地鐵環(huán)境影響評(píng)價(jià)中軌道隔振措施應(yīng)用效果研究

謝詠梅，辜小安，劉揚(yáng)

1.環(huán)境保護(hù)部環(huán)境工程評(píng)估中心，北京 100012

2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，北京 100081

3.北京市地鐵運(yùn)營(yíng)公司，北京 100044

自1969年北京地鐵1號(hào)線建成開通以來，截至2010年底，我國(guó)已有13個(gè)城市開通了49條城市軌道交通線路(未含港澳臺(tái))，運(yùn)營(yíng)里程達(dá)1425 km，城市軌道交通呈快速發(fā)展態(tài)勢(shì)。2010年內(nèi)全國(guó)有29個(gè)城市96條線路(含續(xù)建段)正在建設(shè)，總里程超過2200 km，目前內(nèi)地共有47個(gè)城市正在建設(shè)或規(guī)劃新的城市軌道線路，總規(guī)劃里程超過10000 km。

在城市軌道交通快速發(fā)展的同時(shí)，也給城市環(huán)境帶來了一定影響。對(duì)于地下線路，當(dāng)列車運(yùn)行時(shí)將在一定距離范圍內(nèi)產(chǎn)生不同程度的振動(dòng)干擾，目前常采用軌道隔振措施降低環(huán)境振動(dòng)影響。其軌道隔振措施可大致分為扣件、軌枕和道床等三類:1)扣件類隔振措施包括GJ-Ⅲ扣件、Lord(洛德)扣件、科隆蛋(軌道隔振器)、Vanguard(先鋒)扣件等;2)軌枕類隔振措施包括彈性支承塊(彈性短軌枕)、梯形軌枕、彈性長(zhǎng)軌枕等;3)道床類隔振措施包括橡膠浮置板、鋼彈簧浮置板。

由于對(duì)城市軌道交通軌道隔振實(shí)測(cè)效果的分析不夠充分和系統(tǒng)，目前在城市軌道交通環(huán)境影響評(píng)價(jià)及軌道隔振設(shè)計(jì)中，主要依據(jù)廠家提供的隔振性能，但是大多數(shù)廠家標(biāo)稱的隔振性能并未詳細(xì)說明其分析頻率范圍和測(cè)試方法。筆者利用北京、上海和廣州地鐵運(yùn)營(yíng)線路的測(cè)試數(shù)據(jù)，分析各種軌道隔振措施在不同頻率下的隔振效果，提出了城市軌道交通環(huán)境影響評(píng)價(jià)中各種軌道隔振措施的應(yīng)用效果等級(jí)劃分和采用措施的建議。

1 軌道隔振措施的應(yīng)用效果

軌道結(jié)構(gòu)主要由鋼軌、扣件及軌下基礎(chǔ)組成。輪軌之間的振動(dòng)與軌道結(jié)構(gòu)各部件的質(zhì)量、剛度以及阻尼密切相關(guān)，不同形式軌道結(jié)構(gòu)其振動(dòng)也不同。理論與實(shí)際應(yīng)用效果表明，每一種軌道隔振措施在不同頻率范圍、不同測(cè)試位置會(huì)有不同的隔振效果。目前關(guān)于軌道結(jié)構(gòu)隔振效果的評(píng)價(jià)，尚無對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。對(duì)于環(huán)境影響評(píng)價(jià)中要求的隔振效果，依據(jù)GB 10070—88《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》，GB 10071—88《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)測(cè)量方法》和 HJ 435—2008《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則城市軌道交通》規(guī)定，應(yīng)采用1～80 Hz的鉛垂向Z計(jì)權(quán)振級(jí)插入損失值作為隔振效果評(píng)價(jià)量。

但目前廠家或測(cè)量單位給出的各種隔振措施的隔振效果，一般對(duì)應(yīng)于1～1000 Hz或更高頻率范圍內(nèi)的不計(jì)權(quán)振動(dòng)加速度級(jí)。如某鋼彈簧浮置板標(biāo)稱的隔振效果為18～35 dB，其對(duì)應(yīng)頻率范圍為10～2000 Hz(不計(jì)權(quán))，但對(duì)于環(huán)境振動(dòng)關(guān)注的1～80 Hz(Z計(jì)權(quán))的隔振效果，在隧道壁處僅有16～19 dB，而對(duì)于水平距離30 m范圍內(nèi)的地面環(huán)境振動(dòng)，僅有8～12 dB?？梢姀S家標(biāo)稱的隔振效果與環(huán)境影響評(píng)價(jià)中關(guān)注的隔振效果差別較大。表1為各種軌道隔振措施廠家標(biāo)稱的隔振效果，因未注明適用的測(cè)量方法、評(píng)價(jià)量、頻率范圍、測(cè)點(diǎn)位置等與隔振效果直接相關(guān)的邊界條件，導(dǎo)致引用時(shí)存在諸多問題。一般情況下，廠家標(biāo)稱的隔振效果均優(yōu)于實(shí)際應(yīng)用效果。

