地铁减振轨道建设和选型工作的探讨
2013-04-20 19:04
地铁减振轨道建设和选型工作的探讨
摘 要：根据哈尔滨地铁建设的实际经验，并结合我国近年来轨道隔振工程实践和相关规范修订工作中出现的新情况，对减振轨道选型、设计、建设工作进行反思。提出今后减振轨道选型、设计、建设的改进思路和方向，包括重视各种轨道减振措施对设计施工使用的特殊要求，重视其使用的可靠性，养护维修的便利性，并加强减振轨道现场测试工作。以大量的测试工作为基础，纠正现有使用和评价的误区，进而指导将来的选型和设计建设工作。
关键词：振动与波；地铁；减振轨道；建设；选型
近年来地铁建设速度大幅加快，修编后的哈尔滨轨道交通网络规划从原“四线一环”调整为“九线一环”，线路规模达到340 km。地铁路网的密集化使得地铁线路规划难以有效绕避人群聚集区等振动敏感点，下穿或抵近居民楼的线路日益增多，使得地铁工程的隔振处理需求、特别是高端隔振产品的需求量越来越大。与此同时，我国应用了20余年的振动控制标准《城市区域环境振动标准》以及《城市区域环境振动测量方法》正由有关单位进行修订，新标准在修订中重点针对了城市轨道交通这种新型振源，且随着新计权曲线的制定并投入应用，对于地铁振动控制的要求更为严格，特别是随着新标准的修订，城市轨道交通振动的超标比例将有所上升[1]。除此之外，我国部分新建成的地铁线路上减振轨道病害也日益突出，比如北京地铁新建线路的钢轨异常波磨等[3]。
面对减振轨道建设的新要求，本文结合哈尔滨减振轨道建设以来的各方面工作的反思以及对我国减振轨道近年来建设情况的调研和分析，对未来地铁减振轨道的建设和选型提出建议，完善减振轨道建设管理工作的流程，以减少冗余工作，提高建设效率，减少轨道病害的发生。
1 减振轨道建设工作反思
地铁轨道建设在地铁建设周期中仅早于动车调试和试运行，在受到前序工程建设情况影响的同时更面临着工期紧迫，而在轨道建设之中，建设远较普通整体道床施工复杂的高等减振和特殊减振轨道成为制约工期的关键工序，优化其流程，完善与各专业的接口工作尤为重要。
1..1 盾构误差的控制
在减振轨道的设计中，轨道结构高度一直是的主要约束条件之一，特别是对于钢弹簧浮置板这种特殊减振等级轨道来说，一方面浮置板地段轨道结构高度相对较高，另一方面一旦盾构误差过大，会导致浮置板厚度减少、或隔振器需挪至钢轨下，甚至极端条件下需更改设计无法布设减振轨道。浮置板厚度减小会影响浮置板轨道的减振效果和车辆运行的平稳性，隔振器挪至钢轨下方为将来检修带来极大不便，而取消 浮置板设计则会影响减振效果。因此浮置板地段的盾构施工特别重要。
针对这一情况，建议与土建施工单位提前进行沟通，将减振地段的提前要求提前通知，加强减振地段土建施工误差控制，或者在浮置板地段两端盾构施工提前下移所需高度，使得普通整体道床地段水沟深度与浮置板地段水沟深度相接。
1..2 土建实测数据对减振轨道设计的指导
在地铁建设中，由于工期限制，土建贯通与轨道建设连接紧密，留给轨道设计的时间很短，为了保证建设，设计工作往往于土建贯通测量前开始进行，然而对于减振轨道结构，特别是高等级以上减振结构来说，其设计具有针对性，无论是轨道形式还是减振产品的设计，与具体的土建实施情况息息相关。土建建设误差，尤其是盾构施工误差，往往导致减振轨道设计的大量重复修改，为设计工作带来冗余工作的同时，也不利于供货方的组织安排，反而容易对工期造成影响。
