時速160 km市域快線軌道減振設計研究

李 平

（廣州地鐵設計研究院股份有限公司 廣東廣州 510000）

1 引言

隨著城市的發展，人們對城軌交通運營中所產生的環境振動影響越來越關注［1］，而國內外尚無設計時速達到160 km的市域快線，因此，有必要針對市域快線進行軌道減振設計研究。

廣州市軌道交通十八及二十二號線工程串聯了廣州南沙新區、南沙自貿區、琶洲片區、珠江新城、廣州東站、廣州南站等區域，設計速度160 km／h，全地下敷設。軌道主要技術標準如表1所示。

表1 軌道主要技術標準

2 環境振動評價標準

2.1 評價范圍

根據《環境影響評價技術導則—城市軌道交通》（HJ-453-2008）［2］，運營期環境振動評價內容包括列車運行振動對評價范圍內振動環境保護目標的振動影響評價，環境振動影響評價范圍為外軌中心線兩側60 m以內區域，二次結構噪聲評價范圍為隧道垂直上方至外軌中心線兩側10 m。必要時，可根據工程及環境實際情況適當擴大。

2.2 評價指標

美國、日本、德國、英國以及國際標準化組織ISO都針對各類振源引起的環境振動提出了相關規范和標準［3］。為了控制城市環境振動污染，我國制定了《城市區域環境振動標準》（GB 10070-88）［4］及《城市區域環境振動測量方法》（GB／T 10071-88）［5］，并將垂向Z振級列為城市各類區域的評價指標。文獻［4-5］定義了4種振級，包含振動加速度級VAL、振動級VL、Z振級VLz、累積百分Z振級VLzn。為更方便國內從業者計算Z振級，我國頒布了《機械振動與沖擊人體暴露于全身振動的評價第1部分：一般要求》（GB／T 13441.1-2007）［6］，給出了5種計權因子（見表2），表中x軸為水平縱向，y軸為水平橫向，z軸為垂向。其中Z振級即是按該要求規定的全身振動Z計權因子W修正后得到的振動加速度級。從表2可知，評價城軌交通對環境振動影響時，Z計權因子應取Wk值。

表2_計權因子

2.3 環境振動控制標準

由于環境振動控制標準屬于人體舒適度標準，故對于城軌交通引起的地面振動，不論設計時速的大小，均可執行GB 10070-88，如表3所示。

表3_環境影響評價標準

3 振動預測

3.1 源強的選取

振動源強的選取直接影響著環境振動預測結果的大小，而目前尚未有時速160 km的市域快線，由于該工程車輛、軌道均執行城際鐵路無砟軌道標準，項目組針對武廣客運專線金沙洲隧道段2個斷面進行了振動實測。斷面1距隧道出口300 m、軌面埋深15 m，地質情況主要是淤泥質粉質黏土、粉砂；斷面2在隧道中部、軌面埋深35 m，地質情況為炭質灰巖、粉砂、淤泥質粉質黏土。兩個斷面位于直線段，軌道結構采用CRTSⅠ型雙塊式軌道。測試結果與文獻［7］進行對比如表4所示。

表4_振動源強測試結果對比

根據文獻［8］方法，將此次實測數據速度修正至120 km／h，軸重修正至14 t，軌道結構修正至有砟軌道后，隧道壁VLzmax＝84.6 dB，與滬寧鐵路測試結果差值小于3 dB。滬寧鐵路實測數據應用廣泛，且是兩者中的較大值，故建議采用滬寧鐵路的實測數據作為環境振動預測的源強。

3.2 預測方法

列車振動產生和傳播是一個異常復雜的過程，它與列車的構造、性能和行車速度、軌道、隧道、沿線地質條件等許多因素有關，目前尚無精準預測方法，一般采用模式預測方法。目前軌道交通使用比較廣泛的方法包括文獻［2］和文獻［9］的兩種方法。通過對比可知，兩種方法所采用的公式基本一致，所考慮的修正因素主要為列車速度、軸重、軌道結構、軌道條件、隧道或地質類型、距離以及建筑物類型，主要區別在于兩者考慮線路敷設方式不一致而引起修正參數方面的差別。綜合文獻［2］和文獻［9］的對比，結合工程實際和環境特征，采用分析、類比、計算調查的方法進行預測，本次振動預測模式如式（1），式中各參數的取值參見文獻［8］。

