深圳地铁11号线轨道系统提高舒适度措施的探讨

摘要：本文从轨道系统的角度介绍了提高深圳地铁11号线的乘坐舒适度的措施，重点从轨道减振、道岔岔枕、扣件垫板及轮轨噪声等方面进行一些理论分析和措施比选。

关键词：深圳地铁轨道舒适度减振道岔扣件

1 引言

随着深圳轨道二期工程178km线路顺利通车运营，三期工程也即将开工建设，深圳地铁11号线是三期工程中的首条建设线路，也是深圳首条120km/h设计时速的快线，计划于2012年初开工建设，2015年底建成通车。线路起自福田中心区福田站，止于松岗碧头站，起点预留东延伸条件，终点预留延伸至东莞的线路条件。线路全长51.7km，全线设车站17座（地下13座，高架4座），换乘站10座，机场站以南平均站间距为3.9km，以北平均站间距为2.4km。最大站间距7.2km，最小站间距1.7km。地下线占78%，高架线占22%。

本线主要承担市中心区与西部滨海地区的快速联系功能，并兼顾与机场的快速联系功能。采用8辆A型车编组，其中两辆为头等车，舒适度要求较高，如何有效保证旅客的乘坐舒适度是本线研究的重点问题。本文主要从轨道系统的角度对提高舒适度的措施进行探讨。

2 轨道系统提高舒适度的措施

轨道结构可用性的最终体现是列车运行的高平顺性，即乘坐舒适度。轨道平顺性越高，轮轨动力作用越小，传给车辆系统和轨道系统的振动越小，则列车行驶过程中的平稳性和安全性越容易保证，轨道系统的可靠度和耐久性越好，引起的噪声和环境振动越小。因此，轨道结构的平顺性与轮轨之间的动力作用密切相关。

轨道的平顺性可分为几何不平顺和刚度不平顺。轨道几何不平顺主要包括钢轨接头、轨面擦伤、不均匀磨耗、波浪形磨耗等，是一系列在建设和运营中形成的在钢轨高低、方向、轨距、水平方面与钢轨理想状态的偏差；轨道刚度不平顺主要包括橡胶件老化引起的弹性不均，弹性短轨枕空吊等。对于大量采取减振措施的城市轨道交通，不同类型轨道之间的刚度差也是常见的刚度不平顺，还有区间轨道与岔区轨道间刚度不平顺性及道岔岔区刚度的不均匀性。

根据以往经验，结合目前轨道方面的一些新技术、新材料，轨道系统在提高旅客乘坐舒适度方面考虑如下措施：

1）轨道减振方面的措施

（1）不同级别的减振轨道间设置合理的刚度过渡段，设置原则是将钢轨挠度变化率控制在0.3mm/m以下，以减小轮轨动力作用，提高旅客乘坐舒适度；

（2）在减振分段方面，取消了减振段之间不足100m的普通段，改为与其前后一致的减振段；另外将正线的轨道减振措施控制在3种以内，这些措施在很大程度上减少了刚度过渡段的设置数量，有利于行车的平顺性；

（3）在区间线路交叠及上下换乘站地段采用轨道减振措施，以减小两线间的振动干扰。

2）轨道道岔方面的措施

（1）由于道岔区存在基本轨、尖轨、翼轨及心轨等多种钢轨型式，其抗弯刚度各不相同，加上间隔铁等因素的影响，道岔区刚度沿线路纵向分布不均匀，道岔岔枕采用合成树脂长枕后，不仅有利于岔区刚度的均匀化，而且还减小了道岔的整体刚度，提高了道岔结构的弹性，从而缓解列车过岔时的冲击力，提高旅客乘坐舒适度；

（2）根据区间线路与道岔岔区不同的轨道刚度值，按照钢轨挠度变化率≤0.3mm/m的原则，在区间线路上考虑通过调整区间线路轨枕间距的方式设置过渡段，过渡段长度不小于5m。

3）优化扣件弹性垫板方面的措施

本线设计速度达120km/h，列车对轨道的冲击力较常规地铁有所加大，这就要求轨道具有稳定的结构和适当的弹性。轨道的弹性一般情况下来源于扣件的弹性垫板，以往扣件弹性垫板多数采用普通橡胶垫板，但根据以往运营经验，线路在正常行车3～5年后，部分扣件橡胶垫板的刚度急剧下降，造成线路纵向点刚度分布不均匀，导致车内噪声增加，旅客乘坐舒适度下降，同时对钢轨部件的动力作用进一步加大，缩短轨道部件的使用寿命，增加养护维修工作量。因此近年来国内外铁路（尤其高速铁路）对扣件垫板提出了更高的要求（包括动静刚度比、永久变形、刚度变化等）。

目前国内一些城市的轨道交通对普通扣件弹性垫板的材料进行了改进，由传统的橡胶材料改为热塑聚酯弹性体或改性聚氨酯弹性体，如深圳地铁3号线、杭州地铁1号线及武汉地铁2号线的普通扣件弹性垫板均采用了热塑聚酯弹性体，东莞R2线低等减振地段的普通扣件弹性垫板采用了聚氨酯弹性体。这类高弹性体材料具有弹性高、回弹快、强度高、伸长率高及优越的耐磨、耐油、耐酸碱、耐射线辐射等特点，其使用寿命可达到普通橡胶垫板3倍以上，不仅可以减少养护维修工作量和对运营的干扰，还可以有效地、长期地保证全线扣件的弹性均匀性，提高旅客乘坐舒适度，目前国内城轨已有在全线铺设该弹性垫板的趋势，但高弹性体垫板价格较高，约为普通橡胶垫板的一倍，这就导致城市轨道交通的初期建设成本有所增加。据调查，目前一组普通扣件的橡胶弹性垫板（轨下垫板和板下垫板）价格约为80元，则普通扣件采用高弹性体垫板时的成本费用较采用橡胶垫板时增加约25.6万/铺轨公里。

