青島地鐵軌道減振措施應用研究及展望

蘆睿泉

（青島地鐵集團有限公司，山東青島 266035）

1 研究背景

地鐵運行為人們帶來便捷的同時，列車運行引發(fā)的環(huán)境振動與噪聲問題也日益嚴重。近年來，軌道交通通車后的振動和噪聲投訴成為公眾關注的焦點問題，軌道交通引起的環(huán)境振動與噪聲對人體健康、工作效率、周圍建筑結構以及精密儀器產生影響。與國內其他城市不同，青島地區(qū)整體坐落在燕山晚期深成相中粒、粗粒、細粒花崗巖基上[1]。張波等以青島地鐵3號線為例，建立了地鐵振動環(huán)境響應計算模型[2]，對隧道建于巖石中的地鐵振動環(huán)境響應進行了研究，得到了淺層巖石彈性模量降低對地鐵振動環(huán)境響應有有利作用等結論。張斌等以青島某地鐵線路為研究對象進行了測試[3]，認為隧道與地面振動主要集中在50～200 Hz，隧道200 Hz 處的振動最為顯著，地面60～80 Hz 的振動最為顯著。楊尚福以深圳地鐵11號線為例，研究了不同地質條件對振動的影響[4]，認為振動中心頻率低于1.6 Hz，或大于20 Hz或25 Hz時，硬質巖層條件下的建筑物地板振級高于軟土及中硬土土體條件下的地板振級。

上述研究從數(shù)值分析和現(xiàn)場測試的角度對硬巖地質條件下的振動規(guī)律進行了有益探索和研究，但均未對青島地鐵軌道減振措施的實際應用效果進行總結。筆者結合青島地鐵多年來的建設經驗和實測數(shù)據(jù)，探討了不同軌道減振措施在巖石地質條件下的實際減振效果。

2 地鐵軌道減振分級標準研究

對新建地鐵工程的振動及二次結構噪聲進行環(huán)境影響評價的思路，是按照《環(huán)境影響評價技術導則 城市軌道交通》[5]中的方法計算敏感點處的振動及二次結構噪聲(固體聲)數(shù)值，并與《城市區(qū)域環(huán)境振動標準》[6]及《城市軌道交通引起建筑物振動與二次輻射噪聲限值及其測量方法標準》[7]中的標準限值進行做差對比，最終依據(jù)差值(即超標量)進行減振分級并采取相應的軌道減振措施。國內不同城市軌道交通在減振等級的界定上沒有統(tǒng)一標準，如表1所示。

表1 不同線路軌道減振級別劃分[8-11]Table 1 Division of track vibration reduction levels of different lines

《地鐵設計規(guī)范》[12]中規(guī)定，地鐵減振級別宜劃分為中等減振、高等減振和特殊減振三級。青島地鐵通過總結多年建設經驗，將各減振級別間的劃分標準及對應的軌道減振措施進行匯總，如表2所示。

表2 各減振級別分類及減振措施Table 2 Classification of track vibration reduction level and vibration reduction measures

與國內其他城市相比，青島地鐵在進行軌道減振等級劃分時，充分考慮了固體聲對沿線周邊敏感點的影響，且相對保守。這一方面與青島特殊的地質條件有關；另一方面，也與近年來地鐵噪聲投訴事件中，多是固體聲的投訴(而非振動投訴)有關。

3 軌道減振措施效果研究

3.1 壓縮型減振扣件

一般地段扣件剛度值為25～35 kN/mm，減振扣件剛度值為15～18 kN/mm。減振扣件通過降低其垂向剛度值獲得一定的減振效果。青島地鐵中等減振地段均采用壓縮型減振扣件。

1) 結構型式特點。壓縮型減振扣件是利用橡膠彈性墊板的壓縮變形耗散能量，提供減振效果。其特點是橫向剛度較大，在小半徑曲線地段具有良好的適應性，大大降低了鋼軌波磨的發(fā)生概率。其結構型式見圖1。

圖1 壓縮型減振扣件示意Figure 1 Schematic of vibration absorber fastener structure

2) 減振效果。對青島3號線應用的減振扣件進行了實測，檢測結果顯示[13]，隧道壁處的Z振級降低了8.1 dB，減振效果見圖2。

圖2 減振扣件減振效果測試Figure 2 Test of vibration reduction effect of vibration absorber fastener

3.2 減振墊浮置板道床

減振墊浮置板屬于道床類減振方案，具有較低的固有頻率和良好的減振效果。

1) 結構型式。鋪設于道床下的彈性減振墊包括橡膠和聚氨酯兩種材質。減振墊浮置板的最大特點是造價相對較低、可適用于道岔區(qū)，在硬巖條件下具有良好的適應性。其結構型式見圖3。

