城市轨道交通轨道减振设计与研究

摘要

针对城市轨道交通振动问题对人及周边环境的影响, 主要从轨道交通振动产生机理、轨道减振原理入手，研究城市轨道交通的轨道减振设计及其减振措施。

关键词：城市轨道交通 振动 控制

中图分类号：C913.32 文献标识码：A 文章编号：

一、振动与噪声对人的影响

振动对人的影响取决于人的力学效应与心理效应。从力学效应来看,低频振动对人的影响较大。它不但使人感到不舒适,严重时还会使人呕吐、头晕,甚至损害人体心脏。噪声不仅影响车上乘客的舒适度,影响司乘人员的健康和心态,危及行车安全,而且还会影响线路附近人们的生活、工作和学习。长期受到噪声的影响，会严重损害人们的身体健康,出现生理和心理的不良变化。

二、城市轨道交通振动的产生机理及影响因素

1、产生机理

城市轨道交通振动主要是由列车运行时轮轨相互撞击产生的。振动的传播途径是从轨道传到轨道扣件和道床,再传递到隧道(或高架桥梁)和岩土,引发地面建筑物的振动,从而影响地面建筑物各项功能的正常使用。导致振动的因素有以下几种:轨道不平顺等随机性激振源;车轮偏心等周期性的激振源;车轮与道岔、钢轨的碰撞等。在振动的传播过程中,高频部分比低频部分衰减得快,振动的频谱随距离而改变,水平向振动比铅垂向振动衰减得快,因此对地面的影响主要是铅垂向振动。

2、影响因素

（1）大地因素

影响城市轨道交通振动的大地因素有土壤和岩石类型、密度、剪切系数和损失因子、传播距离、地形条件等;

（2）隧道和建筑物因素

隧道因素有隧道结构尺寸和断面形状、隧道结构厚度、隧道埋深等;建筑物因素有建筑物类型和结构细节、地板的固有频率、房间尺寸等。

三、城市轨道交通振动的防治措施

1、轨道结构方面的减震降噪措施

（1）采用较大半径曲线线路。

资料显示，曲率半径在400m以下的线路会产生较大的振动和噪声，在进行城市轨道交通规划设计时，应尽量采用较大的曲线半径，以减小列车的冲击振动与噪声。

（2）采用轨枕减振。

弹性轨枕分为弹性长轨枕和弹性短轨枕。弹性短轨枕因其结构较简单、施工方便，工程造价较低，在我国城市轨道交通应用较广泛。弹性长轨枕所采用的轨枕与一般混凝土轨枕相同，通过在轨枕端部、枕端两侧和枕下3个方向设置弹性垫层，构成减振箱。弹性长轨枕质量较弹性短轨枕大，因此，其减振效果相对更好。如图1-1,1-2所示

图1-1弹性长枕轨

图1-2弹性短枕轨

（3）采用重型、无缝化的钢轨。

重型钢轨在受列车冲击时稳定性好、振动相对较小，随着钢轨重量的增加，钢轨的垂向刚度增大，因而采用重型钢轨可有效抑制钢轨的垂向振动。目前，我国轨道交通多采用60kg/m钢轨，以增大钢轨质量和截面刚度，减少振动。无缝线路是将标准长度的钢轨焊接成长钢轨，减少钢轨接头数量，可大大减少钢轨接头冲击引起的振动和噪声，大量的测试结果表明，在钢轨接头处，轮轨噪声比非接头部位增加5-7dB。

(4) 采用阻尼钢轨。

阻 尼 钢 轨对抑制钢轨的振动有一定效果。阻尼钢轨是在钢轨两侧和轨底设置由高阻尼材料和约束层组成的阻尼复合板。阻尼钢轨的原理是将钢轨振动能量转化成了热能，从而 吸 收 消 耗 了振 动 能 量 。如图2所示

图2阻尼钢轨

（5）采用合理的轨道结构。

如浮置板式轨道结构和减振降噪型钢轨。浮置板式轨道结构是用扣件把钢轨固定在钢筋混凝土浮置板上，浮置板置于可调的橡胶支座上，浮置板两侧用弹性材料固定，形成的一种质量—弹簧隔振系统。减振降噪型钢轨在钢轨腹部粘贴减振橡胶，最大限度地减小钢轨腹板振动引起的噪声，一般在钢轨腹部粘上橡胶后再粘上一钢板，以增加钢轨质量，起到衰减作用，达到降噪目的。如图3所示

图3橡胶浮置板轨道

（6）采用减振型扣件。

常 见 的 减 振 扣 件 有 先 锋扣件、轨道减振器、洛德扣件、Z系列扣件等。如图4所示

先锋扣件在轨头下颚及轨腰支撑钢轨，钢轨呈悬空状态，利用悬空钢轨和轨座底板缝隙，解决振动和噪声控制问题。轨道减振器又称为科隆蛋，为硫化粘结型扣件，利用橡胶剪切变形提供弹性。洛德扣件也是硫化粘结型，由2块上下黏贴在一起的铁垫板及弹条扣压件组成，利用橡胶压缩变形提供弹性。Z系列扣件将洛德扣件的橡胶硫化工艺改为组合式安装工艺，即橡胶垫板与铁垫板分开，可适时更换橡胶，铁垫板可重复利用。

