談成都軌道交通18號線工程減振扣件設計方案

杜華楊

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031)

1 概述

隨著市域快速軌道交通工程日益增多，同時市民群眾生活水平的提高，環保意識加強，地鐵運營中所產生的振動越來越受到重視。為綜合治理列車運行產生的振動影響，在市域快速軌道交通工程中必須考慮采用有效的減振措施，以保證沿線敏感目標的噪聲和振動滿足國家相關標準的規定。一般情況下，減振等級根據環評最大振動級的預測超標量分為中等、高等和特殊減振三個等級[1]。中等減振主要是采用扣件方式減振，市域快速軌道交通工程較常規地鐵工程線路設計速度高，減振扣件在市域快速軌道交通工程中沒有成熟的應用經驗，本文以成都軌道交通18號線為依托，對市域快速軌道交通工程減振扣件進行設計方案研究。

2 工程概況

成都軌道交通18號線工程起于火車北站，止于臨江站，是服務于市區和天府國際機場之間的市域快速軌道交通線路兼機場線，復合了機場快線和市域快線功能，也是天府新區連接主城區并提供快速服務功能的主要通道。線路沿人民北路、人民中路、人民南路、天府大道往南，經火車北站、騾馬市、省體育館、火車南站、孵化園、博覽城后折向東南方向經興隆、合江，穿越龍泉山后經三岔湖至天府國際機場。線路全長86.72 km，共設置18座車站，其中地下站16座，高架站2座，設停車場和車輛段各1座。

主要技術標準：雙線；設計速度140 km/h(共線段預留160 km/h)；市域A型車，8輛編組；單相工頻(50 Hz)，25 kV交流，接觸網供電；最小曲線半徑1 200 m；線路最大縱坡35‰。

3 方案比選

減振扣件一般通過在鋼軌和鐵墊板下設置橡膠墊等方法實現減振，主要有雙層非線性減振扣件、Lord型扣件、軌道減振器扣件。

雙層非線性減振扣件[2]通過設計雙層非線性彈性墊板系統以降低系統剛度和提高結構阻尼來控制二次噪聲與振動，具有整體尺寸緊湊、重量輕的特點，可在廠內進行預組裝，也可在現場維修時局部更換零部件，主要有VIPA與GJ-Ⅲ兩種類型。VIPA扣件已在丹麥、瑞典、馬來西亞等國鋪設應用于160 km/h～180 km/h線路上。GJ-Ⅲ型雙層非線性減振扣件，獨特的“自鎖結構”解決上、下鐵墊板之間的連接問題，不用螺栓錨固，也不用硫化粘接，能方便地更換失效的中間橡膠墊，大大降低了維護費用，已在廣州、深圳、成都等多地使用。

Lord型扣件[3]將承軌板、帶孔橡膠和底板硫化為整體，利用橡膠孔的變形進行減振。扣件直接支承鋼軌，下面設置調高墊板，通過調距扣板的齒紋移動鐵墊板，利用鐵墊板的長圓孔來實現扣件調距。結構尺寸緊湊，其減振效果和減振器扣件相當，缺點是橡膠與鐵墊板復合技術特殊，需硫化處理，抗橫移剛度較低。在上海、廣州等地有采用。

軌道減振器扣件[4]，也稱“科隆蛋”，把承軌板與鐵座之間用減振橡膠硫化粘結為整體，利用橡膠圈剪切變形獲得彈性。軌道減振器扣件使鋼軌在車輪荷載作用下有較大的撓曲，從而降低上部結構的力學阻抗，減小振動的激發。缺點是承軌板抗橫移及扭轉剛度較低，在列車的動力作用下軌距容易發生變化，鋼軌波磨現象時有發生，而且當橡膠制造工藝不良時容易造成橡膠圈脫落而失效，結構高度較大。在上海、廣州等地使用。

上述三種減振扣件主要運用于國內常規城市軌道交通線路，列車運行速度不超過120 km/h，軸重不大于16 t。相對于成都軌道交通18號線17 t軸重車輛，設計速度140 km/h的條件，現有減振扣件不能直接應用。綜上可見，市域快速軌道交通工程需充分借鑒地鐵減振扣件方案，同時目前市域快速軌道交通工程減振扣件未形成標準化設計。

4 成都軌道交通18號線工程減振扣件設計

4.1 設計原則

軌道結構應滿足安全可靠、先進成熟、經濟合理、少維修和易維修、可持續發展的原則，具有足夠的強度、剛度、穩定性及高平順性；采取相應的減振降噪措施，把地鐵運行振動、噪聲對環境的影響，控制在國家環保標準允許的范圍內；扣件結構選型應盡可能與成都軌道交通既有線路所采用的型式相一致，使其具有通用性、互換性，以方便維修及運營管理。

根據環評報告要求，減振扣件減振效果需達到3 dB～5 dB。

4.2 技術可行性分析

盡管國內未見減振扣件用于大于120 km/h線路的成熟案例，但參照VIPA扣件使用經驗，在更高速度及軸重情況下運用減振扣件是可行的。

《城際鐵路設計規范》第10.3.4條規定“正線無砟軌道應根據線路速度等級及環境減振降噪需求合理選用與軌道結構匹配的彈性扣件”，同時其條文解釋“在減振降噪要求較高地段，為滿足環保要求，可采用具有更好減振降噪效果的特殊軌道扣件[5]”。因此，從規范來講，成都軌道交通18號線采用減振扣件也是可行的。