式中，VLz為Z振動級（dB）；VLz0，i為列車振動源強，列車通過時段的參考點Z計權振動級（dB）；n為列車通過列數，n≮5；C為振動修正項（dB）。

C＝CV＋CW＋CL＋CR＋CH＋CG＋CD＋CB

式中，CV為列車運行速度修正量（dB）；CW為軸重修正量（dB）；CL為軌道結構修正量（dB）；CR為輪軌條件修正量（dB）；CH為隧道結構修正量（dB）；CG為地質修正量（dB）；CD為距離修正量（dB）；CB為建筑物修正量（dB）。

3.3 振動預測

該工程的線路埋深基本在20～40 m之間。根據上述預測方法，按照“交通干線兩側”、“混合區、商業中心區”夜間標準（72 dB）、“居民、文教區”晝間標準（70 dB）、“居民、文教區”夜間標準（67 dB），預測出速度在80～160 km／h、埋深20～40 m時的建筑物室外振動控制距離如表5所示。不同埋深隧道沿線垂直上方地面Z振級VLz預測結果如表6所示。

表5_地表振動控制距離_m

續表5

_表6_垂直上方地面Z振_級_dB

從表5可知，行車速度越高，軌道沿線地表振動控制距離影響越大。以埋深25 m、行車速度120、140、160 km／h為例，沿線地下線路區段外軌中心線23.4、31.1、38.2 m以外區域的環境振動方可滿足文獻［4］之“居民、文教區”夜間標準要求。從表6可知，為滿足“混合區、商業中心區”及“交通干線道路兩側”夜間72 dB標準，當埋深分別為35 m、40 m時，允許最高行車速度分別為120 km／h、140 km／h；當行車速度160 km／h時，即使埋深達到40 m，也將造成振動略有超標，需要采取減振措施。為滿足“居民、文教區”夜間67 dB標準，即使埋深達40 m，允許最高行車速度僅為80 km／h。

4 軌道減振措施比選及優化

4.1 無砟軌道減振措施綜述

與有砟軌道相比，無砟軌道雖然具有穩定性高、剛度均勻性好、耐久性強、維修工作量少等優點，但存在彈性較差、環境振動較高的不足。為解決這一問題，國內外進行了大量的研究工作，提出了不同解決方案，主要分為扣件減振、軌枕減振、道床減振等，如表7所示。

表7_軌道減振措施_

當城軌交通設計速度提高至160 km／h后，列車對軌道平順性提出了更高的要求，從而對軌道減振措施的剛度平順性、下沉量、橫向位移及扭曲等均提出了更高的要求。時速120 km以下城軌交通中常用的減振扣件、彈性短軌枕、梯形軌枕等，由于剛度過低，列車經過時下沉量加大，將引起鋼軌非正常波磨，養護維修量加大，使用壽命降低，也會影響旅客舒適性，另外整個系統的橫向剛度及穩定性需要進一步驗證［10］。國外經驗表明鋼軌動態下沉量決定了軌道養護維修成本和使用壽命。因此，市域快線軌道減振措施不能因減小振動傳遞比而一味降低軌道結構剛度，應選擇參振質量大、穩定性好的道床類減振措施。

4.2 軌道減振措施推薦方案

減振墊浮置板軌道因具有良好的安全性、穩定性和經濟性，在世界多個不同地質和氣候條件國家的軌道交通項目中得到廣泛應用。國內深圳、杭州、北京、西安、寧波等地鐵均鋪設了減振墊浮置板軌道。2010年以來，減振墊浮置板軌道先后應用于我國成灌、廣深港、寧天、滬昆、蘭新等城鐵和高鐵的高架線、地面線和地下線的減振地段。由于該工程為全地下線，為提高參考價值，對廣深港高鐵獅子洋隧道減振墊浮置板的減振特性進行詳細分析。

