北京新機(jī)場線車輛段上蓋物業(yè)開發(fā)軌道減振降噪設(shè)計(jì)

劉 瑋 李克飛 張東風(fēng)

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055； 2.北京軌道交通建設(shè)管理有限公司，北京 100068)

1 概述

隨著城市軌道交通的迅速發(fā)展，車輛段、停車場上蓋開發(fā)綜合利用已成為新的熱點(diǎn)[1-2]。車輛段和停車場的合理開發(fā)對提高城市土地利用率[3]、優(yōu)化城市空間布局[4]、彌補(bǔ)部分軌道交通建設(shè)成本有著重要現(xiàn)實(shí)意義[5-7]。目前，北京市已開展上蓋綜合利用的項(xiàng)目有四惠車輛段、郭公莊車輛段、馬泉營車輛段等[8]?？偨Y(jié)已有上蓋開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)，其關(guān)鍵問題之一就是合理控制車輛段的振動和噪聲。

北京軌道交通新機(jī)場線一期工程磁各莊車輛段位于大興區(qū)團(tuán)河地區(qū)，占地30.3 hm2，為實(shí)現(xiàn)土地集約化利用，將咽喉區(qū)、聯(lián)合檢修庫、運(yùn)用庫以及大型房地產(chǎn)開發(fā)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)。其中，蓋上為非軌道交通運(yùn)營管理的社會化房地產(chǎn)開發(fā)部分，包括商業(yè)樓、住宅樓及配套的公建區(qū)；蓋下為車輛段部分，包括運(yùn)用庫、聯(lián)合檢修庫、工程車庫、洗車庫、材料棚、鏇輪庫、內(nèi)燃機(jī)車庫等(見圖1)。

圖1 磁各莊車輛段物業(yè)開發(fā)示意

2 車輛段列車運(yùn)行振動和噪聲特點(diǎn)

車輛段振動和噪聲主要包括列車在車輛段內(nèi)運(yùn)行產(chǎn)生的振動和噪聲，以及車輛段架修設(shè)備產(chǎn)生的振動與噪聲[9]。軌道設(shè)計(jì)要著重解決的是車輛運(yùn)行產(chǎn)生的振動和噪聲[10]。車輛段內(nèi)車速相對較低，地面振動主要表現(xiàn)在低頻(20～60 Hz)，噪聲源主要表現(xiàn)在中高頻(200～800 Hz)[11]。

車輛段列車運(yùn)行產(chǎn)生的振動、噪聲源為：①列車自重通過輪軌接觸點(diǎn)引起的鋼軌周期性上下振動；②車輪經(jīng)過鋼軌、道岔的接縫處或呈波紋狀鋼軌(表面磨損)時(shí)，車輪撞擊這些部位產(chǎn)生的沖擊振動，以及輪軌滾動噪聲、沖擊噪聲和摩擦噪聲[12]。這些振動及噪聲通過車輪、鋼軌、軌枕、道床、路基等向外傳播，當(dāng)這些振動通過基礎(chǔ)、立柱及平臺等鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，振動受到的阻尼小，振級衰減較慢[13]。

上蓋物業(yè)車輛段軌道振動與噪聲具有以下特點(diǎn)。

(1)車輛通過速度低

車輛段內(nèi)一般列車運(yùn)行速度較低(除試車線外)，庫內(nèi)線路運(yùn)行速度更低。磁各莊車輛段咽喉區(qū)車輛最大運(yùn)行速度不超過35 km/h，庫內(nèi)線路速度一般小于5 km/h，出庫時(shí)速度為7～8 km/h。

(2)碎石道床減振體系不完善

磁各莊車輛段庫外咽喉區(qū)及試車線均采用混凝土枕碎石道床，其本身彈性較好，列車通過時(shí)的振動較整體道床低3 dB左右，但可適用于碎石道床軌道的減振形式不多(一般只有道砟墊和梯形軌枕兩種)。