综上所述，扣件的弹性垫板采用热塑聚酯弹性体（TPEE）等新材料不仅可以提高乘坐舒适度，还可以减少养护维修工作量，节省运营成本。

4）降低轮轨噪声方面的措施

根据运营经验，列车在小半径曲线及特殊减振地段上运行时，车厢内的噪声将大幅增加，甚至会发生刺耳的尖鸣声，影响旅客乘坐舒适度。列车在进站制动时，会在车站大厅产生回响共鸣效应，尤其是在高架车站，尖锐的制动嚣叫会对乘客和站内工作人员的身心健康造成危害。

当车辆通过小半径曲线段时，车轮受钢轨的制约在钢轨顶面产生横向滑动或轮缘侧磨，轮轨间出现粘着和滑行，会产生强烈的窄带高频噪声，这种现象称为曲线嚣叫。

目前特殊减振地段均采用浮置板轨道，用弹簧系统隔离轨道和地基系统，通过浮置板轨道这一质量弹簧系统自身的振动消除能量，以降低传给地基的振动能量，从而实现减振的目的。而浮置板轨道本身不具备降低轮轨动载荷的作用，且由于列车通过特殊减振段时是在一条柔性体上运行，因此在特殊轨道减振地段，车内噪声有可能增大。

目前国内外所采用降低轮轨噪声的措施主要有声屏障、钢轨阻尼板、道床吸音板等。声屏障可大大降低轮轨噪声对环境的影响，却无法降低高架线路部分和站内的噪声。

钢轨振动是轮轨噪声之源，当钢轨的振动加速度降低时，噪声就可以降低。由于钢轨的阻尼很小，增加钢轨的阻尼，可以有效抑制钢轨的振动。目前国内外采用增加钢轨阻尼的方法是在钢轨轨腰、轨底表面粘贴由高阻尼材料和约束板材构成的复合阻尼板可以有效地减小钢轨的振动，如图1所示。2005年8月北京地铁13号线正线某区段钢轨上安装了钢轨阻尼板，并于2005年9月由铁科院环卫所进行了噪声对比测试，试验结果表明，这种方法可降低轨道附近3.5米处的噪声约3dB（A）。随着技术的发展，钢轨阻尼板的阻尼性能及安全性能较之原来有了大幅的提高，且目前已实现了国产化，每延米的价格约为2000元，目前在国内多个城市中进行了铺设，效果较好，但在车辆段内铺设较多，正线区间内应用尚处于试铺阶段，有待进一步的实践验证。

道床吸音板铺设在道床面上，虽未从源头防止噪声的产生，但在噪声源最近处就开始吸收轮轨噪声，避免噪声的扩散，降低了噪声。道床吸音板在板体底部设置垂直于线路方向的空腔，声波通过吸声板表面进入板底空腔与其中的空气发生共振，声音振动的动能转化为热能而使声能衰弱，从而提高吸声和降低空气压力波的效果，如图2所示。该技术由德国于1995年率先开始研发，目前大量应用于德国高铁及城市轨道交通上。国内于2000年开始自主研发第一代道床吸音板，2010年已经研发出效果更好的第二代道床吸音板。目前国产化后的价格约为300-400万/公里，国内客专遂渝线无碴轨道和上海地铁3号线石龙路站均试铺了道床吸音板，并进行了现场效果测试，结果表明其降噪效果可达3-5dB（A）。

在以往地铁的设计中，一般都忽略了小半径曲线地段、特殊减振地段以及列车制动地段的轮轨噪声对乘客和车站工作人员的影响。考虑到本线的特殊性（A 型车8辆编组，设计速度高，舒适度要求高），国内尚无类似实践工程可参考，为提高旅客乘坐舒适度和保护车站工作人员的身心健康，可考虑先在局部噪声大的地段试铺吸音措施，待将来开通运营后根据实测效果和旅客反映的实际情况，再在后期考虑是否进行加铺。如此一来，还可以为深圳地铁将来建设的新线提供技术支持和参考。

考虑到钢轨阻尼板主要铺设于车辆段内，国内外在正线上铺设的吸音措施主要以道床吸音板为主，本线可考虑采用道床吸音板进行试铺，试铺地点可暂选一个高架车站和地下线内一个曲线半径较小、速度较高的盾构区段。高架站内铺设可以缓解列车制动和启动噪声对站内乘客和工作人员的影响；地下小半径曲线盾构地段铺设可缓解曲线尖嚣声和空气压力波对车厢内乘客的影响，如在设计列车运行速度为110km/h区段，此区段采用的是常规地铁盾构圆，半径为5.4m，属于运行速度提高，而隧道断面面积却未增大情况，理论上空气压力波将增大。已运营多年的广州地铁3号线设计速度为120km/h，盾构圆半径为5.5m，据调研，目前已出现因空气压力波的原因造成乘客不适的情况。

3 结束语

1）提高旅客乘坐舒适度除了在轨道系统方面采取文中所列措施外,在车辆、土建、机电等专业或系统方面也应根据实际情况采取一些措施。

2）文中提到一些新技术、新材料，如合成树脂轨枕、道床吸音板等，这些技术在国外应用较为成熟，在国内其它地区有所应用，在深圳地区尚属首次应用，故具体实施前应对国内外的实际应用情况进行深入调研。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。