考虑到上述影响，在隧道贯通以后，宜迅速组织测量单位进场，准确测量后迅速将测量结果反馈至设计单位，迅速开展轨道设计和减振产品设计。针对盾构超差过多的地段进行调线调坡处理，尽可能满足原始减振设计需要。
1..3 轨道建设各参与方加强协调工作
减振轨道的设计与施工较整体道床而言多有特别之处，而这些特别之处又往往与轨道减振产品的减振原理和具体结构形式息息相关。因此在设计施工之初，业主单位宜组织设计、施工、监理和减振产品供货单位建立有针对性的协调沟通机制，对设计与施工的特殊点和关键工序进行明确，监理单位加强对这些工序的检测，并对供货方的施工配合提出具体要求。比如施工单位宜尽早提供轨道施工龙门吊的宽度和吊装重量，以方便设计单位在对浮置板吊装一体化施工段进行具体轨道设计；信号设备供货商在设计之前提供信号设备安装要求，以便设计预留，防止对已施工道床的改造；监理单位对于需设置倒三角的浮置板轨道地段，着重检查倒三角侧边垂直度以及所设置的模板底部是否完全达到浮置板底部。
1..4 对减振地段过轨管线的要求
地铁建设作为大型系统性工程，管线布置复杂，涉及通信、供电、消防、信号等多个专业。在具体设计施工中，常出现过轨管线，对于整体道床来讲，过轨管线满足相关要求即可；但对减振轨道来说，过轨管线的设置则有很多不利条件。浮置道床减振轨道，多通过弹性材料支撑道床，减少振动的传递，板载过轨管线要较其他路段承受更多的振动荷载和位移，对于管线安全影响很大，故对管线本身的强度、寿命提出了更高的要求。为尽可能避免对板载过轨管线安全的不利影响，针对不同的减振轨道，过轨管线应采用不同的形式。比如，梯形轨枕（纵向轨枕）轨道可于轨枕下过轨，但需要根据具体轨道设计可确定临界管线尺寸，不得影响轨道的安全和减振性能；钢弹簧浮置板作为特殊减振措施，道床振幅较大，在设计之中应尽量不在浮置板段布设过轨管线，宜进行绕避或在土建结构中预留过轨条件。如必须板载过轨，也应控制过轨管线的直径和单块板上布设过轨管线的数量，并结合基底过轨和板缝过轨方案进行具体设计。
在建设初期，结合环评报告对消防、信号等专业提出具体要求，尽可能减少减振轨道过轨施工，对必需进行过轨施工的应在设计中预留条件，以保证减振区具有较好的减振性能。
1.5 短轨枕设计的必要性
浮置板地段轨底净空高度、轨底坡的设置等，是日常运营维护的重要保障条件。通常将轨底净空高度加大到70 mm，不仅可以更好的保证轨系绝缘、预防杂散电流带来的相关病害，也更方便日常维护保养。
为确保提升轨底净空高度后的浮置道床施工质量，避免扣件下方混凝土平整度不良和空鼓，同时避免在道床上预埋的尼龙套管在混凝土振捣时发生位置及角度偏差以及被钢筋扎破等缺陷，在扣件部位采用预制短轨枕或薄型短轨枕的技术应运而生，并日益普及。
2 对减振轨道性能评价和选型的建议
2.1 统一减振轨道的评价标准
现有各种轨道减振产品标称减振效果的标准化程度较低、可比性较差。首先，测试标准不统一：现行公布的减振量，有室内测试值、落轴试验测试值、实测地表减振测试值等，且减振量或为计权减振效果，或为非计权减振效果，而且其减振评价频段也要加以明确；其次，已公布减振效果大多测试工况未知，测试时的线路情况、车辆运行速度、隧道埋深和沿线地质情况缺少统一的评价；再次，测试数据缺乏大规模测试基础，不具备明确的指导意义；最后，关于不同减振产品的性能划分目前还不具备统一的标准，对于某种措施是主要起到隔振作用还是减振降噪作用并无明确的划分，对于各种措施的有效隔振频率尚无确切说明。