成都軌道交通既有線路均采用GJ-Ⅲ型雙層非線性減振扣件，為了與既有工程實現資源共享，同時方便運營維護，同時保證減振扣件彈條、螺栓套管、錨固螺栓及釘孔距與正線DZⅢ-3型普通扣件通用的原則，減少建設施工及運營維護的工作和成本，本線中等減振地段推薦采用雙層非線性減振扣件。

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4.3 關鍵技術參數設計

普通地鐵減振扣件剛度一般為14 kN/mm，鋼軌垂向位移限值為3 mm，這一標準經過了多條120 km/h速度線路的運營檢驗，狀態良好，安全可控。軌道交通既有工程中等減振是通過降低扣件自身剛度來實現減振，一般來說剛度越低減振效果越好，但過低的扣件剛度勢必引起較大的鋼軌垂向位移，影響行車安全，因此減振扣件的剛度取值為其關鍵設計。

為模擬實際鋼軌在列車載荷作用下的變形情況，采用有限元軟件，建立120 m長的鋼軌模型，采用梁單元模擬，將扣件簡化為彈簧，選擇不同的扣件剛度，計算對應剛度下的鋼軌位移，計算結果見表1。

表1 鋼軌位移計算結果

成都軌道交通18號線為高品質的市域快速軌道交通線路，鋼軌垂向位移不應大于1.5 mm[6]，根據表1的計算結果，減振扣件的靜剛度應不小于20 kN/mm。

研究表明[7]，以DZⅢ-3型普通扣件(靜剛度為35 kN/mm)為參考，減振扣件靜剛度為22 kN/mm時，減振效果大于3 dB。

綜上分析，減振扣件靜剛度為22 kN/mm時，鋼軌垂向位移及減振效果均滿足設計要求。

4.4 室內試驗測試

根據上述減振扣件方案，在室內進行減振扣件剛度及縱向阻力測試、疲勞試驗、減振性能測試。

按照現場實際使用工況，對單個扣件進行組裝成扣件系統。將單個扣件系統平置于試驗機上，先對試樣進行預壓。以1 kN/s～2 kN/s的速度垂向加載至80 kN，靜停1 min后卸載，反復至少兩次，然后進行正式試驗。以(2±1)kN/s的速度垂向加載，當載荷至5 kN和35 kN時各停留1 min，反復試驗三次記錄鋼軌位移平均值S1,S2。按下式計算扣件靜剛度K=22.6 kN/mm，符合設計要求。

K=30/(S2-S1)。

4.4.2鋼軌縱向阻力測試

鋼軌縱向阻力測試參照TB/T 3396.1規定進行，按標準組裝狀態用扣件將鋼軌固定在軌枕的一個承軌面上，將軌枕放在剛性基礎上并予以錨定，測得鋼軌縱向阻力為12.1 kN，符合設計要求。

4.4.3疲勞試驗

減振扣件組裝疲勞試驗參照TB/T 3396.4規定進行，試驗荷載參數根據18號線車輛軸重確定。試驗加載頻率為4 Hz。經300萬次疲勞試驗后各零部件無損傷和開裂，疲勞試驗前后軌底橫向移動量為1.26 mm，單邊軌距擴張1.47 mm，鋼軌縱向阻力變化率8.26%，扣件靜剛度變化率6.35%，動靜比1.24，鋼軌垂向位移1.48 mm，均符合規范和設計要求。

4.4.4減振性能測試

減振效果是指雙層非線性減振扣件與DZⅢ-3型普通扣件在相同工況下，軌枕、道床基礎的減振指標對比測試。減振扣件與鋼軌、軌枕、道床組成整體性完好的軌道結構系統，采用落錘試驗進行測試減振性能[8]。

采用50 kg的落錘，在錘頭和錘體之間墊有10 mm厚的橡膠緩沖墊片，落高為100 mm，自由落下。在鋼軌、軌枕和整體道床兩側分別布置加速度計，在錘頭沖擊軌頭的瞬間，測量鋼軌、軌枕及距道床邊緣20 cm的地面振動加速度。

在4 Hz～200 Hz頻段范圍內減振扣件振動強度相對于DZⅢ-3型普通扣件減少6.11 dB，達到設計要求。

5 結語

國內主要有雙層非線性減振扣件、Lord型扣件、軌道減振器扣件三種類型減振扣件，本文以成都軌道交通18號線為依托，通過方案比選，確定18號線中等減振地段采用GJ-Ⅲ型雙層非線性減振扣件，并對減振扣件靜剛度這一關鍵參數進行研究設計，綜合考慮減振效果與行車安全因素，確定減振扣件靜剛度為22 kN/mm；通過室內試驗測試可知扣件系統相關指標均滿足設計要求。其他市域快速軌道交通工程項目減振扣件可根據其特點綜合比選后參考設計。