梯形軌枕作為高等級軌道減振措施的應用性分析

江 楠

(北京市生態環境保護科學研究院，北京100037)

1 引言

軌道交通作為一種現代化的交通工具，以其快速、準時、安全、舒適及裝載容量大等優點在城市交通中起著重要的作用。隨著國內各大主要城市地鐵進入網絡化建設和運營階段，以及公眾對自身生活環境要求的不斷提高，因地鐵列車通過時產生的振動影響日漸突出。為控制地鐵振動及其衍生的二次結構噪聲，采取軌道減振、隔振溝、隔振墻、建筑物防護等多項控制措施可降低影響，但在實際操作中，以軌道減振最為有效，也最便于實施。常用的軌道減振措施大致分為扣件、軌枕和道床三類[1]，梯形軌枕屬軌枕類減振措施。

目前在軌道交通項目環境影響評價中，軌道減振措施的減振性能主要依據廠家提供，缺失其實際效果的監測與分析，這就造成在選用減振措施時可能無法滿足實際需要的減振量，或因產品自身特點給運營帶來新的危害。通過對北京已運營地鐵線路采用梯形軌枕區段的振動測試數據，并結合梯形軌枕在耐久性、應用特性等方面的問題，分析了梯形軌枕的實際

減振性能及軌道區段的適用性，為城市軌道交通環境影響評價中減振控制措施的合理確定提供技術依據，特別是梯形軌枕的應用原則。

2 梯形軌枕軌道系統構成及技術特點

2.1 梯形軌枕系統

梯形軌枕又稱縱梁式軌枕，是在傳統橫向軌枕、雙塊式軌枕、雙向預應力的板式軌道和框架板軌道的基礎上演變而來，將板式軌道的雙向預應力結構改進成由PC制的縱梁和鋼管制的橫向聯接桿構成[2]，從而消除了枕中負彎距，取消橫向預應力，形成獨特的“縱向預應力梁+橫向鋼連桿”框架結構，消除了橫向預應力[3]，簡化了軌道結構和制造工藝。

2.2 梯形軌枕綜合技術特點

2.2.1 主體結構長效耐久

梯形軌枕的縱梁為預制的預應力混凝土結構，按不開裂設計，正常使用狀態的疲勞設計荷載及極限破壞荷載的荷載系數分別取為2倍、5倍，主體結構可達100年的使用壽命。

2.2.2 減振墊及主體結構可更換

梯形軌枕為縱梁+橫向連桿的預制結構，通過簡單工裝抬升軌枕，即可非常方便的實現減振墊或主體結構的更換，其配套減振墊采用聚氨酯發泡材料[4]，可靠使用壽命約30～40年。

2.2.3 軌道高度及減振性能可調整

由于梯形軌枕與現澆的整體道床之間并不固定，梯形軌枕的限位是通過減振墊及緩沖墊板來實現，故可通過調整梯形軌枕底部的墊板高度實現軌面標高的調整。

2.2.4 驗收及檢查維修無隱蔽性

梯形軌枕的減振墊清晰可見，便于隨時檢查、更換或調整；軌道的排水溝斷面寬，且為明溝，便于隨時檢查和清理，從而杜絕軌道運營維護階段的危害和風險。

2.2.5 施工安裝便捷可靠

梯形軌枕通過工廠預制的方式，減少或簡化了現場施工組裝、調整和檢查等工序，鋪軌速度可大于100 m/d，比同等級減振軌道結構的施工效率提高30%～45%。

2.3 梯形軌枕的減振特性

軌道交通地下線(地鐵)振動是由于列車在隧道內行駛過程中，車輪在鋼軌上的滾動與撞擊作用而激發軌道結構振動，經鋼軌、扣件、軌枕、道床向隧道結構傳遞，再經隧道結構通過土壤層傳遞至表層土壤，并通過表層土壤向鄰近的建筑物傳播，從而激發地面建筑物的振動響應，以至對沿線鄰近區域產生振動干擾[5]。

梯形軌枕系統是由減振墊、2個預應力混凝土縱梁及其聯接桿件、橫縱向限位件組成，見圖1。整個系統形成雙彈性疊合梁，一方面增大了軌道抗彎剛度，擴大輪軌力分布范圍，改善輪軌動力學性能[6]；同時，框架式構造可確保高精度的軌距和軌底坡，實現高質量的軌道平順性，從而起到主動隔振和降低噪聲的作用；另一方面由點支撐的減振墊形成了輕型的質量彈簧系統，也起到減振作用[7]。

