城市轨道交通减振降噪型轨道结构的选择
摘 要 城市轨道交通噪声主要由轮轨噪声、动力设备噪声、结构振动噪声组成。降低轮轨噪声,是城市轨道交通降噪的关键之一。不同的轨道结构,具有不同的减振降噪能力。减振降噪型轨道结构分三类:弹性扣件、弹性支承块和浮置板。根据这三类减振降噪型轨道结构,提出对降噪要求不同的地区,应选择不同类型的轨道结构。
关键词 城市轨道交通,减振降噪,轨道结构,类型选择
大量研究结果表明[ 1 ] ,列车引起的噪声可分为四个部分:轮轨噪声、集电弓噪声、车厢的空气动力噪声和桥梁结构的二次振动噪声。对于城市轨道交通,动力设备、空调系统等噪声也占较大比例。国外对振动噪声问题的研究已开展多年,认为当列车速度低于60 km/h 时,主要为发动机噪声; 当列车速度在60～200 km/ h 时,轮轨噪声要占较大的比例,当列车速度大于200 km/ h 时,主要是空气动力噪声[ 2 ] 。而城市轨道交通的列车速度一般在60 ～80 km/h 之间,故车体的空气动力噪声较小,其综合噪声主要是由轮轨噪声、动力设备噪声、结构振动噪声组成。
合理选择减振降噪型轨道结构,可降低轮轨噪声。对噪声要求不同的地段,可采用不同的降噪型轨道结构。由于噪声声级的对数叠加特性。在整治主要噪声源的同时,应对其它噪声源加以控制, 阻断噪声的传播途径,缩小噪声污染范围。因此, 减振降噪是一项系统工程, 需要有关专业共同配合、综合治理才能取得满意效果。
1 无碴轨道结构的噪声特点与设计原则
有碴轨道的道碴提供了很好的弹性,对减振降噪有利。但有碴轨道在列车荷载作用下会发生几何形位的变化,需进行经常性的养护。轨道交通线路如采用有碴轨道,在运营时间内对其进行养护维修几乎不可能,而夜间的养护维修作业在安全、质量和设备要求上提出了更为苛刻的要求; 此外,高架桥上采用道碴道床增加了桥梁的自重, 增加投资,且道床的清筛粉尘也对城市环境造成污染。因此,与有碴轨道相比,无碴轨道具有稳定性、平顺性、刚度均匀性好、维修工作量少、简洁易清洗等显著优点。日本、德国等国家已把它作为高速铁路和城市轨道交通的主要轨道结构型式加以发展和应用。
(1) 无碴轨道结构的振动与噪声特点
轨道结构的噪声为轮轨噪声。钢轨与车轮的相互作用激起钢轨和轨下基础的振动,钢轨即向外辐射噪声。振动来源于轨道的不平顺。振动随轨下基础向周围传递,或引起振动,或造成结构“二次噪声”。轮轨噪声可分为3 种主要类型:类叫、冲击和轰鸣(或滚动) 噪声。当车辆通过小曲线半径时, 由于车轮受转向架的约束,不能正切于钢轨运行, 引起车轮沿着钢轨滚动时横向滑过轨头,由此产生轮轨接触表面的粘着和空转,引起车轮共振而产生强的窄频带尖叫噪声。车轮通过轨缝、道岔或擦伤的车轮在钢轨上滚动时引起的是冲击噪声。轰鸣噪声是通常没有擦伤的车轮在状态良好的直线钢轨上滚动时所发生的噪声,这是由于车轮和钢轨表面上的小面积粗糙造成的。
由于噪声和振动在500～2 500 Hz 频率范围内线性相关,且在此范围内钢轨是主要辐射体(特别是在500～1 000 Hz 范围内),因此抑制钢轨振动、减小钢轨的振动加速度和频率,对降噪起着关键作用。通过研究轨道结构各组成部件参数的合理匹配,可以达到这一目的。弹性钢轨和弹性车轮的成功经验,证明这种方法是行之有效的。轨道结构的减振可采用隔振技术,阻断振动的传播途径,使得轨道作为振源向周围土介质或向梁跨结构传递的振动较小,从而避免结构的“ 二次噪声”。
(2) 减振降噪型无碴轨道结构设计的主要原则
减振降噪应以工程环境评价报告为依据,经现场详细调研,明确振动与噪声的保护对象和范围, 确定期望值,根据线路铺设形式、地质条件等合理选型。据此,减振降噪型轨道结构的设计应遵循以下主要原则:良好的稳定性和耐久性; 良好的减振降噪性;结构简单,施工和安装的简便性;轨道几何形位的可调性;低成本及少维修养护。