圖3 彈性減振墊浮置板道床Figure 3 Schematic of elastic pad floating slab track structure

2) 減振效果。對青島2號線應用的減振墊浮置板進行了實測，檢測結果顯示[14]，隧道壁處的Z振級降低了12 dB。其減振效果見圖4。

圖4 減振墊浮置板道床減振效果測試Figure 4 Test of vibration reduction effect of rubber floating slab track

3.3 鋼彈簧浮置板

鋼彈簧浮置板屬于道床類減振，是國內唯一公認效果最佳、最為成熟的特殊減振級別的軌道減振結構。

1) 結構型式。道床結構是將軌道固定在鋼筋混凝土質量平臺上，平臺再放在由柔性彈簧組成的隔振器上。質量平臺可以提供足夠的慣性質量來抵消車輛產生的動荷載，只有靜載和少量殘余動荷載通過彈簧傳到基礎結構上。鋼彈簧浮置板軌道系統(tǒng)的固有頻率為6～10 Hz，是所有減振軌道結構中最低的。其結構型式見圖5。

圖5 鋼彈簧浮置板道床Figures 5 Schematic of steel spring floating slab track structure

中量級鋼彈簧浮置板又稱固體阻尼鋼彈簧浮置板，重量級鋼彈簧浮置板又稱液體阻尼鋼彈簧浮置板。兩者僅阻尼材料有所區(qū)別，其余無差別。重量級鋼彈簧浮置板的減振效果較中量級鋼彈簧浮置板略優(yōu)。

2) 減振效果。對青島3號線應用的鋼彈簧浮置板進行了實測，檢測結果顯示[15]，中量級鋼彈簧浮置板隧道壁處的Z振級降低了16.9 dB，重量級鋼彈簧浮置板隧道壁處的Z振級降低了17.2 dB。其減振效果見圖6。

圖6 鋼彈簧浮置板道床減振效果測試Figure 6 Test of vibration reduction effect of steel spring floating slab track

通過上述測試結果可知，減振扣件、減振墊浮置板及鋼彈簧浮置板的減振效果分別為8 dB、12 dB和16～17 dB。3種措施分別可以滿足中等減振地段、高等減振地段和特殊減振地段的使用需求。

4 新型軌道減振產品研究及應用

青島地鐵在建設過程中，注重對軌道新技術的吸收和應用，如在青島地鐵3號線和11號線落地應用的阻尼減振道床試驗段，在11號線高架段鋪設的減振組合道床試驗段，以及在1號線鋪設的多等級減振通用預制道床試驗段。試驗段的順利鋪設，有力推動了軌道交通減振技術的發(fā)展。

4.1 浮置板減振組合道床試驗段

浮置板減振組合道床系統(tǒng)又稱軌道交通高性能減振組合道床系統(tǒng)，由鋼軌、減振扣件、預應力軌道板、道床隔振墊、砂漿層、底座等結構組成。綜合運用了隔振以及諧振的減振機理，將多種減振措施融為一體，并通過調整不同耦合子系統(tǒng)之間空間上的剛度、質量比例分配關系，實現(xiàn)振動能量在傳遞途徑中最佳的衰減[16]。其結構型式見圖7和圖8。

圖7 減振組合道床結構示意Figure 7 Schematic of track-slab hybrid system structure

圖8 青島11號線減振組合道床鋪設實景Figure 8 Photo of track-slab hybrid system in Qingdao metro line 11

在減振組合道床系統(tǒng)中，減振扣件剛度為8 kN/mm，預應力軌道板下道床隔振墊靜態(tài)彈性模量為0.018 N/mm2，系統(tǒng)組合剛度約為9.2 kN/mm，系統(tǒng)固有頻率介于10～15 Hz間，減振效果可達到特殊減振級別。為確保行車安全，鋼軌及道床板的垂向位移分別按4 mm和3 mm控制。此項技術在青島地鐵11號線上鋪設了120 m試驗段。測試結果顯示[17]，浮置板減振組合道床的減振效果VLZmax為18.2 dB(梁面處)，達到了特殊減振的級別。

