減振墊浮置道床加嵌套式減振扣件的組合減振應用研究

孫大新 李現博 劉鐵旭

(1.北京城建設計發展集團股份有限公司，100037，北京；2.北京市軌道結構工程技術研究中心， 100037，北京；3.城市軌道交通綠色與安全建造技術國家工程實驗室，100037，北京 ∥ 第一作者,高級工程師)

減振設計是城市軌道交通軌道專業的關鍵工作之一。由于受城市規劃及線路周邊條件的制約較大，城市軌道交通往往具有曲線數量多、曲線半徑小和減振地段多等特點。

隨著城市軌道交通的迅速發展，近幾年的軌道減振技術，已經基本形成中等減振、高等減振和特殊減振的分級減振格局[1]。在特殊減振領域，鋼彈簧浮置板軌道減振效果優異[2-5]，但其占用軌道結構高度較大，對土建施工偏差的適應性較差，當地鐵隧道出現較大施工偏差時，無法鋪設鋼彈簧浮置板軌道。此種情況下，通常是采用降低減振等級、鋪設高等減振如減振墊道床的方案進行替代，但減振效果將降低4～6 dB；若遇線路下穿居民樓等減振要求高的地段，則仍無法滿足環境要求。本文結合在實際工程中遇到的軌道結構高度不足的情況，采用了減振墊浮置道床加嵌套式減振扣件的組合減振方案。經仿真計算及實際測試，其減振效果達到16 dB，已基本達到特殊減振措施的減振要求。

1 工程概況

某地鐵工程的區間隧道敏感點距離線路9.7 m，環評報告預測振動超標5.8 dB，二次結構噪聲超標7.0 dB(A)[6]，要求鋪設鋼彈簧浮置板。但在盾構施工過程中，該范圍內有長55 m的線路出現較大線型偏差；經調線調坡后，軌道實際鋪設高度為599 mm，中線水平偏差60 mm(見圖1)。敏感點區域的其他基本情況見表1。

表1 某地鐵區間隧道敏感點區域基本情況

圖1 土建偏差后軌道相對位置關系

由圖1可看出，即使將隔振器橫向間距縮小到1 700 mm，隔振器與隧道壁仍有明顯的沖突，因此無法鋪設鋼彈簧浮置板。

2 替代方案

在無法鋪設鋼彈簧浮置板的條件下，如何選擇替代方案成為本工程的重點。替代方案除可適應本工程的鋪設條件外，減振效果也應盡量接近鋼彈簧浮置板。

從減振效果的角度來看，僅次于鋼彈簧浮置板的高等減振措施是隔離式減振墊浮置板道床。而減振墊浮置板的減振能力一般為10～12 dB,鋼彈簧浮置板減振能力一般不小于16 dB的要求，因此，本工程采用減振墊浮置道床加嵌套式減振扣件的組合減振方案來彌補減振能力的差距。

2.1 組合減振方案

組合減振方案替代了原設計采用的鋼彈簧浮置板和普通扣件，其減振墊鋪設于基底層與混凝土道床之間。該地基的靜力彈性模量為0.010 N/mm3。

嵌套式減振扣件是一種新型的減振扣件，采用子、母鐵墊板分體扣壓，使板下彈性墊板不受預壓，彈性不受損失?？奂Q向靜剛度為11～15 kN/mm,動靜比不大于1.35。與同類型其他減振扣件相比，其主要特點是扣件高度、釘孔距和普通扣件完全相同，可與普通扣件實現通用互換；其較小的扣件高度使其在本工程條件下具有其他扣件所不具備的優勢。

對于水平偏差及軌道結構高度較小等問題，根據需要可適當減薄道床與基底厚度，以及采用薄型短軌枕、增設道心配重凸臺等措施進行處理(詳見圖2)。

圖2 組合減振方案的道床設計斷面

2.2 組合減振方案的道床動力學仿真計算

采用大型有限元軟件建立車輛-軌道-隧道空間耦合模型(見圖3)，分析組合減振方案的動力學指標及減振效果。

圖3 車輛-軌道-隧道空間耦合模型

1) 車體豎向加速度。圖4為車體豎向加速度時程曲線。從圖4可以看到，車體振動加速度最大值Amax為0.936 m/s2，滿足車體振動加速度限值為1.0 m/s2(即0.1g，g為重力加速度)[8]的要求。