2 减振降噪型钢轨扣件的选择
钢轨扣件由扣压件、轨下垫层和联结螺栓组成。为了保持轨道结构的稳定性以及可维修养护性、减振等要求,钢轨扣件应具有一定的扣压力、必要的弹性和相应的可调能力。
(1)WJ -2 型、DT Ⅲ 型及WJ -4 型扣件
图1 WJ-2 型弹性扣件 图2 DT Ⅲ 弹性扣件 图3 WJ -
WJ -2 型扣件(图1) 的调高量为40 mm , 轨距调整量为10 mm , 扣件节点刚度为40～60 kN/m , 能满足一般地段的减振要求。扣件的绝缘电阻为108 Ω。该型扣件已在上海的明珠线使用。但扣件调高以后的刚度匹配及增加扣件的减振降噪效果还需进一步研究。
上海地铁采用了DT Ⅲ 型扣件(图2) 。该扣件采用二级减振,在钢轨和铁垫板下都设绝缘橡胶板,扣件的弹性、减振效果较好,比北京地铁采用DTI 型扣件的振动水平减少5～10 dB 。
WJ-4 型扣件(图3) 是一种无挡肩的弹条扣件,轨下垫层调高量较小,轨面的调整主要是靠铁垫板下的垫层调整。此类扣件的减振降噪效果类似于WJ -2 型。目前此类扣件尚在开发中。
(2) Cologne -Egg 弹性扣件
Cologne -Egg 弹性扣件是在减振要求较高地段采用的轨道减振器扣件(图4) 。该扣件的承轨板与底座之间用减振橡胶硫化粘贴在一起,利用橡胶圈的剪切变形获得较低竖向刚度,较DTI 型扣件的振动传递减少15～30 dB , 较DT Ⅲ 型扣件减少10 ～20 dB 。
4 扣件(研制中)
轨道减振器扣件的垂直刚度较低,而且不过度牺牲钢轨的横向稳定性。对于有碴轨道,其减振水平为10～15 dB , 当振动频率较高时可减振25 dB 。但随着时间的延长,轨道减振器的震动性能会下降,所以要提高橡胶弹性元件的耐久性、抗老化性等性能。国内外大量实验表明,此类减振器的减振性能介于一般扣件与浮置板之间。
图4 Cologne -Egg 弹性扣件
此外在选择扣件时,应考虑轨道交通通过地区对减振降噪的要求。即根据不同的地区选择不同减振降噪效果的扣件系统,使其达到最佳效果。一般来说,减振降噪效果好的扣件系统,其成本相对较高。
3 弹性支承块轨道结构(LVT)
(1) 国内外低振动轨道结构使用简况
最高速度200 km/ h 的英吉利海底隧道通过多种无碴轨道结构比选,采用了弹性支承块轨道(Low Vibration Track , 简为LVT) ( 图5 、6) ,目的是使得轨道结构具有较好的减振性能,降低轮轨之间的动力作用,使列车运行平稳。美国Sonneville 国际集团公司还对该轨道系统提供成套技术咨询服务,其技术已相当成熟。日本对高速铁路轨道结构弹性的研究更为广泛,不但对轨道结构弹性与轮轨的动力作用关系进行研究,而且对轨道弹性与降低列车运行噪声的关系进行了广泛的研究。
图5 美国Sonneville 公司的LVT 结构(橡胶靴套专套)
图6 英吉利海底隧道的LVT 结构
据瑞士联邦铁路的轨道检查记录显示,运营了1～7 年的LVT 几何状态仍可保持在标准范围之内。由于其特有的减振、降噪、减磨等优越性能,该轨道结构已被世界上许多国家所采用。
LVT 结构在我国铁路中的应用刚刚开始,在已建成的18 km 长秦岭隧道内,铺设了这种弹性轨道结构。现场测试及理论分析表明,这种轨道结构的振动衰减特性接近于有碴轨道。我国秦(皇岛) ～ 沈(阳) 客运专线也部分铺设了这种轨道结构的试验段,以验证其减振性能。
由于LVT 的减振降噪效果较为明显,因此,城市轨道交通中对振动和噪声敏感的地段,特别是高架结构,弹性支承块式无碴轨道结构是一种比较理想的选择方案。
(2)LVT 的结构
