北京城市鐵路振動(dòng)與噪聲控制對(duì)策

【摘要】介紹國(guó)內(nèi)外城市軌道交通振動(dòng)和噪聲控制的現(xiàn)狀和發(fā)展,以及北京城鐵建設(shè)中減振降噪技術(shù)的
決策和實(shí)施。
【關(guān)鍵詞】城市鐵路　噪聲　振動(dòng)　控制對(duì)策
1 　減振降噪措施在城鐵建設(shè)中的意義
城市鐵路作為城市快速軌道交通,極大地方便了城市人口的出行,提高了人們居家擇業(yè)的機(jī)動(dòng)性,利于城市的環(huán)保。但城市鐵路也給城市環(huán)境帶來(lái)了諸如噪聲、振動(dòng)、電磁輻射、景觀等方面的負(fù)面影響,其中以噪聲和振動(dòng)對(duì)沿線環(huán)境的影響最為突出。
對(duì)于城市軌道交通噪聲與振動(dòng)及其控制,在設(shè)計(jì)階段,首先要根據(jù)環(huán)評(píng)報(bào)告對(duì)沿線振動(dòng)與噪聲的超標(biāo)狀況進(jìn)行預(yù)測(cè),然后逐段落實(shí)設(shè)計(jì)方案;在線路施工設(shè)計(jì)階段,要采用經(jīng)濟(jì)合理和技術(shù)可行的減振降噪措施, 確保在線路開通后取得良好的減振降噪效果。
2 　國(guó)內(nèi)外減振降噪技術(shù)簡(jiǎn)介
2.1 　國(guó)內(nèi)外常用的幾種減振技術(shù)
從20 世紀(jì)60 年代開始,用橡膠墊板作為軌道的彈性減振連接件,幾十年來(lái)一直在優(yōu)化和改進(jìn)之中;科隆地鐵采用特殊形式的軌道減振器,亦即科隆蛋,取得了較好的隔振效果,一般可以取得5～7 dB 的隔振效果;新進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)的洛德(Lord) 扣件為膠結(jié)墊板,隔振效果與科隆蛋相當(dāng);彈性支承塊(彈性套靴) 經(jīng)濟(jì)實(shí)用,隔振效果好,也可以達(dá)到5～8 dB 的隔振效果; 奧地利Getzner 公司針對(duì)高速鐵路碎石道床和混凝土枕磨損較快、振動(dòng)加劇這一問題,開發(fā)了澆注在枕木下的發(fā)泡聚胺酯枕木墊,取得了明顯的效果,隔振效果可達(dá)到5～10 dB 。
對(duì)于隔振要求10 dB 以上的區(qū)段,一般要采用道床下隔振措施。碎石道床隔振主要采用整體彈性道碴墊,如橡膠墊(發(fā)泡或開槽,也有用再生橡膠) 和發(fā)泡聚氨酯墊;整體道床隔振也稱為浮置板隔振,按彈性材料的結(jié)構(gòu)形式分為面支承、線支承和離散支承三種,其中離散支承效果最好。彈性材料用橡膠的一般稱為橡膠浮置板,用鋼彈簧的則稱為鋼彈簧浮置板。鋼彈簧浮置板一般采用離散支承。
橡膠浮置板的隔振效果好于軌下和枕下隔振系統(tǒng),目前影響其推廣的主要問題是橡膠易老化和不易檢修更換,以及運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)隔振地段車內(nèi)振動(dòng)噪聲明顯加劇、輪軌摩擦聲加劇;鋼彈簧浮置板由鋼彈簧和粘滯阻尼組成,隔振效果高于其它隔振方法,適用于線路從建筑物下面或附近通過并且建筑隔振要求較高的場(chǎng)合,如音樂廳、歌劇院、醫(yī)院、會(huì)議中心、博物館、高檔住宅和旅館等。鋼彈簧浮置板壽命長(zhǎng),不需特殊維護(hù)和保養(yǎng),檢修或更換彈簧十分方便,利用專用工具2 個(gè)人就可完成,不用拆卸鋼軌,不干擾行車,行車平穩(wěn)性較好。
