鋼彈簧浮置板隔振道床在北京城鐵敏感路段的應用
摘 要：城市軌道交通的減振降噪問題已經提上議事日程,受到各方面的關注。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) 技術在北京城鐵敏感地段的實際應用及其減振效果。
關鍵詞：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,線路從兩居民塔樓中間地下穿過, 隧道外邊緣距塔樓基礎只有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,居民樓內的環境振動將會嚴重超標,給居民生活造成不良影響。根據市領導“以人為本”的指示精神,城鐵公司和北京市城建設計研究院為保護環境, 確保居民塔樓內環境振動達到國家標準,經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。
2 道床隔振基本原理
傳統的城市軌道交通結構對附近地面建筑物產生較大的振動和噪聲影響(圖1) 。振動和噪聲主要由于軌道的不平順和輪軌間相對運動而產生,其中噪聲通過空氣介質傳播到建筑物中(一次噪聲),而振動則通過在本道岔研究設計時,力求減少今后的養護維修量和提高安全性能,采用了一些諸如精密鑄造鐵座、鐵墊板螺栓防轉孔等結構,給道岔的制造增加了一定的難度。經過工廠的制造工藝攻關,順利地實現了設計意圖。為確保道岔運至城鐵工地后的順利鋪設,分別在工廠對第一組單開道岔和交叉渡線進行了試組裝。組裝工序進行順利,這也是對道岔的研究設計和制造的一次有效的驗證。
2001年7月31日和9 月26 日,業主組織設計監理、施工監理、施工等單位,分別對單開道岔和交叉渡線進行了廠內試鋪驗收。過軌道結構—道床—隧道壁(或橋墩) —地基傳到建筑物上,再通過建筑物結構本身的耦合放大(通常是放大) 而激發出樓板的低頻振動,振動源中沒有衰減掉的高頻成分(20～500 Hz) 則通過墻壁和地板、天花板發出結構聲(二次噪聲) 。這種振動和噪聲都會對人造成不良影響。
城市軌道交通的減振降噪問題是從20 世紀60 年代才開始引起人們重視的。各國地鐵根據自身的特點研究出了不同的減振降噪方法。針對噪聲(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。針對振動和固體聲的措施都基于隔振原理,即在軌道—軌枕—道床—結構—地基—建筑物這一振動傳播鏈中間某一環節加入彈性和阻尼介質,降低系統固有頻率,從而對固有頻率114 倍以上的頻率實現隔離和吸收(高頻濾波),振動沒有了,結構噪聲也就不會產生。按照各種措施介入的不同環節,分為軌下隔振、枕下隔振、道床下隔振3 個層次(圖2) 。
根據隔振原理和結構動力學,隔振系統的參振質量越大,彈性越高,隔振效果越好。從軌道結構來看, 隔振節點離鋼軌越遠,彈性可以越大,參振質量可以越大,固有頻率和隔振頻率范圍可以越低,隔振效果越好。然而剛度和質量在不同的節點都有一定的客觀制約范圍,不能隨意擴大或減小。如在軌下,任意增大墊板彈性會造成鋼軌變形和位移過大,影響行車安全。
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| 圖1 城市軌道交通噪聲振動的產生和傳播 |
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| 圖2 軌下、枕下、道床下隔振措施 |
3 各種道床隔振技術及其性能比較
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化和改進之中。科隆蛋是常見的較好隔振措施之一, 最早應用在科隆地鐵,在我國上海地鐵等地也有應用, 一般可以取得隔振5～8 dB 的效果。它是將橢圓錐形內圈(與鋼軌相聯) 和外圈(與道床相聯) 用橡膠膠結在一起,利用橡膠的剪切變形取得較高的彈性。其缺點是橫向剛度較低,不適于曲線段,如橡膠工藝不嚴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) 經濟實用,可以達到隔振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面磨損后, 橫向剛度會降低。
3.3 整體彈性道碴墊
對于隔振要求大于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(發泡、開槽膠墊,或再生橡膠) 和發泡聚氨酯彈性墊。發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10～16 dB , 對地面線碎石道床隔振是一種性能、價格比很好的技術。
3.4 浮置板道床
如果將整體道床與基礎結構分離,做成具有足夠剛度和質量的道床板,再浮置于彈性元件上,即構成浮置板道床。浮置板可以提供足夠的慣性質量來抵消車輛產生的動荷載,只有靜荷載和少量殘余動荷載會通過彈性元件傳到基礎結構上。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一步推廣: ① 橡膠易老化,不易檢修; ② 列車運行中隔振地段車內振動噪聲明顯加劇,鋼軌內側磨損加劇,據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 , 對于軟土地基及對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,有內置式、側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、醫院、市政廳、會議中心、博物館、中高檔住宅和酒店等) 。該技術已成功地應用于國內外20 多個不同場合。德國柏林地鐵、科隆地鐵、法蘭克福—曼茵茨國際機場樓頂快速客運系統、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技術。首批使用場合已成功運營達10 年之久,至今情況良好。表1 對幾種常見的隔振措施的特性進行對比。
4 隔振效果
由于鋼彈簧浮置板的固有頻率很低,所以隔振效率很高。據國外文獻報道,科隆地鐵通車后,實測浮置板到隧道壁的振動傳遞損失,在215～400 Hz 的1Π3 倍頻程內平均高達45 dB(圖4) 。我國鐵道科學研究院對深圳地鐵足尺模型落錘試驗測試結果顯示,鋼彈簧浮置板的峰值振動傳遞損失達30 dB 。
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| 圖4 科隆地鐵浮置板及隧道壁垂向振動速度(dB) 比較 |
表1 幾種常見的隔振方案比較
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北京城市鐵路共在3 個地段采用了鋼彈簧隔振技術,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。業主已委托鐵道科學研究院對西線各種隔振措施進行全面測試,結果正在處理中,待東直門居民樓路段通車測試后一并發表。
根據現場宏觀感覺,關窗后在指揮中心內感覺不到車進車出;根據非正式測試結果,站臺層下的監控室內車進車出時垂向Z 振級和等效聲級分別為60 dB 和45 dBA , 已滿足了國標GB100070 —1998 和國標GB3096 —1993 對城區夜間居民區室內的振動的控制標準(67 dB 和45 dBA) 。
5 鋼彈簧浮置板的應用前景
目前國內各大城市正大力發展城市軌道交通,但由于國內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,建筑物內的環境振動將可能超標,不但影響人們的工作和休息,還會造成附近房地產貶值。鋼彈簧浮置板隔振效果徹底, 技術優勢明顯,為城市軌道交通的振動噪聲環境控制提供了有效的技術手段,在特殊隔振地段具有廣闊的應用前景。
正因如此,螺旋彈簧浮置板技術近期在國內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計了螺旋彈簧浮置板,我國臺灣臺北、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發展戰略的重要組成部分,是一門系統學科,希望各方面專家和有關主管部門在城市規劃和設計研究中能給予足夠的關注。
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