LVT 结构由弹性支承块、道床板和混凝土底座及配套扣件构成。弹性支承块由橡胶靴套包裹的钢筋混凝土支承块以及块下大橡胶垫板组成。橡胶靴套与块下大橡胶垫板与轨下垫板的弹性匹配目标是使得无碴轨道的总体刚度与传统有碴轨道的刚度相接近。支承块承轨部分设轨底坡。由于调整钢轨高度的需要,扣件为弹性分开式,支承块与铁垫板的联结通过预埋绝缘套管及螺栓实现;道床板由就地灌注的填充混凝土和槽形板组成的道床将弹性支承块嵌固在其中。每7～8 个支承间距作为一个板长单元。道床表面设人字坡,以利排水。在隧道内,混凝土道床可直接与隧底仰拱填充混凝土联结。而在高架结构上,考虑列车制动和温度力等作用,加设了混凝土底座。为此,需解决底座与桥面的联结以及底座与道床的联结等问题。为了提供混凝土道床的可修复性,在底座表层设置隔离层。在曲线地段,外轨超高的设置是在混凝土底座内完成。高架桥上的弹性支承块式轨道结构见图7 。
图7 高架桥上LVT 结构图
LVT 结构的垂向弹性由轨下和块下双层弹性橡胶垫板提供,最大程度地模拟了传统弹性点支承碎石道床的结构和受荷响应特性,并使得轨道纵向弹性点支承刚度趋于一致。通过双层弹性垫板刚度的合理选择,可使轨道的组合刚度接近有碴轨道的刚度。支承块外设橡胶靴套提供了轨道的纵、横向弹性变形,使这种轨道结构在承载能力和振动能量吸收诸方面更接近坚实均匀基础上的碎石道床轨道,以适应低振动、低噪音的要求。双层弹性垫板的轨道振动特性可使轨道的几何形位在长时间内保持稳定。
LVT 的结构简单,施工相对容易。其支承块为钢筋混凝土结构,可在工厂预制,现场只需将钢轨、扣件、靴套及垫板的支承块加以组装,经准确定位后,就地灌注道床混凝土即可成型。LVT 结构的缺点是中初期投资较大,且橡胶易老化,运营一定时间后必须更换。
4 浮置板式轨道结构
浮置板的原理是增大振动体的振动质量和弹性,利用其惯性力吸收冲击荷载,从而起到隔振作用。这种隔振系统在共振频率下的放大倍数很低, 所以减振降噪效果非常显著。浮置板轨道结构系统采用三层水平垫板(钢轨下橡胶垫板、铁垫板下橡胶垫板、板下橡胶垫板) 和一层侧向垫板。道岔处经验算横向刚度后也可采用上述措施。
(1) 国内外应用概况
最早采用浮置板式轨道结构的是联邦德国。德国先开发的是有道碴的浮置板轨道结构。在多特蒙德的一座轻轨铁路隧道内铺设了试验段。此后,在科隆地铁以及波鸿至穆尔海姆轻轨和迪塞尔多夫的轻轨上铺设了无碴浮置板式轨道。由于其良好的减振降噪性能,这种结构在华盛顿、亚特兰大、多伦多、布鲁塞尔等地均有铺设。我国第一次采用浮置板式轨道结构的城市轨道交通线路是广州地铁1 号线。
(2) 浮置板轨道结构特点
在所有减振降噪型轨道结构中,浮置板轨道结构具有最好的减振降噪效果。据联邦德国有关部门测试,有道碴下垫层和浮置板式的轨道结构其阻尼效应可减振达30 dB , 且在垂直荷载20 %～100 % 变化范围内其隔振的效果几乎保持不变。由于轨道结构四周基本上由绝缘的橡胶支座与混凝土底座隔离,可有效防止轨道迷流的发生。缺点是体积庞大,需大型机械施工,施工与维修不便;由于采用橡胶支座,造价较高。
浮置板式轨道结构包括两种基本类型: ① 连续现浇浮置板; ② 轨枕板式预制浮置板。连续现浇浮置板是在橡胶隔振垫上铺一块金属模板,然后将混凝土浇入金属模板,其施工和维修均不便。
板下橡胶支承方式分为整体支承、线性支承、分布式支承三种。浮置板的基本形式如图8 所示。整体支承在瑞士、法国、西班牙、意大利、德国、法国等国地铁中采用,其优点是构造简单、施工速度快、支承面积大、道床受力均匀、成本较低,缺点是维修不方便。浮置板的纵向连续支承主要在德国地铁中应用,其优点是较整体支承节省材料,轨道结构的固有频率较低。分布式支承曾在德国、美国、加拿大、新加坡等国的地铁中采用。这种支承方式如果设计合理,轨道结构的固有频率低,减振效果好, 维修方便;但在国外应用时曾发现轨道纵向和横向抵抗力差,为了限制变形,必须使剪切模量、弹性模量、垫板厚度、垫板大小等匹配。采取凹槽对橡胶垫板进行定位,能有效地提高板的稳定性。华盛顿、亚特兰大、多伦多等地铁浮置板系统的实测隔振效果表明,浮置板系统在设计的结构固有频率以上的隔振效果是明显的。其中亚特兰大地铁在16 Hz 以上的减振效果最好。这是因为结构的固有频率最低。根据德国实测资料,其减振效果明显。