建议环保及其他有关部门统一协商，明确对应Z 振级的测试标准，由权威部门进行大规模测试，明确各种减振产品的划分和性能指标，为将来的减振轨道选型奠定一致基础。
2.2 施工完成后的减振轨道性能测试
在轨道施工完成后，宜根据确定统一的测试评价标准，于试运行期间组织对减振轨道的减振性能测试，对不同种类减振轨道的减振效果进行对比，并对同一种减振轨道在不同地段，不同运行速度的减振效果进行对比。
应用这些测试结果，可以真实了解各种减振轨道应用于不同工况时的实际减振效果，并可以切实评价减振轨道是否达到了设计减振性能要求，以此为基础修正对于减振措施能力的认识误区并以此指导今后的减振轨道设计和选型工作。
在隔振性能测试的同时，进一步测试不同减振轨道的振动特性，可总结规律，以避免轨道振动引起相关病害，比如钢轨波磨、轨面塌陷等。
2.3 减振轨道选型时对养护维修便利性的考量
轨道施工的最终目的是为了将来的顺利运营，在减振轨道选型时，必须考虑轨道结构养护维修的便利性。减振轨道结构形式区别于整体道床结构，现有地铁养护维修规程中对此考虑并不十分完善，因此在线路开通前，应结合线路建设中的减振轨道制定具有针对性的养护维修规范，比如在减振道床地段不宜在道床上预留除钢轨外的备品备件等。
地铁作为百年工程，地铁轨道的使用寿命在设计时已有所考虑，但对于轨道设计中使用的各部件，均应考虑其意外失效带来的不利影响，对此，要求在减振轨道设置时，每一部件均应易于检查其是否失效，对于失效部件，均可在不影响正常运营的前提下迅速更换。比如钢弹簧浮置板轨道及时在隧道施工有一定偏差的情况下，隔振器也应尽量避免安置在钢轨下方；弹性轨枕或减振垫浮置板轨道的橡胶垫在满足相应标准的前提下，也应考虑在短暂天窗时间内更换的特定工法。
2.4 控制每条线路轨道减振产品数量
减振轨道通过主动隔振思想减少地铁振动向外界的传播，不同减振轨道在不同程度上减小了轨道结构的刚度，对整个轨道的刚度均匀性有一定影响，如果在环评和轨道设计中，对于减振等级和路段过于细化，会造成全线弹性不连续，对列车运行的平稳性有影响。同时，由于结构本身性质决定，不同轨道结构具有不同的固有频率，过多的固有频率的产生，为车辆-轨道系统的动力性能控制带来很大难度，同时过多的固有频率也容易导致轨道病害的发生。因此在轨道减振措施选型时，针对同一减振级别宜采用一种减振措施，整条轨道的减振措施最好控制在3种左右，且在地下段基础减振轨道不能达到一般环境要求时，应采用枕下或道床板下减振方式，以提高参振质量为主，不应一味追求降低扣件刚度来解决问题。
2.5 减振轨道设计长度的影响
在早期的环评报告中，敏感点振动防止措施提出的减振轨道设置长度常出现几十米左右的长度，而对于地铁来讲，B 6列车长度通常在120 m左右，如果考虑隧道结构振动辐射作用，过短的减振轨道难以起到应有的结果，应根据具体情况选择适当的减振轨道长度。
在北京市2012年4月1日实施的《地铁噪声与振动控制规范》中规定[4]：减振措施长度应根据列车通过时段最大Z振级预测结果进行设计，其长度应根据受保护目标几何范围、受振动影响范围、减振要求和两种减振措施平滑过渡段的振级线性变化规律进行设计确定，保护目标的附加长度应至少沿轨道方向各外延一列车长。不过该标准并未考虑隧道结构在不同埋深、不同性质土层振动传递性能的变化，在将来的研究和设计中应对此加以具体分析。
