摘　要:由于在岩质条件下,地铁埋置在刚度较大的岩层中,振动衰减较慢,振动影响较远,因此对轨道减振的研究显得至关重要.对目前国内外主要的减振轨道结构及其性能分别进行了分析研究,如科隆蛋减振扣件、Vanguard(先锋)扣件、弹性短枕整体道床、浮置板等4种类型,并在此基础上对这4种减振轨道结构进行了比选分析.结合青岛地铁工程实际,较详细分析了减振轨道结构各部件的减振性能,从而为在岩层地质条件下城市轨道交通减振轨道结构选型提供借鉴和参考.

关键词:岩层地铁;轨道交通;减振轨道;减振降噪;综合减振

 

      城市轨道交通凭借着全天候、运能大、速度快、安全好、能耗低、污染轻、占地少等优势在国内外得到了快速发展.轨道交通在城市区段多采用地铁形式,由于城市建筑较为密集,在穿越城市地下空间时,铁路线路不可避免地会经过居民住宅区、繁华商业区、文教卫生区,由其带来的环境振动、噪声等污染严重干扰了沿线居民的正常工作、学习和生活.城市地铁轨道减振在国外20世纪60年代开始就引起了重视,我国在轨道减振方面的研究起步比较晚,早期修建的城市地铁因在工程建设时忽视了振动问题,运营后改造困难,且浪费人力、物力、财力,干扰交通.我国绝大多数地铁是在土层条件下修建的,目前只有重庆和青岛是在大面积岩质条件下修建地铁,由于在岩质条件下,地铁埋置在刚度较大的岩层中,振动衰减较慢,振动影响较远,较同等条件下土层地铁须进行较高减振,并同时采取综合减振.

 

      在城市轨道交通中,轨道结构在引导列车安全运行、传递列车荷载、提供平顺运行线路等方面起着至关重要的作用.

      我国对环境振动公害的认识相对较晚,1988年才由国家环境保护局批准制定了《城市区域环境振动标准》(GB 10070—88)和《城市区域环境振动测量方法》(GB 10071—88).其中《城市区域环境振动标准》规定了城市各类区域的环境振动控制标准,见表1^[1].

      《地铁设计规范》^[2]在第6.5节中规定了在不同减振要求地段分别使用的三种不同的减振轨道结构,即一般减振轨道结构、较高减振轨道结构和特殊减振轨道结构.一般减振轨道结构可采用无缝线路、弹性分开式扣件和整体道床或碎石道床.在线路中心距离住宅区、宾馆、机关等建筑物小于20 m及穿越地段,宜采用较高减振的轨道结构,即在一般减振轨道结构的基础上,采用轨道减振器扣件或弹性短枕式整体道床或其他较高减振轨道结构型式.在线路中心距离医院、学校、音乐厅、精密仪器厂、文物保护和高级宾馆等建筑物小于20 m及穿越地段,宜采用特殊减振轨道结构,即在一般减振轨道结构的基础上,采用浮置板整体道床或其他特殊减振轨道结构型式.

      此外,若该项工程的《环境影响报告》得到国家相关部门审批后,还应满足《环境影响报告》的要求.

      设计时,减振轨道结构的振动质量、刚度和阻尼应要根据轨道动力学原理进行合理的匹配选择;所采用的减振材料耐久性要好,且易于更换;轨道结构应能够安装方便,同时便于施工维修;尽量使轨道各部件生产国产化,降低生产成本及维修等综合费用.

 

      目前,国内外的减振轨道结构主要有科隆蛋减振扣件、Vanguard(先锋)扣件、弹性短枕整体道床、浮置板等4种类型.

      采用适当的弹性扣件,在轨道交通减振中是最简单经济的一种方法,可以增加整体道床的弹性.在较高减振要求的地段常采用轨道减振器扣件,目前常用的有科隆蛋(可减少3~5 dB)、改进型的科隆蛋(可减少7~8 dB)和新型减振弹性扣件.