獅子洋隧道減振墊浮置板減振軌道，從上至下依次為鋼軌、彈性扣件、軌道板、CA砂漿、減振墊（27mm）以及鋼筋混凝土底座［11］。為獲得其減振效果，文獻［12］通過對實測底座及隧道回填層振動加速度時域波形進行分析識別，計算了Z振級，得到了該減振措施的減振效果如表8和表9所示。從中可以看出，隨著列車速度增加，底座及隧道回填層Z振級有逐漸增大趨勢，而減振墊的減振效果有逐漸減小的趨勢；分析底座Z振級（見表8）可知，獅子洋隧道無砟軌道減振斷面的減振效果最大值、最小值分別為10.0 dB、3.1 dB；分析隧道回填層Z振級（見表9）可知，其減振效果最大值、最小值分別為9.8 dB、4.5 dB。考慮到本工程設計時速為160 km，對比表8和表9，并預留一定的減振效果余量，確定減振墊浮置板在本工程的減振效果為6～10 dB。考慮減振墊浮置板已在時速大于160 km的城鐵和高鐵中得到成功應用，結合高速鐵路對軌道靜動態幾何形位的嚴格要求［13］，建議市域快線正線軌道減振措施采用隔離式減振墊浮置板。

_表8_底座Z振級 dB

_表9_隧道回填層Z振級 dB

4.3 重型鋼彈簧浮置板優化設計

通過對比表5、表6、表8和表9可知，當線路下穿埋深較淺的敏感目標且行車速度較高時，隔離式減振墊浮置板因其減振效果有限而難以勝任。因此，有必要研發一種減振效果更好的軌道減振產品用以應對該工程可能出現的環境振動嚴重超標的惡劣工況。

鋼彈簧浮置板由于參振質量大，固有頻率相對于扣件、軌枕減振措施顯著減小，具有良好的減隔振效果［14］，已普遍應用于地鐵項目中。

根據軌道結構減振原理［15］可知，增加“質量＋彈簧”系統的參振質量有利于降低減隔振系統的自振頻率，而從軌道交通的擾動頻率來看，多為高頻擾動，降低減隔振系統的自振頻率有利于提高減隔振系統的減隔振效果，而目前本工程的單洞單線盾構隧道內徑已達到7.7 m，具有重型鋼彈簧浮置板系統的實施條件。參考韓國首爾～釜山高鐵天安站的應用情況，提出增大參振質量的重型鋼彈簧浮置板方案，如圖1、圖2所示。

圖1 重型鋼彈簧浮置板平面圖

圖2 重型鋼彈簧浮置板剖面圖（單位：mm）

考慮列車高速運行對軌道的動態平順性、長大區間的設置對軌道養護便利性均提出了更高的要求，該方案采取了增設板端限位裝置、中間暗溝優化為兩側明溝等措施。不過，該方案的可行性及其他具體設計參數尚待深入研究，建議盡快開展該方面的科研工作。

5 結束語

（1）通過分析多本國家規范，明晰了市域快線引起環境振動評價范圍、評價指標以及控制標準。

（2）針對武廣客運專線金沙洲隧道進行了現場振動測試，通過對比分析，得到了適用于該工程的振動源強；根據環境振動評價標準和評價方法，結合工程實際情況和環境特征，獲得了該工程線路沿線建筑物建議振動控制距離，預測了不同埋深、不同速度條件下垂直上方地面的Z振級。

（3）概況分析了扣件、軌枕以及道床三大類軌道減振措施在市域快線中的適用性；通過分析隔離式減振墊浮置板的應用情況和減振效果，結合高速鐵路軌道靜動態幾何形位的控制標準，建議市域快線軌道減振措施采用隔離式減振墊浮置板。

（4）為應對工程可能出現的環境振動嚴重超標的惡劣工況，提出了一種重型鋼彈簧浮置板優化方案，建議下一步進行深入的理論、試驗及工程應用研究，以期為后續類似的工程設計提供科學指導。