城市轨道交通减震降噪技术发展现状

城市轨道交通减震降噪技术发展现状与未来摘要：对城市轨道交通振动与噪声控制设计的相关规范进行了梳理，介绍并分析了目前主要的轨道减振措施的特点与优缺点，对目前减振效果最好的浮置板道床进行了经济性对比分析。关键词：轨道交通；轨道结构；减振；截至2012年12月，北京、天津、上海、广州、深圳、长春、大连、沈阳、重庆、成都、南京、武汉、杭州、苏州、西安和昆明16个城市的70条轨道交通线路投入运营，运营里程2081.13km，车站1378座；北京、上海、广州、深圳和南京等城市逐步进入网络化运营。随着一些大城市轨道交通网络的逐渐形成，越来越多的城市轨道交通线路不可避免地近距离下穿城市功能建筑物，城市轨道交通运营产生的振动污染引起公众和有关部门的关注。国外从20世纪60年代开始重视城市轨道交通减振降噪问题。1966年，英国的阿尔贝民事法院6层建筑物即采用叠层橡胶减振技术，解决城市轨道交通对建筑物的影响；80—90年代德国、英国进行了无砟轨道减振降噪的大量试验研究。我国轨道减振研究起步较晚，早期修建北京和天津地铁时未考虑环境振动问题，投入运营后减振改造工程干扰运营，浪费人力和物力。为避免环境振动超标，上海地铁1号线于1994年首次采用轨道减振设施——轨道减振器扣件。随着我国各地城市轨道交通建设陆续开展，各种类型的轨道减振产品在城市轨道交通建设工程中相继得到应用。随着城市轨道交通的迅速发展，在人口密集、科研院所、医院、学校等城市公共区域，车辆噪音越来越多的引起人们的关注。城市轨道车辆噪音根据生源的不同大致分为以下几种：轮轨噪声：由轮轨相互作用引起的噪音；设备噪声：由空调、电机等车辆设备工作产生的噪音；空气动力噪声：车体与空气摩擦而产生的噪声；集电系统噪声：由受电弓和电线相互摩擦引起的噪音；构造物二次噪声：列车振动引起桥梁、隧道或周围建筑物的二次振动而产生的噪声。1我国城市区域环境振动标准城市轨道交通环境振动防治作为环境保护产业的一部分，在城市轨道交通环境建设，以及经济与环境协调可持续发展方面具有重要而独特的意义。为贯彻《中华人民共和国环境保护法》，控制环境振动污染，我国制定了相应的环境振动标准。现行《地铁设计规范》[2]规定，地铁振动污染防治设计应符合国家现行《城市区域环境振动标准》，环境评价预测超标地段应采取减振措施，以满足国家环境保护及相关规范要求。近年来，我国许多城市进行了大规模的城市轨道交通和基础设施建设，出现了一些新的城市轨道交通振动源和振动问题，而人们对城市环境要求更为严格，尤其是在夜间，对于地铁运行产生的振动响应更为敏感。研究发现，即使振动水平处于65dB“特殊住宅区”振动限值之下，人们仍能感到振动并产生厌恶感；当振动水平处于62dB以下时，大部分居民感觉不到振动。现行《城市区域环境振动标准》中的一些计权方式和测量方法严重滞后于相关学科研究发展。为此，国家环境保护部科技标准司组织修订《环境振动标准》（征求意见稿）。修订后其紧密结合国际现行标准，体现了以人为本的社会发展要求。2我国城市轨道交通轨道减振现状特征目前，我国城市轨道交通轨道减振领域现状特征是需求总量大、产品种类多、占全线比例高、减振要求复杂。2.1产品种类多轨道减振技术的通常做法是在组成轨道的各个刚性部件之间插入弹性层，按插入位置的不同可分为扣件减振、轨枕减振和道床减振。弹性层所处的位置越靠下，悬浮的质量就越大，越能获得较好的减振效果。根据减振效果的不同，《地铁设计规范》（征求意见稿）[5]将减振措施分为一般减振措施、中等减振措施、高等减振措施和特殊减振措施4个等级。（1）一般减振措施。2012年4月正式实施的北京市地方标准《地铁噪声与振动控制规范》[6]对Z振级插入损失作出定义：在其他条件相同的情况下，使用减振措施与使用普通扣件（DT-Ⅵ2）线路，隧道壁Z振级之间的差值记为△VLZmax；单位为分贝，dB。