图8 浮置板式轨道结构示意图
浮置板式与弹性支承块式整体轨道相比,施工和维修都较为困难。但仔细研究国外地铁轨道结构资料后发现,采取改进板的结构型式和尺寸,对现有板下橡胶支承方式进行改进,可使施工和维修简化,在维修过程中完全可能采用简单机具更换橡胶垫板。
(3) 螺旋弹簧浮置板轨道
德国GERB 公司研制了螺旋弹簧的浮置板轨道,如图9 所示。采用螺旋弹簧支承的浮置板道床,其固有频率很低,只有4～8 Hz , 因此该轨道结构的减振效果要比橡胶垫浮置板轨道好。螺旋弹簧几乎没有阻尼作用,但浮置板较重(每延米5 t 以上),列车通过时引起的浮置板的振动加速度较小。因此,浮置板支承阻尼作用对路基的影响较小。如要利用阻尼减小浮置板的振动,可安装与螺旋弹簧并联的粘滞阻尼器,则浮置板的减振效果更好。采用螺旋弹簧的浮置板道床具有以下特点: ① 浮置板与隧道底板间只需极小的空隙(约10 mm) ; ② 浮置板的钢筋混凝土可以现场浇注; ③ 借助简易工具便可抬起浮置板或调整浮置板高度; ④ 从浮置板表面可随时更换弹簧; ⑤ 从浮置板表面可随时检修或校正线路不平顺; ⑥ 通过调整高速螺旋弹簧高度,可消除线路沉降引起的不平顺; ⑦ 通过对弹簧表面特殊处理及弹簧强度储备,弹簧的使用寿命可很长;
⑧ 没有橡胶老化问题; ⑨ 浮置板可做得很长(40 m , 甚至60 m) ,减少联接,降低成本。
图9 螺旋弹簧浮置板轨道结构
(4) 浮置板有碴轨道结构
德国在研制低振动轨道结构时,也开发研制了浮置板有碴轨道结构(图10) 。由于采用了道碴, 所以具有一定的降噪效果; 由于采用了浮置板,所以具有较好的吸振性能。此类轨道有30 cm 厚的道碴,所以轨道结构的重量相对较大。
图10 浮置板有碴轨道结构
浮置板轨道结构作为减振降噪轨道结构在国外已有近40 年的历史,在设计、施工、养护和维修等方面已积累了丰富的经验。实践证明这种轨道结构的减振降噪效果十分明显。上海是一个人口密集型的大城市,有许多特殊地区对振动、噪声的防护要求非常高,采用浮置板式轨道结构无疑是一个极好的选择。
5 其它减振降噪方式
(1) Edilon 钢轨埋置式板式轨道结构[ 4 ]
荷兰Edilon 公司研制了一种以纵向连续支承取代传统的分散点支承、增加了轨底支承系统应力水平的埋置式轨道结构。从1976 年开始,荷兰就铺设了埋置式轨道结构( Embedded Rail Structure , 简为ERS) ( 图11) 。实践证明,由于这种轨道结构在钢轨周围使用了一种称为Edilon Corkelast 的材料, 取得了较好的隔声和隔振效果。该类型的轨道结构使用20 年来,养护维修工作量相当少。近几年, 在荷兰阿姆斯特丹至比利时边境修建了3 km 试验段,效果良好。
图11 埋入式轨道结构
(2)D 型可更换式弹性直结轨道
这种轨道结构大量应用于日本的高速铁路和地铁系统,使用历史已有20 多年。其特点是:可以不破坏周边混凝土而方便地进行轨枕下胶垫的更换及高低调整,并且可以根据用途来选择各胶垫的弹性。其轨枕下胶垫作为地层振动对策和噪声对策所采用的刚度是不同的,减振箱内各侧面的刚度要比枕下胶垫刚度大得多。D 型弹性直结轨道的振动水平可比普通板式轨道低13～16 dB 。根据振动的1/ 3 倍频程的频谱分析图可知: 在500 Hz 以上时可望有30 dB 左右的减振效果,有利于降低向外传递的振动和噪声,缓解对轨道结构和桥梁结构的损害。