(3)車輛段庫外線路小半徑曲線多，道岔多，接頭多

車輛段庫外一般采用有縫線路，鋼軌接頭多；咽喉區(qū)道岔多，小曲線半徑多(一般情況下150 m，困難條件100 m)。磁各莊車輛段咽喉區(qū)最小曲線半徑為200 m，實(shí)現(xiàn)無縫線路設(shè)計(jì)技術(shù)難度大(《鐵路無縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10015—2012)3.13條“允許鋪設(shè)無縫線路的最小曲線半徑為300 m”)。列車通過鋼軌接頭處的沖擊帶來的振動與噪聲是車輛段軌道振動與噪聲的最大影響因素之一。

3 軌道減振降噪設(shè)計(jì)措施

目前，車輛段上蓋減振降噪治理措施單一，軌道結(jié)構(gòu)可采用的措施有限，在實(shí)際應(yīng)用過程中存在過度投資、效果不理想等問題[14-16]。因此，根據(jù)車輛段上蓋開發(fā)的特點(diǎn)，需要設(shè)計(jì)安全可靠、經(jīng)濟(jì)性好，適用于50 kg/m鋼軌和庫內(nèi)檢查坑結(jié)構(gòu)的減振措施。

3.1 庫內(nèi)無縫線路

相較于正線，車輛段振動與噪聲控制有利的因素為車輛運(yùn)行速度低，車輛空車運(yùn)行；不利的因素為車輛段軌縫多，軌縫處振動沖擊大。因此，對于車輛段軌道，減少軌縫處的沖擊振動是減振降噪的關(guān)鍵。由于車輛段咽喉區(qū)小半徑曲線多、道岔多，采用無縫線路尚存在技術(shù)難度，目前還沒有實(shí)際工程案例，而庫內(nèi)線路一般為直線，具備實(shí)施無縫線路的條件[17]。磁各莊車輛段的信號工程采用計(jì)軸設(shè)備，無需考慮在軌縫處設(shè)置絕緣軌節(jié)，故決定在磁各莊車輛段庫內(nèi)采用無縫線路。

結(jié)合磁各莊車輛段庫內(nèi)軌道結(jié)構(gòu)類型，車輛段庫內(nèi)無縫線路分別采用了鋼軌焊接、鋼軌凍結(jié)接頭夾板兩種形式。其中50 kg/m鋼軌凍結(jié)接頭夾板為專門針對車輛段上蓋物業(yè)開發(fā)的無縫線路設(shè)計(jì)產(chǎn)品，采用夾板與高強(qiáng)螺栓聯(lián)結(jié)鋼軌，使軌端密貼(實(shí)現(xiàn)無縫化)；50 kg/m鋼軌凍結(jié)接頭采用特制六孔夾板和高強(qiáng)度M24螺栓(10.9s)，以及匹配的螺母及平墊圈，可利用較高的緊固扭矩產(chǎn)生較大的接頭阻力，實(shí)現(xiàn)鋼軌接頭的有效凍結(jié)。該產(chǎn)品尤其適用于車輛段軌道，方便現(xiàn)場無縫線路的施工，增加了施工的靈活性和方便性(見圖2、圖3)。

圖2 磁各莊車輛段50 kg/m鋼軌凍結(jié)接頭夾板

圖3 磁各莊車輛段50 kg/m鋼軌凍結(jié)接頭夾板組裝

3.2 庫內(nèi)高等級減振扣件

對于庫內(nèi)線軌道，由于線路平直(可實(shí)現(xiàn)無縫線路)，運(yùn)行速度低，再加上道床下土壤對固體噪聲的有效隔絕，振動及噪聲污染并不明顯，一般采用中、高等級減振扣件即可。

根據(jù)本工程環(huán)評咨詢報(bào)告的建議，庫內(nèi)應(yīng)采用浮軌或同等級減振效果的減振措施?？紤]浮軌式扣件存在如下缺點(diǎn)：鋼軌調(diào)高及調(diào)距不方便；浮軌扣件定位塊易松動，增加了養(yǎng)護(hù)維修工作量；軌撐結(jié)構(gòu)設(shè)置于軌腰處，與接頭夾板沖突，故決定研發(fā)適用于車輛段的高等級減振扣件。在既有雙層非線性減振扣件結(jié)構(gòu)形式基礎(chǔ)上，采用多重彈性層形成串聯(lián)結(jié)構(gòu)，以獲得較低的垂向剛度(扣件靜剛度為6～9 kN/mm)，進(jìn)而達(dá)到較高的減振效果。該扣件主要特點(diǎn)：采用上鎖式雙層非線性的結(jié)構(gòu)形式，技術(shù)安全可靠；采用彈性鎖緊結(jié)構(gòu)進(jìn)行扣件預(yù)組裝，提高了產(chǎn)品運(yùn)輸和現(xiàn)場安裝施工效率；鋼軌調(diào)高及調(diào)距方便，方法與普通扣件相同；扣件組裝和拆卸方便，利于施工和養(yǎng)護(hù)維修(見圖4)。