2.6 减振轨道性能评价体系的建立
减振轨道性能评价应包括两部分，一是减振轨道的减振性能，二是减振轨道的实际使用性能。
减振性能的评价宜根据试运行期间进行的减振性能测试来确定，切实描述不同减振轨道结构在不同荷载、速度和线路条件下的减振效果。
减振轨道的实际使用性能宜根据运营后的运营情况来确定，根据使用情况总结在减振轨道选型中的可取之处和不足，为之后的工作提供依据。众所周知，减振对轨道的稳定性有所削弱，特别是扣件类减振方式对于轨道稳定性影响较大，在评价减振轨道实际使用性能时就应根据实际运营养护情况确定各种减振方式的适宜工况条件，而对于稳定性影响较大的工况，在将来的设计中应慎用。同样的，总结在养护维修中病害频出的减振轨道结构形式，分析病害原因，在治理病害的同时也为将来的减振轨道选型和具体设计提出要求，不致“重蹈覆辙”。
2.7 新型减振产品的应用
随着近年来全国地铁建设速度的加快，一些新技术和新产品以及改良产品在缺乏充分的前期试验和必要的论证工作即进行了试验性的铺设，由于其试验工况的不完备以及生产工艺的不完善，在大量实际工程应用中出现了一定问题，轨道病害频发，为正常运营和养护维修工作带来了很大压力。
地铁工程作为百年工程，其高运行频率和短维修时间等特点，对产品性能提出很高的要求，地铁工程不宜作为“新产品试验段”存在。在国内尚无明确统一的新技术、新产品、改良产品的准入机制的现在，对于新技术、新产品和改良产品的应用应该谨慎小心，对于其试验工况、产品性能和工艺工法的评价检验应更加严格，切实确保其试验工况和使用工况的对应，尽可能避免不成熟的产品技术所带来风险。
同时，急需权威部门制定关于新产品，新技术的准入程序和标准的规定以及对于改良产品的要求，在规避风险的同时，使得真正有价值的新产品和新技术得到切实的应用。
3 结 语
1）建议从建设时起注重不同减振轨道对于设计、施工的特殊需求，将其置于整个地铁建设系统中着重考虑减振轨道设计建设与其他专业的接口配合，在设计之初就应加强各参与方、各专业协调，尽量减少、最好消除减振地段的过轨管线，加强减振地段隧道盾构施工精度，确保土建实测数据对设计工作的及时指导，以减少重复设计和对已施工部分的改造，保证施工质量和工期要求。
2）从减振轨道选型到设计施工，建议始终重视产品对运营养护维修的考虑，在满足使用安全可靠要求的前提下，尽可能选用养护维修便利的轨道结构形式。除此以外，选型时着重考虑应用成熟的产品，对于新产品新技术和改良产品要经过全面的实验和论证，谨慎产品进场，减小运营过程中不可控风险。
3）重视减振轨道现场测试工作，以大量广泛的测试工作为基础，深入了解各种减振轨道的实际性能和工作效果，以建立减振轨道性能评价体系。在用以指导将来的选型、设计和使用的同时，纠正现今各种轨道减振产品的性能误区，并为实现减振轨道评价、设计和使用的标准化奠定基础。
参考文献：
[1] 《环境振动标准》编制组《.环境振动标准》编制说明[R].2010.
[2] GB 50157-2003，地铁设计规范[S].
[3] 任 静，孙京健，等. 从钢轨异常波磨研究反思地铁设计[J]. 都市快轨交通.2011，24（3）：2-5.
[4] DB11-T 838-2011，地铁噪声与振动控制规范[S].
[5] 哈尔滨市轨道交通一期工程环境影响报告书[R]. 黑龙江省环境科学研究院，2005.