表1 各種軌道隔振措施廠家標(biāo)稱的隔振效果Table 1 A variety of track vibration isolation effect of the manufacturers of nominal

針對(duì)國(guó)內(nèi)城市軌道交通主要采用的軌道減振器、Vanguard(先鋒)扣件、Lord(洛德)扣件、彈性支承塊、梯形軌枕、橡膠浮置板、鋼彈簧浮置板等措施，根據(jù)國(guó)內(nèi)已通車運(yùn)營(yíng)的北京地鐵4號(hào)、5號(hào)線，上海軌道交通9號(hào)線，廣州地鐵1號(hào)～4號(hào)線測(cè)試數(shù)據(jù)和相應(yīng)線路的環(huán)境保護(hù)驗(yàn)收結(jié)果，分析目前環(huán)境影響評(píng)價(jià)中對(duì)各種軌道隔振措施應(yīng)用的合理性。表2為各種隔振措施在水平距離0～30 m范圍的地面環(huán)境振動(dòng)實(shí)際隔振效果。其隔振效果均指各種軌道隔振措施相對(duì)于普通整體道床的插入損失值。插入損失(L1)的定義:式中，a2R為沒有隔振措施時(shí)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度有效值;a2為有隔振措施時(shí)對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度有效值。

對(duì)式(1)進(jìn)行變換，引入基準(zhǔn)加速度(a0)=10-6m/s2，得到:

表明插入損失值即為有隔振措施與無隔振措施對(duì)比之下的振級(jí)之差。

由表2可見，軌道減振器、Lord(洛德)扣件、Vanguard(先鋒)扣件可降低環(huán)境振動(dòng)Z振級(jí)2～6 dB;梯形軌枕、彈性支承塊可降低Z振級(jí)4～6 dB;橡膠浮置板可降低Z振級(jí)8 dB左右;鋼彈簧浮置板可降低Z振級(jí)7～14 dB。上述測(cè)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果與環(huán)境影響評(píng)價(jià)提出的軌道隔振措施隔振效果有差異，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)按照地面Z振級(jí)隔振效果確定。

表2 各種軌道隔振措施地面Z振級(jí)隔振效果(水平距離0～30 m范圍內(nèi))Table 2 The variety of track vibration isolation effect of the ground Z(horizontal distance of 0～30 m range)

表3給出了各種軌道隔振措施在隧道壁處對(duì)應(yīng)于1～80 Hz(Z計(jì)權(quán))、1～200 Hz(不計(jì)權(quán))、1～1000 Hz(不計(jì)權(quán))范圍內(nèi)的隔振效果實(shí)際測(cè)量值。由表3可見，軌道隔振器可降低隧道壁處，對(duì)應(yīng)于1～80 Hz(Z計(jì)權(quán))為3～4 dB，1～200 Hz(不計(jì)權(quán))為9 dB，1～1000 Hz(不計(jì)權(quán))為10 dB;梯形軌枕可降低隧道壁處，對(duì)應(yīng)于1～80 Hz(Z計(jì)權(quán))為4～8 dB，1～200 Hz(不計(jì)權(quán))為10 dB，1～1000 Hz(不計(jì)權(quán))為15 dB;彈性支承塊可降低隧道壁處，對(duì)應(yīng)于1～80 Hz(Z計(jì)權(quán))為5～8 dB，1～200 Hz(不計(jì)權(quán))為10 dB，1～1000 Hz(不計(jì)權(quán))為 14 dB;橡膠浮置板可降低隧道壁處，對(duì)應(yīng)于1～200 Hz(不計(jì)權(quán))為7～10 dB;鋼彈簧浮置板可降低隧道壁處，對(duì)應(yīng)于1～80 Hz(Z計(jì)權(quán))為16～19 dB，對(duì)應(yīng)于1～200 Hz(不計(jì)權(quán))為18～24 dB，1～1000 Hz(不計(jì)權(quán))為20～28 dB。可以看出，無論何種軌道隔振措施，高頻隔振效果均優(yōu)于低頻隔振效果。

表3 各種隔振措施隧道壁處不同頻段的隔振效果Table 3 The tunnel wall vibration in different frequency bands of the vibration isolation effect of dB