这里提到的普通扣件即一般减振措施，其主要作用是固定钢轨，以及在列车运行时为轨道提供必要的缓冲，包括广泛应用于北京城市轨道交通的DT-Ⅵ2型和DT-Ⅶ2型扣件、在上海地铁与北京地铁普遍使用的WJ-2型扣件及广州地铁普遍使用的单趾弹簧扣件。（2）中等减振措施。中等减振措施的减振能力（即使用减振措施与普通扣件线路隧道壁Z振级插入损失）为5～10dB，常用的中等减振措施主要有双刚度剪切型轨道减振器扣件（Ⅲ型、Ⅳ型轨道减振器扣件）、压缩型轨道减振器扣件（ALT.1扣件、Lord扣件）、Vanguard扣件、弹性短轨枕和弹性长枕式等。（3）高等减振措施。高等减振措施的减振能力为10～15dB，主要减振原理是在轨枕下或道床下铺设弹性垫层，形成质量弹簧体系，通过增加参振质量，降低轨道结构的自振频率，从而得到较好的减振效果。高等减振措施有梯形轨枕轨道结构和纵向轨枕轨道结构，以及橡胶浮置板道床和固体阻尼钢弹簧浮置板道床等。梯形轨枕由PC制成的纵梁和钢管制成的横向联结杆构成，轨枕下放置弹性垫层起缓冲减振作用，目前广泛应用于我国地铁；纵向轨枕利用横向混凝土纵梁代替梯形轨枕的混凝土钢管结构。国内外常用的橡胶浮置板道床有整体支撑、线性支撑与点支撑等支撑形式。橡胶浮置板道床减振材料除了传统的橡胶材料外，还包括阻尼橡胶材料及聚氨酯微孔弹性材料，其减振性能和工作年限与材料性质密切相关。图1梯形轨枕轨道结构图2纵向轨枕轨道结构（4）特殊减振措施。液体阻尼钢弹簧浮置板道床（见图3）是城市轨道交通行业内公认减振性能最好的轨道形式，是现行唯一的特殊减振措施。液体阻尼钢弹簧浮置板道床利用液体阻尼钢弹簧隔振器支撑钢筋混凝土道床板，形成一个高质量、低刚度的“质量-弹簧”系统，其固有频率为5～7Hz，减振能力在15dB以上。液体阻尼钢弹簧浮置板道床成本和工程造价很高，不具备大面积铺设条件，目前大多应用于线路近距离下穿建筑物，以及对减振要求较高的古建筑、研究机构、医院、博物馆和音乐厅等场所。图3液体阻尼钢弹簧浮置板道床2.2占全线比例高近年来，新建城市轨道交通线路各等级减振措施区段占总线路比例逐步升高，这与人们对控制地铁振动产生的环境影响需求密不可分。2.3要求复杂现代城市是人们学习、生活、工作、休闲、疗养的综合功能区，密集的轨道交通线网不可避免地对城市功能建筑产生环境振动影响。因此，要将敏感目标Ｚ振级控制在标准限值内，并对低频段振动控制提出严苛的复杂要求。《环境振动标准》（征求意见稿）颁布实施后，轨道减振应用范围将调整，原采用中等或高等减振措施的地段，将采用高等或特殊减振措施，以满足综合功能区振动限值，高等级减振措施所占全线比例将会继续增加。3现阶段我国城市轨道交通轨道减振存在的问题3.1轨道减振产品设计缺乏技术储备目前，我国城市轨道交通轨道结构的设计总体沿用铁路轨道结构设计标准。而城市轨道交通减振型轨道结构设计仅注重产品自身的技术性能，缺乏对整个减振型轨道结构系统性能的认识，特别是在稳定性和耐久性方面，不能满足铁路轨道设计标准要求，造成投入运营后因轨道结构稳定性差、耐久性低、刚度不连续等问题引起轨道病害频发。轨道减振设计单位缺乏必要的技术储备，对轨道减振原理认识不够全面和深刻。部分设计人员陷入了轨道刚度越低减振性能越好的误区，未认识到质量、刚度、阻尼等指标的合理匹配，使大量低刚度减振扣件使用后导致钢轨非正常波磨严重。轨道减振设计单位在引进、消化吸收国外轨道减振产品时，过分依赖研究单位的技术和生产厂商的制造经验，缺少对我国城市轨道交通运营特点和施工质量等国情的考虑，并未将产品制造、施工与维护纳入设计阶段进行全过程分析，致使先锋扣件、减振器扣件、弹性短轨枕等许多国外成熟的轨道减振产品在我国应用中出现各种问题。3.2缺乏统一的轨道减振产品评价体系和认证机构城市轨道交通轨道工程的标准与规范是轨道设计、施工、验收和维修养护的重要依据。我国在制定轨道减振产品标准工作上尚未建立统一、完善的检测与评价方法,权威性和前瞻性的城市轨道交通减振产品标准体系尚未形成。相关技术标准和产品认证体系及机构缺失，且无严格的市场准入制度，导致新型减振产品往往没有经过严格质量检验和性能评定即投入使用。