此種類型軌道結構存在兩方面的不足：一是采用的諧振式減振扣件不適用于小半徑曲線地段，具有一定的局限性。二是鑒于結構的特殊性，只能應用于非岔區(qū)地段。

4.2 阻尼減振道床試驗段

約束阻尼結構是在傳統(tǒng)自由阻尼結構的基礎上，增加一個約束層，由約束層、阻尼層和基層三部分組成[18]。其實現(xiàn)減振的原理是當約束層產生振動時，阻尼層會隨著基材產生彎曲形變，材料內部產生的交變拉伸、壓縮應力和應變會損耗機械能量，從而達到減振降噪的目的[18]。其中道床與結構之間噴射的阻尼層采用Qtech-418粘彈阻尼材料，此材料具有良好的物理力學性能，耐久性可達80年。此減振機理有別于目前城市軌道交通中常用的質量-彈簧系統(tǒng)，打破了傳統(tǒng)的思維模式。其結構型式見圖9和圖10。

圖9 約束阻尼結構示意Figure 9 Schematic of constraint damping structure

圖10 道床阻尼減振試驗段剖面Figure 10 Sectional drawing of damping track bed

在青島地鐵11號線高架橋鋪設的試驗段現(xiàn)場見圖11。根據(jù)相關測試，其減振效果見表3。

圖11 阻尼材料噴涂實景Figure 11 Photograph of plating damping material on the bridge surface

由表3可知，噴涂層厚度5 mm的U型梁的減振效果要優(yōu)于噴涂層厚度3 mm的減振效果，其梁壁處減振效果ΔVLZmax為6～8 dB。

表3 阻尼減振道床試驗段測試效果ΔVLZ max (常溫)[19]Table 3 Test effects of damping track bed test section(ΔVLZ max, normal atmospheric temperature)

4.3 多等級減振通用預制道床試驗段

多等級減振通用預制道床為組合式板單元結構。道床結構由預制軌道板、預制基底板、調平減振層等組成，板下澆筑自流平材料。預制軌道板與預制基底板之間設置條狀減振墊，可根據(jù)沿線的不同減振需求設置不同剛度的減振墊。其結構型式見圖12。

圖12 多等級減振通用預制道床結構示意Figure 12 Schematic of multigrade vibration attenuation general precast track bed

在青島地鐵1號線勝利橋站—安順路站區(qū)間地下線鋪設了302.4 m試驗段，其中中等減振地段148.8 m，高等減振地段153.6 m。根據(jù)相關測試，中等減振和高等減振的減振效果分別為8.5 dB和13.9 dB[20]。其減振效果詳見圖13。

圖13 多等級減振通用預制道床減振效果對比測試Figure 13 Test of damping effect of multigrade vibration attenuation general precast track bed

多等級減振通用預制道床實現(xiàn)了中等減振和高等減振地段道床結構型式的統(tǒng)一，對于推動行業(yè)技術進步具有良好的示范性。此種類型軌道結構存在兩方面的不足：一是板體較為笨重，給運輸存放及施工帶來了一定難度；二是與減振組合道床類似，鑒于其結構的特殊性，其只能應用于非岔區(qū)地段。

5 結論及展望

截至2021年12月，青島地鐵已通車運營6條線路，合計開通運營里程284.3 km，全面進入到網(wǎng)絡化運營階段。青島地鐵從首條通車運營的3號線起就十分重視軌道減振地段的設置和軌道減振措施的選取，線路開通6年多來，列車運營對沿線敏感點的影響基本達到了預期的目標，運營實踐經驗驗證了減振設計思路的正確性。今后還需從以下幾個方面做好減振設計工作：

1) 軌道減振措施的選擇需要結合環(huán)評預測結果確定。但同時應充分考慮減振產品在大坡道和小半徑曲線等不利工況下的適應條件，確保軌道減振產品的性能可以充分發(fā)揮。避免因措施選取不當出現(xiàn)鋼軌波磨等病害，效果適得其反。

2) 隨著軌道交通的發(fā)展，其設計速度已不局限于80 km/h或120 km/h以內，如青島地鐵建設規(guī)劃中的14號線設計速度為160 km/h。針對列車高速運行下的振動特性，需要做進一步的研究，為后續(xù)地鐵線路建設做好技術積累。

3) 目前國內軌道交通的減振措施仍聚焦于軌道減振，其他專業(yè)參與度較低。軌道減振的效果固然最好，但也并非是解決所有振動及噪聲問題的靈丹妙藥。未來需要將減振推廣至全領域，由各專業(yè)協(xié)同配合，如通過優(yōu)化線路條件(調遠線路與敏感點的距離、增加隧道埋深等)、加大結構斷面、增加結構厚度、優(yōu)化結構形式等措施，實現(xiàn)綜合減振方案。綜合減振之路仍任重而道遠。