圖4 車體豎向加速度時程曲線

2) 輪軌垂向力。由仿真計算結果可知，輪軌垂向力為60～80 kN。由靜態垂向力為70 kN可以得出，其垂向力沖擊系數較小，為1.08左右。

3) 脫軌系數。由仿真計算結果可知，輪軌橫向力最大值為29.38 kN，最大脫軌系數為0.379(見圖5)。該脫軌系數小于GB/T 5599—2019《機車車輛動力學性能評定與試驗鑒定規范》規定的0.8[9]的限值要求。

圖5 脫軌系數時程曲線

4)輪重減載率。由圖6可知，輪重減載率最大為0.059，滿足GB/T 5599—2019《機車車輛動力學性能評定與試驗鑒定規范》規定的0.6的限值要求。

圖6 輪重減載率時程曲線

5) 振動加速度及減振效果。在減振墊道床和短軌枕基礎上鋪設嵌套式減振扣件或普通扣件的鋼軌和隧道壁的振動加速度級對比如圖7和圖8所示。通過頻域分析可見，鋼軌振動加速度在160 Hz時有較明顯的振動峰值，嵌套減振扣件與普通扣件的峰值頻率基本相同。但在實車振動測試中，在400 Hz以下并未發現鋼軌有明顯的振動峰值。與鋪設普通扣件的橡膠減振墊相比，組合減振方案減振效果在6.07 dB左右。

圖7 鋼軌振動加速度級對比

圖8 隧道壁振動加速度級對比

3 實車減振效果測試

為進一步驗證組合減振方案的減振效果，進行了實車測試[10]，主要測試不同斷面鋼軌、道床和隧道壁的豎向振動加速度。測試中選擇了3處分別鋪設減振墊浮置道床、橡膠減振墊道床和普通道床地段進行同條件對比。這3處地段的線路條件和車速基本相同，全部位于半徑為350 m的曲線上，實際車速為60 km/h。其中，隧道壁豎向振動加速度測試結果如圖9所示。

圖9 實測隧道壁豎向振動加速度級對比

經對測試結果進行換算，與普通道床相比，橡膠減振墊道床可減振12.8 dB(Z振級)；采用嵌套式減振扣件的減振墊浮置道床可減振16.9 dB(Z振級)。實車測試時車輛在小半徑曲線的車速偏低，對減振效果稍有影響。

4 結語

本文通過仿真分析，對某地鐵工程采用嵌套式減振扣件與減振墊相匹配的組合減振方案進行了行車安全性和穩定性等多項指標的計算；仿真計算結果中各項指標均可滿足規范要求。

通過實車測試，采用嵌套式減振扣件的組合減振方案的隧道壁處減振效果可達16.9 dB(Z振級)。

關于輪軌力及安全性指標的實車測試目前尚未進行，與仿真計算結果的符合程度尚有待驗證。但本工程從試運行到通車至今，已實際運營超過2年，采用組合減振地段的行車平穩，未見輪軌異常磨耗以及居民因環境振動而投訴。這基本可以說明，采用組合減振方案的效果良好。

20世紀90年代，國內某地鐵曾發生過減振扣件和彈性短軌枕兩種減振措施組合使用而導致振動增加的情況，因此行業內一般認為2種不同形式的減振措施不宜組合在一起使用。但本工程的組合減振方案，采用的是兩種不同原理和不同等級減振措施的組合，其中減振扣件主要靠扣件彈性進行減振，其固有頻率一般在31.5～40.0 Hz，主要降低高頻振動；橡膠減振墊主要是靠彈性進行隔振,其固有頻率一般在14 Hz左右，主要降低低頻振動。本工程組合減振方案中2種措施的固有頻率相差較多，相互之間可起到補償作用，不易引起振動疊加。類似措施在香港地鐵馬鞍山線上已有良好的應用。本工程作為國內近些年實施的首例組合減振項目，對減振組合進行了初步的嘗試，可為后續處理類似問題提供思路。

此外，本文重點對豎向動力學指標做了一些仿真計算和測試，但對橫向位移、橫向剛度匹配和適應性等未進行深入探討，后續將陸續開展這方面的對比研究。