      科隆蛋减振扣件的减振元件是橡胶支座椭圆形硫化橡胶圈(见图1)^[3].橡胶为高分子聚合物,是一种黏弹性阻尼材料.从微观角度分析,它在承受周期变形时,橡胶高分子之间产生内摩擦,使一部分机械能转化为热能^[4]. 由于橡胶支座的高弹性缓冲减少了来自列车的动载作用;④又由于橡胶材料的应变滞后于应力,消耗了一部分振动能量,这样就减小了传到轨下基础土中的振动和噪声.该减振扣件适用于隧道内和高架桥上减振要求较高的地段.该隔振装置与弹性短轨枕式整体道床方案造价相当.

      传统扣件是扣紧钢轨轨脚,而Vanguard(先锋)扣件则通过弹性支撑件扣紧钢轨上部^[5].在载荷作用下,钢轨可在钢轨座下方间隙内向下变形,扣件弹性支撑组件横向扣压力将抑制钢轨的纵向移动.这种扣件系统可提供非常低的竖向刚度并能有效抑制钢轨的横向翻转,从而可以达到显著的减振效果.

      先锋扣件系统有2种基本的结构(见图2): 嵌入型,这种结构扣件的基板可以直接预埋在混凝土轨枕或轨枕块中;④底板型,这种结构的底板可以利用螺纹道钉、一般道钉或螺栓固定到轨枕上.嵌入式先锋扣件系统配置非常适用于扣件需要安装在混凝土轨枕或轨枕块之中的情形;底板型先锋扣件是在工程需要自带底板的扣件系统时所提供的,该底板可按要求通过道钉、螺栓或螺纹道钉固定在轨道基础上

      先锋扣件结构简单,易于安装,适用于各种轨道结构,尤其是需要阻止钢轨振动传递到周围环境的地段.

      弹性短枕整体道床又称弹性支承块轨道结构^[6],研究表明,就钢轨而言,弹性支承块轨道结构比非弹性支承块轨道结构降低等效噪声级约为2 dB(A).

      弹性短枕支承块式轨道是在双块式(或两个独立的短枕)的底部及周围设置橡胶套靴,块底和套靴间设置橡胶弹性垫层,在双块式轨枕周围及下部灌注混凝土而成的一种减振型轨道(见图3).它利用轨下垫板和枕下胶垫的双层弹性层来满足轨道结构弹性要求

      橡胶套靴还能提供横向和纵向弹性,可以较好地吸收轮轨产生的高频振动.块下橡胶垫板的作用主要是减振降噪,同时还可以提供短枕的抗扭能力.在不同环境中,块下橡胶垫板的支撑刚度应有所不同.

      浮置板轨道结构一般由钢筋混凝土浮置板、弹性支座、混凝土底座及配套扣件组成.该结构是用扣件把钢轨固定在钢筋混凝土浮置板上,浮置板置于可调的弹性支座上,浮置板两侧用弹性材料固定,形成一种质量-弹簧隔振系统.根据德国实测资料和中国铁道科学研究院的模型试验结果,减振效果可达20~50dB,缺点是造价较高.

      各国采用的浮置板轨道结构形式较多,大体可分为两类:橡胶支撑型和弹簧支承型(见图4)^[7].

      浮置板式轨道与弹性短枕式无碴轨道相比,造价较高,同时施工和维修都比较困难.橡胶支座用螺旋钢弹簧替代后,其施工和维修则相对简单.

      随着近年来轨道减振技术的发展,减振轨道结构种类也日益增多,减振效果也各有不同,减振的技术更趋于成熟,多朝着综合减振的方向发展.现将几种常用的轨道结构及其特征、减振效果和适用范围列于表2^[8-9].

      根据最新的《青岛市城市综合交通规划(2008—2020)》,青岛地铁一期工程(M3线)起点为青岛火车站,终点为青岛铁路北站,线路总长24.9 km,设22座车站,总投资约158亿元,计划于2014年底通车运营.

