我國市域快速軌道交通減振設(shè)計方案研究

王羽杰

（中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京100055）

1 概述

隨著國內(nèi)城市城鎮(zhèn)化率的不斷提高，市域快速軌道交通工程線路也隨之逐步增加。北京、臺州、溫州、成都等多地已開工建設(shè)市域快速軌道線路，其中一部分線路已通車運營。市域快速軌道較普通地鐵設(shè)計速度高20～60km/h，軌道系統(tǒng)各部件設(shè)計在滿足列車高速、安全、平穩(wěn)運行的同時，還須滿足環(huán)評報告要求的減振效果要求，最終達到安全、綠色運行。

軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)工程的環(huán)境影響評估報告書等要求，確定減振地段位置及減振等級【1】。根據(jù)國內(nèi)地鐵軌道工程環(huán)評報告和GB 50157—2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定，軌道減振級別一般分為3 類：中等減振、高等減振及特殊減振，具體詳見表1。

表1 軌道減振級別分類表

2 國內(nèi)快速軌道減振方案介紹

成都—都江堰市域快速鐵路設(shè)計速度200km/h，在紅光路廣場高架段采用了隔離式減振墊整體道床，道床寬度2.4m，厚度230mm，每延米道床板質(zhì)量1 300kg，為梯形軌枕的2.6 倍。

蘭新客專設(shè)計速度250km/h，在為保護嘉峪關(guān)古長城建筑，下穿嘉峪關(guān)長城段軌道設(shè)計采用CRTSⅢ型板式減振型無砟軌道結(jié)構(gòu)和雙塊式減振無砟軌道結(jié)構(gòu)。

北京新機場線軌道交通工程設(shè)計最高速度160km/h，采用CRH6 動車組車輛。軌道設(shè)計為雙塊式混凝土枕整體道床，配套采用WJ-8B 型扣件，減振設(shè)計方案采用隔離式減振墊整體道床。

青島—平度市域快速軌道交通工程設(shè)計最高速度160km/h，采用地鐵車輛，直流供電。軌道設(shè)計采用雙塊式整體道床，在高架橋經(jīng)過敏感點時采用了隔離式減振墊整體道床。

3 方案比選

對比國內(nèi)外市域快速軌道交通減振設(shè)計方案可以看出，減振設(shè)計方案沒有參用扣件類及軌枕類方案，主要采用的是道床類減振方案。

3.1 方案一：隔離式減振墊整體道床

隔離式減振墊整體道床最早于1975 年在柏林地鐵采用，后來在歐洲國家鐵路采用，于2009 年引入我國，成灌高鐵第一次采用隔離式減振墊整體道床，2010 年通車運營，其主要組成有覆蓋層、夾層及阻尼層等。

由于浮置板軌道是質(zhì)量、彈簧與阻尼系統(tǒng)，浮置板越厚，軌道參振質(zhì)量越高，設(shè)計參數(shù)的選擇范圍越廣，相應(yīng)的減振效果較好【2】。道床板厚的增加還可以提高軌道板的抗彎剛度，相應(yīng)可減小軌道結(jié)構(gòu)的變形及鋼軌的應(yīng)力，對軌道結(jié)構(gòu)長期穩(wěn)定有利。

通過建模對運行速度160km/h 情況下，4 種不同板厚道床振動特性計算分析，結(jié)果見表2。

表2 不同板厚軌道振動特性統(tǒng)計表

由表2 可知，板厚增加使得軌道結(jié)構(gòu)垂向位移減小，說明增加板厚可以減小軌道系統(tǒng)的固有頻率。另外，隨著板厚的增加，鋼軌、軌道板以及基礎(chǔ)的振動位移都會減小。板厚從0.2m 增加到0.5m 時，軌道板垂向位移從2.8×10-8m/N 變?yōu)?.6×10-8m/N，減小了43%。說明板厚的增加對軌道結(jié)構(gòu)垂向振動位移的減小影響較為明顯。

減振墊體剛度（K）與其彈性模量（E）、截面積（A）和厚度（L）通過公式K=AE/L計算可得。本文選取4 種橡膠墊剛度：8×106N/m3、2×107N/m3、4×107N/m3、8×107N/m3，分別對應(yīng)彈性模量為: 4×104N/m2、10×104N/m2、20×104N/m2、40×104N/m2。對4 種不同彈性模量的減振墊道床振動特性進行計算分析，結(jié)果見表3。