圖4 磁各莊車輛段庫內(nèi)高等級減振扣件

研發(fā)過程中，在南京地鐵小行車輛段進(jìn)行了鋪設(shè)和測試。測試結(jié)果表明，該扣件減振效果≥8 dB(可滿足環(huán)評要求)。相較于DTⅥ2扣件，當(dāng)列車速度為10 km/h時(shí)，相對插入損失ΔVLZmax為8.4 dB；當(dāng)列車速度為20 km/h時(shí)，相對插入損失ΔVLZmax為10.4 dB。

3.3 庫外高效減振墊碎石道床

對于庫外線軌道(尤其是咽喉區(qū))，此區(qū)域道岔密布，軌縫眾多，列車出庫速度增大，易產(chǎn)生軌縫沖擊振動，是振動控制的難點(diǎn)。目前，一般采用碎石道床下鋪設(shè)高效彈性減振墊、軌縫處安裝減振接頭夾板、安裝軌道減振扣件等措施。

道砟減振墊是一種質(zhì)量彈簧系統(tǒng)，具有減振效果好，施工方便、快速，不影響過軌管線布置等特點(diǎn)[18-19]。

根據(jù)本工程環(huán)評咨詢報(bào)告的要求，在高效彈性減振墊使用壽命期內(nèi)，設(shè)置高效彈性減振墊與道砟組合后，列車以速度25～35 km/h通過時(shí)，最大振級(VLzmax)較普通碎石道床減少10 dB。考慮咽喉區(qū)上蓋建筑物一般以住宅為主，對振動與噪聲的要求較高，咽喉區(qū)道砟厚度應(yīng)適當(dāng)增加。

由于車輛段碎石道床碎石顆粒不規(guī)則，在列車通過時(shí)，其碾壓可能會破壞砟下的彈性道砟墊。為確保道砟墊結(jié)構(gòu)的彈性和結(jié)構(gòu)的完整性，應(yīng)在減振墊外設(shè)置保護(hù)層(見圖5)。

圖5 高效減振墊碎石道床

3.4 咽喉區(qū)小半徑地段阻尼鋼軌

車輛段咽喉區(qū)軌縫較多，一定程度上增加了輪軌的振動沖擊噪聲[20]。根據(jù)環(huán)評咨詢的建議，咽喉區(qū)小半徑曲線宜采用阻尼鋼軌(見圖6)。阻尼鋼軌的降噪原理是增加鋼軌阻尼，消耗有害振動能量，抑制鋼軌共振，降低輪軌振動及曲線“嘯叫”[21]。本工程采用的迷宮式阻尼鋼軌具有阻尼面積大、阻尼比高、約束剛度高、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。

圖6 阻尼鋼軌

4 結(jié)束語

在既有上蓋物業(yè)開發(fā)軌道減振降噪成熟措施基礎(chǔ)上，研發(fā)了安全、可靠、經(jīng)濟(jì)性好且適用于庫內(nèi)50 kg/m鋼軌無縫線路的鋼軌凍結(jié)接頭夾板及高等級減振扣件，滿足上蓋的環(huán)評要求，解決了磁各莊車輛段上蓋物業(yè)開發(fā)的軌道振動與噪聲問題。下一步應(yīng)進(jìn)一步探索車輛段咽喉區(qū)無縫化成套技術(shù)，包括提升鋼軌等級、小半徑曲線實(shí)現(xiàn)無縫線路、采用可動心軌轍叉道岔等技術(shù)，為上蓋物業(yè)開發(fā)提供更安靜、更舒適、環(huán)境更友好的開發(fā)條件。