由于缺乏对运营线路采取减振措施后的评估方法和标准，轨道减振工程是按普通整体道床轨道工程竣工进行验收，没有考核减振设计的关键指标，无法通过标准化工作验证轨道工程是否满足减振设计要求。3.3环境评价工作局限性我国于2003年颁布实施《中华人民共和国环境影响评价法》，提出轨道交通线网规划和建设项目需要开展环境影响评价工作。环境评价报告结论是轨道减振设计和选型依据，目的是确保列车运行引起的环境振动不会引起沿线居民的投诉，满足国家环境保护部对轨道交通项目环境保护批复要求。我国《环境影响评价技术导则——城市轨道交通》采用经验链式公式作为环境振动预测计算方法，由于全国各地地质差异及沿线建筑物结构动力特性千差万别，经验链式公式得出的环境评价预测值与实际环境振动值偏差较大；线路及沿线敏感目标环境振动要求发生变化时，补充环境评价工作不到位，造成轨道减振设计选型与实际环境振动要求脱节，线路运营后振动超标问题严重。4城市轨道交通轨道减振发展趋势4.1加强轨道工程整体安全性利用轨道系统解决环境振动问题的同时，不应忽视轨道稳定性及耐久性。在经济允许情况下，建议优先选用安全等级与减振效果好的道床减振形式。为了提高线路平顺性，线路中相同的轨道减振等级宜采取相同的减振形式，全线减振轨道形式不宜超过3种。减振地段应建立长效检测机制，跟踪产品减振效果，掌握轨道减振产品使用年限和维护周期等，确保轨道减振效果与行车安全。4.2建立轨道减振产品评价体系和认证机构研究制定我国城市轨道交通技术政策和标准规范，尽快改变目前城市轨道交通标准化工作滞后现状。开展轨道减振产品减振性能认定研究工作，统一产品减振性能测试方法及减振性能评价指标，划分轨道减振产品减振等级，确定减振产品适用范围，以适应环境评价工作及对振动频谱有特殊要求的振动敏感目标需要。建立行业认可的城市轨道交通轨道产品认证检验机构和城市轨道交通减振产品的市场准入制度，督促生产厂商加大研发投入，优化轨道减振产品性能，重视自主创新，促进我国自主知识产权的轨道减振产品和产业链发展，降低轨道工程建设成本。4.3研究切合实际的环境振动预测方法精确预测地铁引起的环境振动方法应从理解振动传播方式出发，全面考虑振源特性（车辆、轨道类型、隧道结构）、地层特性（岩土类型、线路埋深、水平距离）、建筑物动力特性（整体固有频率、各层楼板结构的局部振动特性）对振动产生和传播影响，可以通过现场原位测试得到振源与敏感建筑物内振动响应传递函数，结合实测的地铁运营振源数据，预测地铁运营引起的敏感建筑物振动响应5.城市轨道减震降噪的新技术5.1车轮降噪技术5.1.1弹性车轮弹性车轮能明显降低轮轨噪声，主要是通过橡胶能吸收高频振动、降低冲击，并使轮轨问的摩擦得到改善。同时，弹性车轮降低簧下质量，致使轮轨冲击动作用降低，也是弹性车轮运行噪音降低的重要原因。另外，采用刚性车轮时，由于轮箍在轨道上滚动而出现的噪声会通过轮心的膜片作用而大大强化，并以体噪声的形式传至车体，而采用弹性车轮时，该噪声可以被橡胶层隔绝，弹性车轮结构参见图4所示。图4弹性车轮结构图采用弹性车轮后，踏面垂向激励下弹性车轮的噪声比刚性车轮可降低4.4dB。经对比分析，刚性车轮辐射的噪声总功率中主要成分是由幅板辐射的，而弹性车轮采用橡胶弹性元件将轮箍和轮心隔开，轮箍的振动经过弹性元件的衰减作用后传至轮心，高频成分得到了消除或削弱，因此可以大大减少由幅板辐射的噪声。虽然弹性车轮比整体车轮能降低l0dB(A)～20dB(A)，但一般只适合轴重较低（10t左右）的轻轨车辆，对于地铁车辆效果并不明显，而且结构复杂，造价高，在地铁车辆中通常不建议采用。5.1.2降噪阻尼器目前，国内地铁车辆通常在车轮上采用层叠式宽频降噪消音器。如图5，此种消音器为一种三明治结构，三层钢板和两层高阻尼特种橡胶，然后用不锈钢空心铆钉铆接。它利用弹粘性橡胶作为弹性元件，它的弹性力为非线性，因此能起到吸收多个频峰振动的作用。层叠式降噪阻尼器结构简