圖1 梯形軌枕系統的減振構成

3 梯形軌枕軌道減振測試

3.1 北京地鐵9號線

3.1.1 監測斷面

北京地鐵9號線在七里莊站至六里橋站段設置有梯形軌枕，選取該區段列車運行勻速位置為梯形軌枕監測斷面，同步在未采用軌道減振措施段選取對照監測斷面，監測斷面見表1。

表1 監測斷面選取

3.1.2 Z振級監測結果

兩個監測斷面的道床及地鐵振動源強隧道洞壁處最大Z振級[8](VLZmax)見表2，具體減振效果見表3。

表2 監測斷面Z振級監測結果 dB

表3 梯形軌枕減振效果

3.1.3 頻譜分析

梯形軌枕監測斷面道床測點和洞壁測點的振動加速度時域頻譜見圖2和圖3。

圖2 梯形軌枕道床垂直振動加速度時域與頻譜

圖3 梯形洞壁垂直振動加速度時域與頻譜

環境振動水平一般常以加速度1/3倍頻程的振動進行評價[9]，梯形軌枕及對照的普通軌道在道床和洞壁測點振動加速度時域的1/3倍頻程譜見表4。

表4 梯形軌枕與普通軌道道床、洞壁振級平均值 dB

梯形軌枕監測斷面道床測點在16 Hz以后頻段減振效果比較明顯，在低于16 Hz頻段梯形軌枕監測斷面與對照監測斷面有重疊現象，減振效果不明顯；洞壁測點在40～100 Hz頻段減振效果明顯，在63 Hz附近達到峰值，在低于40 Hz和100～200 Hz頻段減振效果存在放大效應，見圖4和圖5。

圖4 梯形軌枕斷面道床、洞壁振級分析

圖5 普通整體道床道床、洞壁振動分析

3.2 北京市其他地鐵線路

北京市除地鐵9號線外， 4號線、5號線、大興線、10號線等多條已運營的線路均有使用梯形軌枕作為中、高等級減振措施，包括高架線及地下線，在振動源位置對比效果監測得到同線路條件下梯形軌枕的Z振級減振量，見表5。

表5 不同線路梯形軌枕減振效果 dB

4 梯形軌枕使用中存在的問題

梯形軌枕雖然有良好的軌道減振效果，但在實際運營中依然存在問題，特別是在北京地鐵4號線R400 m曲線半徑下易發生軌道異常波磨[10]，并產生較明顯的輪軌振動機噪聲，從而直接影響到梯形軌枕的減振效果。

北京地鐵4號線軌道減振段總長26.2 km[11]，波磨段長約11.78 km，其中在設置梯形軌枕的路段發生波磨主要位于新街口R350 m曲線段和北京南站R400 m曲線段[12]。分析波磨的主要原因有：

(1)所采用的扣件穩定性較差，持軌能力不足，軌頭異常翻轉，扣件的鋸齒墊塊都發生了問題，測試的鋼軌動態水平位移達到±8 mm，見圖6。

(2)由于地鐵鋪軌工期緊，無鋼軌下料條件，現場最后通過盾構井運送12.5 m鋼軌進行鋪設，造成軌道焊接質量欠佳，平順性不好。

(3)地鐵線路開通運營初期運量大，輪軌與軌枕之間未充分“磨合”。

圖6 梯形軌枕小半徑曲線段扣件狀態及鋼軌橫向動態變形

5 環境影響評價中對梯形軌枕的應用

5.1 各類軌道減振措施減振等級

目前關于軌道減振措施效果的評價，尚無標準規范。對于環境影響評價中要求的減振效果，依據《城市區域環境振動標準》(GB10070-88)和《城市區域環境振動測量方法》(GB10071-88)規定，采用1～80 HZ頻率范圍內的鉛垂向Z振級插入損失值，作為減振措施效果評價量[13]。

現有的北京市地鐵線路主要采用的減振措施有：鋼彈簧浮置板道床、彈性支撐塊、梯形軌枕、先鋒扣件、LORD扣件、Ⅲ型軌道減振器扣件等，其中鋼彈簧浮置板道床列為特殊減振，先鋒扣件、LORD扣件、梯形軌枕列為高等級減振，Ⅲ型軌道減振器扣件、彈性支撐塊則列為中等減振[14]。

5.2 梯形軌枕的應用

從地鐵線路減振措施的可施工性、可維護性、使用壽命、實際減振效果、綜合投資等多方面分析[15]，梯形軌枕比較適用于采取一般減振的地段，具體應用須考慮可能產生的異常波磨。

在軌道交通建設項目環境影響評價中軌道減振措施的選則時，梯形軌枕的應用可按以下原則實施。

(1)高架段、地下段的整體道床可以采用梯形軌枕，碎石道床一般不建議使用梯形軌枕。

(2)對于環境振動預測超標量≤10 dB的路段，采用梯形軌枕作為減振措施。減振段兩端應外延一定長度。

(3)鑒于小半徑段梯形軌枕易產生波磨，因此在地鐵線路R≤450 m半徑區段一般不建議使用梯形軌枕作為軌道減振措施，如必須使用的，應進行專項的軌道設計研究。

(4)對于地鐵線路直接下穿的環境敏感建筑，不易使用梯形軌枕，應提高減振等級。

6 結論

通過對已運營的地鐵線路梯形軌枕減振效果的監測，與普通軌道相比, 梯形軌枕一般具有10 dB的減振性能，達到高等級減振措施的水平。就軌道可施工性、可維護性、可更換性、運營安全性及使用壽命而言，梯形軌枕較鋼彈簧浮置板、軌道減振器扣件等又具有一定優勢。但其在地鐵線路小半徑段易產生鋼軌異常波磨，在R≤450 m半徑區段不建議使用。因此，梯形軌枕作為高等級減振措施，在環境影響評價預測一般振動影響路段設置是合理、可行、可靠的。