隔振方面的工程實(shí)踐在我國(guó)開展得較晚,我國(guó)香港地鐵、上海地鐵、廣州地鐵、洛陽(yáng)伊河大橋、濟(jì)南鐵路橋、廣深線石龍鎮(zhèn)鐵路橋、秦嶺特長(zhǎng)隧道都采用了減振措施。如上海地鐵應(yīng)用科隆蛋隔振技術(shù),廣州地鐵應(yīng)用橡膠浮置板,北京地鐵應(yīng)用了套靴隔振,國(guó)鐵秦嶺隧道(1814 km) 采用彈性支承式軌枕無(wú)碴軌道結(jié)構(gòu)。深圳地鐵一號(hào)線在穿越市政府段采用秦嶺隧道隔振方案,并委托鐵道科學(xué)研究院做了實(shí)尺模型剛度試驗(yàn)、落錘沖擊隔振效果試驗(yàn)和隔振器疲勞試驗(yàn),其中落錘沖擊試驗(yàn)隔振效果平均在40 dB 以上,隔振器通過了300 萬(wàn)次疲勞試驗(yàn)。北京地鐵建設(shè)一直非常重視地鐵減振技術(shù),北京地鐵環(huán)線在東四十條站鋪設(shè)了彈性套靴整體道床結(jié)構(gòu)(經(jīng)30 多年運(yùn)行,減振效果顯著),在四惠車輛段的試車線上采用了地面線道碴墊減振技術(shù)。
2.2 　噪聲控制措施及應(yīng)用
噪聲的預(yù)測(cè)和聲屏障的設(shè)計(jì)已有完善的理論和工程實(shí)踐,隔聲屏形狀和吸聲材料的新發(fā)展使噪聲控制技術(shù)不斷完善。聲屏障技術(shù)首先在公路建設(shè)中得到應(yīng)用和推廣,隨后應(yīng)用到城市軌道線路。許多國(guó)家無(wú)論高速公路還是城市鐵路沿線到處可以見到形式各異的聲屏障,在聲屏障的研究和工程建設(shè)方面積累了一整套成熟的理論和成功的經(jīng)驗(yàn)。如新加坡在4418 km 高架線路兩側(cè)全部設(shè)置了高017 m 、厚0108 m 的隔聲式混凝土聲屏障,而且聲屏障設(shè)計(jì)與橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同步進(jìn)行。
3 　北京城鐵減振降噪措施的決策與實(shí)施
為了盡可能減小振動(dòng)噪聲對(duì)北京城鐵沿線的影響,提高城鐵及沿線的綜合環(huán)保水平,北京城市鐵路股份有限公司在城市鐵路的設(shè)計(jì)任務(wù)書中,明確要求軌道設(shè)計(jì)要提高軌道彈性、擴(kuò)大無(wú)縫線路的鋪設(shè)范圍、采取有效的減振降噪措施,減少列車振動(dòng)對(duì)沿線的影響。根據(jù)北京城鐵的橋梁結(jié)構(gòu)、軌道結(jié)構(gòu)、車輛選型和運(yùn)行特點(diǎn),以環(huán)境影響評(píng)價(jià)報(bào)告書為依據(jù),結(jié)合沿線環(huán)境敏感點(diǎn)的實(shí)際情況,對(duì)城市鐵路軌道沿線采取了不同的減振降噪措施,以使沿線環(huán)境敏感點(diǎn)達(dá)到國(guó)家環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)和環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的要求。
北京城鐵將全線的減振劃分成三級(jí),預(yù)測(cè)未超標(biāo)地段為一般減振地段,預(yù)測(cè)振動(dòng)超標(biāo)地段為較高減振地段,對(duì)振動(dòng)、噪音和固體聲的控制要求極高的地段為特殊減振地段,各地段采用不同的減振措施,使軌道部件配置合理,達(dá)到分級(jí)減振的目的。
3.1 　在軌道設(shè)計(jì)中全線采取的主要減振措施