2 軌道隔振措施頻率特性

城市軌道交通地下線振動(dòng)頻率因受軌道結(jié)構(gòu)形式、列車類型、運(yùn)行速度、隧道結(jié)構(gòu)、地質(zhì)條件、建筑物結(jié)構(gòu)等因素影響，將會(huì)有不同的振動(dòng)頻率特性。圖1和圖2分別給出了彈性支承塊和鋼彈簧浮置板兩類典型隔振軌道在隧道壁處不同頻率下的隔振效果。

北京地鐵4號(hào)線采用的彈性支承塊(扣件型式為彈條Ⅱ型)在圓形隧道壁處的隔振效果，峰值頻率出現(xiàn)在63 Hz左右;與普通整體道床(扣件型式為DT-Ⅵ)相比，對(duì)高于40 Hz的振動(dòng)具有較大的衰減(圖1)。

北京地鐵4號(hào)線采用的鋼彈簧浮置板(扣件型式為彈條Ⅱ型)在圓形隧道壁處的隔振效果峰值出現(xiàn)在40 Hz;與普通整體道床(扣件型式為DT-Ⅵ)相比，對(duì)高于12.5 Hz的振動(dòng)具有較大的衰減(圖2)，該頻率對(duì)應(yīng)的振動(dòng)可引起列車運(yùn)行產(chǎn)生的二次輻射噪聲影響，鋼彈簧浮置板對(duì)控制列車運(yùn)行產(chǎn)生的二次輻射噪聲影響更為有效。

3 結(jié)論與建議

3.1 軌道隔振措施隔振效果

根據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，目前國(guó)內(nèi)城市軌道交通采用的軌道隔振措施對(duì)地面環(huán)境振動(dòng)的隔振效果由大到小依次為:鋼彈簧浮置板，橡膠浮置板，梯形軌枕和彈性支承塊，科隆蛋(軌道減振器)、Lord(洛德)扣件和Vanguard(先鋒)扣件。其中科隆蛋(軌道減振器)、Lord(洛德)扣件、Vanguard(先鋒)扣件可降低地面Z振級(jí)2～6 dB;梯形軌枕、彈性支承塊可降低地面Z振級(jí)4～6 dB;橡膠浮置板可降低地面Z振級(jí)8 dB;鋼彈簧浮置板可降低地面Z振級(jí)7～14 dB。無論何種軌道隔振措施，均為高頻隔振效果優(yōu)于低頻隔振效果。

為方便選擇，對(duì)不同軌道隔振措施歸類如下:一般隔振措施為DT-Ⅵ型扣件、GJ-Ⅲ型扣件、Lord(洛德)扣件、科隆蛋(軌道減振器)、Vanguard(先鋒)扣件等;中等隔振措施為梯形軌枕、彈性支承塊等;較高等級(jí)隔振措施為橡膠浮置板等;特殊隔振措施為鋼彈簧浮置板等。

3.2 軌道隔振措施應(yīng)用效果等級(jí)劃分建議

建議環(huán)境影響評(píng)價(jià)中在考慮軌道隔振措施應(yīng)用效果時(shí)，可參照如下原則選擇:1)對(duì)于環(huán)境振動(dòng)預(yù)測(cè)超標(biāo)量(VLz)≤3 dB的路段，采取一般隔振措施，如DT-Ⅵ型扣件、GJ-Ⅲ型扣件、Lord(洛德)扣件、科隆蛋(軌道減振器)、Vanguard(先鋒)扣件等。2)對(duì)于VLz為3～≤6 dB的路段，采取中等隔振措施，如梯形軌枕、彈性支承塊等。3)對(duì)于VLz為6～8 dB的路段，采取較高隔振措施，如橡膠浮置板等。4)對(duì)于VLz≥8dB的路段，采取特殊隔振措施，如鋼彈簧浮置板等。

除以上措施外也可采用經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證具有同等環(huán)境振動(dòng)隔振效果的隔振措施。

3.3 主要軌道隔振措施隔振頻率特性分析

采用彈性支承塊，隧道壁處的振動(dòng)加速度在63 Hz處出現(xiàn)峰值，對(duì)高于40 Hz的振動(dòng)具有較大的衰減。采用鋼彈簧浮置板，隧道壁處的振動(dòng)加速度在40 Hz處出現(xiàn)峰值，對(duì)高于12.5 Hz的振動(dòng)具有較大的衰減，對(duì)控制列車運(yùn)行產(chǎn)生的二次輻射噪聲影響更為有效。