图4轨道减震器扣件

（7）加强轨道的养护维修，控制轨道的不平顺。

钢轨波浪磨耗、高低不平顺、钢轨接头、轨距突变等是导致轮轨冲击振动和噪音的主要原因之一，减少轮轨作用的不平顺可以减小钢轨振动的加速度和频率，有效地降低振动和噪声、减小磨耗、增长轨道使用寿命。

2、车辆上的减振降噪措施。

（1）改善车身结构，根据空气动力学的理论，优化其流线型。

（2）进行车辆轻量化设计。减小车辆自重,从而减小轮轨间的相互作用力,降低噪声。

（3）改变车轮结构, 改变噪声的发射性能，降低轮轨噪声。

如把制动盘放在轮辐上来减少噪声的发射。

（4）在机车车辆上使用新型减振器。

如采用金属—橡胶复合把制动盘放在轮辐上来减少噪声的发射减振器，它不仅可以象钢弹簧一样通过弹性形变来吸收、储存冲击能量，而且还可以通过分子链相对运动而大幅度地消耗能量。

（5）采用弹性车轮、充气橡胶车轮、阻尼车轮及弹性踏面车轮等技术。

（6）采用隔音、吸音材料。

（7）采用磁悬浮技术。

磁悬浮技术排除了原来轮轨的粘着作用,使车体悬浮在导轨上面行驶,其速度快、振动小、噪声低。

3、传递、接收方面的减振降噪措施。

（1）采用铺设轻质吸声桥面和路面、在高架桥上安装吸声天棚，可以大大降低高架轨道振动的辐射噪声。

（2）设置声屏障也是降低高架轨道交通噪声的有效措施，根据降噪目标值的不同,可分别采用吸声式、隔声式或组合式;根据景观设计的需要,可设计成直立型、折角型、弧血型或全封闭型。传统的屏障材料有透明夹层复合安全玻璃、卡普隆板,不透明的彩色涂塑钢板、wsR型吸声板等等。声屏障的设置也与位置的选择有关，如：在线路两侧设置声屏障；在线路两侧大密度种植树木,形成树障,绿化减噪；设置车轮隔音罩和在车辆两侧设置下裙边；采用密封车体设计,减小噪声进入车内；在隧道内、车内以及声屏障靠近声源一侧采用吸音涂层,以减少声反射。设置生屏障的方法现以被广泛采用，但是其降噪效果需要考虑的影响因素较多，包括其结构形式、材料品质、安装质量及高度、设置位置范围、使用环境等，如何最大化提高声屏障的效用，是有待进一步研究的问题。

（3）在接收处，可在住宅、建筑处涂抹吸音材料，进行防振吸音处理。

4、其他措施

城市轨道交通的减振器降噪措施还有:高架桥梁采用叠层高阻尼橡胶支座或铅芯叠层橡胶支座,可以降低由梁体向墩台的振动传递;高架桥梁采用调频质量阻尼器可以减小梁体振动;采用隔振沟、消振壁、缓冲带和围栏桩,可以降低由隧道和高架桥梁墩台向地基的振动传递;采用超重型隧道结构,隧道越重,振动的辐射水平越低,增加隧道埋深;设置音屏墙;钢轨粘贴阻尼材料、隧道内壁粘贴吸声材料等。

合理规划设计轨道交通线路,充分考虑轨道交通噪声可能对沿线居民的影响,轨道交通道路建设要尽可能与居民住宅楼,居民小区保持合理的距离,实在无法避开时,建立绿化缓冲带。这样即能减轻轨道交通噪声对周围的影响,同时还改善轨道交通两侧的景观。在轨道交通两侧建筑要优先安排以商业等公福性的建筑物,使其成为住宅建筑前的防噪声屏障。对不得不在道路两侧的建造的住宅建筑。在轨道交通道路两侧的新建临街建筑安装隔声窗。由于轨道噪声主要通过门窗的传播途经进入建筑内部,所以在临街建筑设隔声窗可以较好地解决轨道交通噪声的传入问题。

四、城市轨道交通防振工程实例

北京地铁 5 号线灯市口站—东四站区间，测试运营地铁在浮置板轨道地段和普通整体道床地段的地面垂向振动加速度，并进行时域和 1 /3 倍频程频谱分析。分析结果表明:钢弹簧浮置板轨道对隧道正上方减振效果最好，在两侧，随着距离的增大减振效果逐步变小。钢弹簧浮置板轨道对 10 Hz 以内的振动成分没有作用，地面振动的能量主要分布在 10 ～ 20 Hz，钢弹簧浮置板轨道对此频域范围内的减振效果最好。

结论

轨道振动问题是城市轨道交通发展必须解决的问题， 由于引起振动的问题是多方面的，决定了它的控制措施也是多方面的。对于城市轨道交通产生的振动影响，应采取切实可行的控制标准来应对、治理。不仅要考虑合理有效的方法，也要考虑经济实用的方法。随着城市轨道交通的快速发展，环保的轨道交通运输这项研究势必将成为当代轨道交通建设一个新的发展方向。

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