(3) 减振降噪型钢轨
当列车车轮滚过钢轨顶面时,由于钢轨腹板的厚度较薄,轨腰产生振动,这一振动向空气幅射而产生噪声。为了最大限度地减小钢轨腹板振动引起的噪声,在钢轨腹部粘贴了减振橡胶,如图12 所示。一般是在钢轨腹部粘上橡胶后再粘上一钢板, 以增加振动质量,起到衰减作用。要求使用高阻尼橡胶增大振动衰减作用,达到降噪目的。这一装置的关键之一是橡胶与钢轨、橡胶与铁板之间要有较好的粘结性。如果粘结界面脱开,则减振效果大大下降。
为了降低列车通过时轨道结构引起的噪声,荷兰在开发研究板式轨道时, 研制了轨头形状与UIC54 相似的SA42 型矮轨,并采用ERS 轨道结构技术,将钢轨用Edilon Corkelast 材料埋起来,轨下基础也采用板式轨道。由于这种钢轨矮胖,车辆通过时引起钢轨腹板的振动频率较低,提高了轨道结构的减振降噪效果。据国外资料表明,这种轨道结构的降噪效果为5 dB(图13) 。
图12 减振降噪型钢轨
6 建议
城市轨道交通的建设是百年大计,对轨道交通工程每一部分的选择都应慎之又慎。一方面要节约投资,另一方面要考虑环境等因素又不得不增加投资。不能只考虑节约投资而忽略环境、运行等问题。一旦轨道交通建成,要对其整改,所花的费用可能是一次性投资的几倍。据此,这里提出一些对降噪型轨道结构设计的建议:根据国家的振动噪声标准,核准各类标准的地区,如将全线分为2 种标准的地区,有特殊减振要求的区域,如心脏病医院、文教类区设为0 类地区; 其它地段为一般减振要求,设为1 类地区。然后根据其减振降噪要求,选用不同的降噪型轨道结构:
图13 ERC 型轨道采用的减振降噪型钢轨
(1)0 类地区,采用D 型可更换式弹性轨枕直接联结轨道或浮置板轨道;
(2)1 类地区,采用弹性支承块式整体道床轨道;
(3) 对于其它地区, 虽然对减振、降噪要求较低,但考虑到车辆运行的动力平稳性、减小轮轨之间的冲击荷载、延长轨道结构的使用寿命等要求, 建议采用弹性扣件。
就我国目前的应用情况,减振降噪型轨道结构真正应用于具体的高架桥上,还需进行以下几方面的工作: ① 根据轨道交通的运营条件,建立动态轨道力学模型进行理论计算分析,确定各连接的最佳弹簧刚度、阻尼的匹配; 根据轮轨相互作用力和枕上压力,分析结构减振降噪的特性。② 对减振部件的性能进行优化设计,以获得最佳减振降噪效果, 延长使用寿命,降低成本。③ 对混凝土基础道床形式尺寸、配筋进行优化设计,以保证结构的强度、使用寿命、少维修和可维修性,并达到最佳的经济性。④ 进行实尺轨道模型试验,研究轨道结构的振动、噪声和力学传递等性能。⑤ 进行混凝土基础道床与桥面连接的设计研究,以适应荷载、桥梁的变形及无缝线路的要求。⑥ 确定扣件系统的调高量,以适应施工、运营及桥梁徐变上拱的调整,确定扣件
参 考 文 献
1 日本国际协力事业团短期专家组. 高速铁路的减振降噪技术讲议. 北京,1999. 1～11
2 Dittrich M G , Janssens M H A. Measurement procedures for determining railway noise emission as input to calculation schemes. TNO ,
TPD , The Netherlands , Sep . 2000
3 焦金红,张苏,耿传智等. 轨道结构的减振降噪措施. 城市轨道交通研究,2002 , (1) :61
4 Coenraad Esveld. INNOVATIONS IN RAILWAY TRACK, TU Delft. P. O. Box 5048 , NL -2600 GA Delft The Netherlands , Email : esveld @ct . tudelft. nl