隧道壁處對(duì)應(yīng)于不同上限截止頻率，振動(dòng)水平不同，隔振效果也不同，截止頻率越高，振動(dòng)水平越高，隔振效果越好。隧道壁處對(duì)應(yīng)于1～1000 Hz(不計(jì)權(quán))與1～80 Hz(Z計(jì)權(quán))的隔振效果可相差6～11 dB;因此環(huán)境影響評(píng)價(jià)中隔振措施的效果評(píng)價(jià)，應(yīng)注意是1～80 Hz頻率范圍并Z計(jì)權(quán)。

4 展望

(1)軌道隔振措施應(yīng)用時(shí)，還應(yīng)綜合考慮軌道隔振措施工程的可施工性、可維護(hù)性、可更換性、使用壽命及鋼軌異常波磨影響等諸多綜合要素，因此關(guān)于城市軌道交通隔振措施應(yīng)用效果的綜合評(píng)價(jià)，還有待進(jìn)一步列專題開展相應(yīng)內(nèi)容的深入研究。

(2)根據(jù)北京地鐵4號(hào)線測(cè)試結(jié)果，對(duì)于地下線路當(dāng)列車運(yùn)行通過時(shí)，在隧道壁處引起的1～80 Hz范圍內(nèi)的Z振級(jí)，VLz10值低于VLzmax值2～4 dB;但對(duì)于地面建筑物內(nèi)，兩個(gè)評(píng)價(jià)量對(duì)應(yīng)的振動(dòng)值差別不大，該結(jié)果也在北京地鐵5號(hào)線、廣州地鐵3號(hào)線得到驗(yàn)證，該結(jié)論在環(huán)境影響評(píng)價(jià)中應(yīng)予以重視。

［1］交通部公路科學(xué)研究所.北京地鐵5號(hào)線竣工環(huán)境保護(hù)驗(yàn)收調(diào)查報(bào)告［R］.北京:環(huán)境保護(hù)部環(huán)境工程評(píng)估中心，2008.

［2］上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所.上海軌道交通9號(hào)線工程竣工環(huán)境保護(hù)驗(yàn)收調(diào)查報(bào)告［R］.北京:環(huán)境保護(hù)部環(huán)境工程評(píng)估中心，2010.

［3］中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站.廣州地鐵1號(hào)線工程竣工環(huán)境保護(hù)驗(yàn)收調(diào)查報(bào)告［R］.北京:環(huán)境保護(hù)部環(huán)境工程評(píng)估中心，2000.

［4］中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站.廣州地鐵2號(hào)線首期工程竣工環(huán)境保護(hù)驗(yàn)收調(diào)查報(bào)告［R］.北京:環(huán)境保護(hù)部環(huán)境工程評(píng)估中心，2004.

［5］環(huán)境保護(hù)部環(huán)境工程評(píng)估中心.廣州地鐵3號(hào)線工程竣工環(huán)境保護(hù)驗(yàn)收調(diào)查［R］.北京:環(huán)境保護(hù)部環(huán)境工程評(píng)估中心，2008.

［6］北京鐵科工程檢測(cè)中心.北京地鐵4號(hào)線軌道減振措施性能測(cè)試評(píng)估報(bào)告［R］.北京:北京軌道交通建設(shè)管理有限公司，2010.

［7］北京鐵科工程檢測(cè)中心.北京地鐵5號(hào)線軌道減振措施減振性能測(cè)試評(píng)估報(bào)告［R］.北京:北京軌道交通建設(shè)管理有限公司，2008.

［8］北京交通大學(xué)，北京地鐵設(shè)計(jì)研究所.北京地鐵5號(hào)線軌道減振措施減振性能測(cè)試評(píng)估報(bào)告［R］.北京:北京軌道交通建設(shè)管理有限公司，2009.

［9］鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所.廣州地鐵1號(hào)線軌道動(dòng)態(tài)測(cè)試及減振性能評(píng)估報(bào)告［R］.廣州:廣州市地下鐵道公司，2007.

［10］中船重工集團(tuán)七二五研究所.廣州地鐵1號(hào)線GJ-Ⅲ減振扣件減振性能評(píng)估報(bào)告［R］.廣州:廣州市地下鐵道公司，2010.

［11］鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所.廣州地鐵3號(hào)線軌道動(dòng)態(tài)測(cè)試及減振性能評(píng)估報(bào)告［R］.廣州:廣州市地下鐵道公司，2007.

［12］鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所.廣州地鐵4號(hào)線軌道動(dòng)態(tài)測(cè)試及減振性能評(píng)估報(bào)告［R］.廣州:廣州市地下鐵道公司，2007.

［13］徐建.隔振設(shè)計(jì)規(guī)范理解與應(yīng)用［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009.

［14］孫家麒.城市軌道交通振動(dòng)和噪聲控制簡(jiǎn)明手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2002.?