      青岛座落于大面积分布的燕山晚期花岗岩上,具有建设地铁的良好地质条件.青岛市地铁一期工程80%以上的线路处于花岗岩中,其余隧道处于第四系地层中.青岛市特有的花岗岩地质条件,使土建造价大大低于其他城市.表3为青岛市地铁一期工程M3线沿线工程地质概况^[10].

      青岛市轨道交通一期工程M3线是与M1线并行的,位于青岛城区中部的一条南北向骨干线路,将青岛火车站及中山路商贸圈、青岛市前海历史风貌保护区、青岛核心商务区、青岛中央商务区、四方东部商务区、黑龙江路现代服务业发展轴、李村商圈、青岛北站商务商贸区紧密联系起来,为沿线各重点功能区、综合交通枢纽及居住区之间提供方便快捷的交通衔接.

      由于M3号线穿越了多个商务区、机关、住宅等地段,需设置较高的减振措施;同时在线路附近的青岛市前海历史风貌保护区、医院、高级宾馆等区域需要设置特殊减振措施;其他地段可设置一般减振措施.

 

      青岛地铁一期工程大部分隧道围岩为花岗岩,少部分拱部处于第四系地层中.青岛花岗岩岩性单一,主体岩石为中生代燕山晚期花岗岩.由于地铁埋置在刚度较大的岩层中,振动衰减较慢,振动影响较远.因此,选择及研发减振效果较好的轨道结构显得尤为重要.

      从节约投资和环境要求角度考虑,地铁沿线地区应根据不同减振要求进行合理分类,进而采用相应的减振轨道.有特殊减振要求的区域:心脏病医院、文教区等,采用浮置板轨道;一般减振要求的区域:学校、居民区、商业区等,采用弹性支承块轨道.

      从减振效果角度考虑,宜铺设重型钢轨,不仅可以增大钢轨垂向抗弯刚度,还可以使列车振动沿线路方向得以广泛分散地传播.

      在保持原有扣件系统不变的条件下,降低垫层刚度和动静比来提高扣件系统的减振性能.新型高弹性垫层材料在韧性、弹性、抗冲击、耐蠕变、耐疲劳、耐磨耗、耐腐蚀及耐老化等方面都比原有的橡胶材料有很大的提高,尤其是高低温的弹性保持,这样可减少更换频率、便于更换及减少维修费用等^[11].在较高减振地段,可以在轨下、枕下及轨枕周围设置垫层,通过垫层的厚度来调节其刚度;在一般减振地段,可以只在轨下和枕下设置垫层(见图5).

      在一般减振地段可采用DT型、弹条型扣件;在较高减振地段可选用LORD扣件或Vanguard减振扣件.

      木枕刚度低,减振效果较好,但出于对耐久性及环保考虑,在现代城市地铁中采用减少.钢筋混凝土枕强度大,易保持轨道的平顺性,比较适合未来高速重载铁路的发展,但由于其抗冲击比较大,振动亦很大.研究新型复合材料轨枕使其同时具备两者的优点已成为当今世界共同研究的热点问题.

      复合材料轨枕以卓越的性能,已经在美国、巴西、澳大利亚等国得到了应用,并取得了良好的业绩.聚合体复合材料能够用于轨枕以取代传统的木头和混凝土制品(见图6)^[12].这种聚合体复合材料成分是从废弃垃圾及回收物中得到的聚烯烃、从废弃轮胎中得到的橡胶态聚合物和某些增强填料.这种填料可以有多种形状变化,以减轻复合材料的密度.聚合体复合材料轨枕能够抵抗昆虫、真菌、潮湿和恶劣环境的侵蚀,预期使用寿命在40年以上,减少更换次数,聚合体复合材料轨枕每年可节省48美元/km维修费,降低了成本.同时,稳定耐蚀的聚合体复合材料轨枕也为国家铁路安全运行提供了保证.可以尝试在青岛地铁工程中进行试铺运营

      道床分为碎石道床和整体道床.碎石道床虽整体弹性好,减振效果佳,但由于其污染大、易磨损、不易保持轨道几何平顺性,且若铺在隧道里势必增加建筑高度,因此,城市地铁宜采用整体道床结构.