总结，并结合具体地铁线路的线路条件、投资造价等实际情况进行综合考虑，继而选取适宜的减振措施。