表3 不同彈性模量軌道振動特性統(tǒng)計表

由表3 可知，增加橡膠墊彈性模量使軌道結(jié)構(gòu)垂向位移減小，說明增加橡膠墊彈性模量將增大系統(tǒng)的固有頻率。橡膠墊彈性模量從4×104N/m2增加到40×104N/m2時，鋼軌振動位移峰值從3.9×10-8m/N 驟變?yōu)?.9×10-8m/N，減少了77%。表明減振墊彈性模量的增加對軌道板的垂向位移影響最為明顯，這是由于減振墊彈性模量的增加直接影響的就是軌道板的垂向位移，從而帶動減小了鋼軌垂向位移。

由力學(xué)分析模型獲取的減振軌道和非減振軌道橋梁梁面垂向振動加速度分頻振級如圖1 所示。可以看出，采用普通非減振無砟軌道的地段，橋梁梁面加速度最大值為0.417m/s2，采用剛度為0.019N/mm3的減振墊無砟軌道的地段，橋梁梁面垂向加速度最大值為0.048m/s2，振動加速度驟減。表明采用隔離式減振墊無砟軌道，可以取得顯著的減振效果。

由圖1 可知，采用剛度為0.019N/mm3的隔離式減振墊無砟軌道，除在該軌道結(jié)構(gòu)的一階固有頻率（23.2Hz）附近出現(xiàn)振動放大現(xiàn)象外，在各中心頻率窄帶頻率范圍內(nèi)均有一定的減振效果，較高頻率的振動分量減振效果較好，在63～200Hz 的頻率范圍內(nèi)減振效果最好，最大減振量為19.62dB，即垂向最大Z 振級為19.62dB，滿足特殊減振等級要求。

圖1 梁面鉛錘向振動加速度分頻振級（Z計權(quán)）

3.2 方案二：鋼彈簧浮置板減振軌道

鋼彈簧浮置板軌道減振最早在德國地鐵應(yīng)用，后于2002年引入我國，首先在北京地鐵13 號線西直門高架車站上采用。鋼彈簧浮置板軌道系統(tǒng)可提供較好的隔振性能和橫向穩(wěn)定性。系統(tǒng)固有頻率介于7～10Hz，分頻振級插入損失達20～30dB，Z 振級最大減振效果為15～25dB。

建立整體道床動力學(xué)計算模型，在相同條件下計算得到整體道床的振動響應(yīng)情況，底座板垂向振動如圖2 所示，作為普通段，計算得到浮置板軌道的減振效果。相比于普通軌道，鋼彈簧浮置板道床板的加速度要明顯大于普通道床板的加速度，但鋼彈簧浮置板底座的加速度要明顯小于普通道床的底座加速度。由于鋼彈簧降低了道床板下的剛度，達到了隔振作用。雖然道床板的加速度被放大，但傳遞至底座的加速度明顯減小，進而傳遞至隧道、土體等振動響應(yīng)就會減小。

圖2 整體道床底座板垂向加速度

對在相同條件下采集的軌道減振段和非減振段軌旁測點垂向振動加速度，按ISO 2631/1—1985《人體處于全身震動評估》規(guī)定的1/3 倍頻程中心頻率Z 計權(quán)因子進行數(shù)據(jù)處理，分別得到軌道減振段和非減振段軌旁測點垂向振動加速度各中心頻率的分頻振級。采用評價頻率范圍內(nèi)軌道旁非減振段與減振段軌旁測點垂向振動加速度的1/3 倍頻程中心頻率分頻振級的均方根差值作為減振效果評價的主要指標(biāo)。當(dāng)振動頻率范圍為4～200Hz 時有18 個中心頻率，計算得到列車以速度160km/h 運行時鋼彈簧浮置板系統(tǒng)減振效果為19dB，滿足特殊減振要求。

3.3 經(jīng)濟性比較

隔離式減振墊材質(zhì)主要有橡膠和聚氨酯2 種，軌道結(jié)構(gòu)簡單，施工方便，綜合造價約1 000 萬元/km。鋼彈簧浮置板減振元件為內(nèi)外套筒合體的隔振器，外加剪力鉸、限位器，鋼筋籠施工較慢，綜合造價約1 600 萬元/km。

4 結(jié)語

國內(nèi)市域快速軌道交通速度160km/h 的減振設(shè)計全部采用隔離式減振墊整體道床。該減振方案最早在德國地鐵采用，后來引入國內(nèi)高鐵和地鐵，近年來陸續(xù)在北京、青島、成都等城市市域軌道采用，減振效果良好、結(jié)構(gòu)簡單、施工進度快、造價較低，是市域快速軌道減振較好的設(shè)計方案。