(1) 北京城鐵采用了新線一次性鋪設(shè)無(wú)縫線路,實(shí)現(xiàn)了地面線軌道鋪設(shè)技術(shù)的突破,消滅了鋼軌接頭,減少了振動(dòng)源。
(2) 提高施工與養(yǎng)護(hù)維修精度。鋼軌打磨、車輪鏇圓,使輪軌接觸良好,減少了輪軌沖擊;小半徑曲線鋼軌涂油,既減輕了鋼軌磨耗,又降低了噪音。
(3) 整體道床地段采用設(shè)有雙彈性墊層的彈性分開式扣件并實(shí)現(xiàn)了道岔扣件的全彈性化。

3.2 　減振要求較高地段的減振方案 采用D Ⅰ軌道減振器扣件
D Ⅰ軌道減振器扣件為彈性分開式無(wú)擋肩扣件, 承軌板、底座與橡膠圈硫化為一整體,較充分地利用了橡膠的剪切變形,動(dòng)彈性好,扣壓件、軌距墊、軌下橡膠墊板及與軌枕的聯(lián)結(jié)方式同DT Ⅵ型扣件,較DT Ⅲ型扣件振動(dòng)加速度函數(shù)值減少10～20 dB 。上海地鐵一、二號(hào)線和廣州地鐵一號(hào)線在減振要求較高的地段均鋪設(shè)了這種扣件。現(xiàn)場(chǎng)減振測(cè)試結(jié)果表明,D Ⅰ軌道減振器扣件較DT Ⅲ型扣件振動(dòng)級(jí)減少4～5 dB ,達(dá)到了國(guó)家環(huán)境保護(hù)控制標(biāo)準(zhǔn)要求,經(jīng)多年運(yùn)營(yíng)使用,技術(shù)狀態(tài)良好。
3.3 　北京城鐵重點(diǎn)減振地段的減振方案
在西直門車站、指揮中心穿過高架橋地段以及和平里居民塔樓地段,采取了特殊隔振措施。
3.3.1 　西直門交通樞紐高架車站北京西直門交通樞紐位于繁華的北京二環(huán)西北角西直門地區(qū)中心,是我國(guó)正在建設(shè)的第一個(gè)集公交、國(guó)鐵、環(huán)線地鐵、水運(yùn)站于一體的交通樞紐,緊鄰城鐵西直門站西側(cè)是三棟已立項(xiàng)開發(fā)的高檔寫字樓,東側(cè)是改建的國(guó)鐵北京北站,周圍是公交站點(diǎn);還有環(huán)線地鐵站,城鐵西直門站為高架三層框架鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),站臺(tái)設(shè)在第三層,除兩條正線外還有一條存車線,城鐵車站結(jié)構(gòu)與相鄰的華融公司開發(fā)的寫字樓的地下結(jié)構(gòu)連通為一體,地下為超市及停車場(chǎng)。
就對(duì)城鐵的減振要求而言,目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)規(guī)范要求,然而為了迎接奧運(yùn)會(huì),體現(xiàn)綠色奧運(yùn)精神,應(yīng)盡可能減小城鐵對(duì)交通樞紐和周邊寫字樓的振動(dòng)和噪聲影響。城鐵公司和華融公司按照首規(guī)委文件精神,進(jìn)行了多次磋商,并組織設(shè)計(jì)院、有關(guān)專家和隔振廠家進(jìn)行多次技術(shù)交流和專家論證,從設(shè)計(jì)院提出的多種備選方案中,確定了鋼彈簧浮置板隔振技術(shù)方案。鋼彈簧浮置板隔振系統(tǒng)是將軌道固定在鋼筋混凝土質(zhì)量平臺(tái)上,平臺(tái)再放在主要由柔性彈簧組成的隔振器上,這個(gè)質(zhì)量平臺(tái)可以提供足夠的慣性質(zhì)量來(lái)抵消車輛產(chǎn)生的動(dòng)荷載,只有靜荷載和少量殘余動(dòng)荷載會(huì)通過彈簧傳到基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上。鋼彈簧浮置板隔振系統(tǒng)的隔振效果為20～25 dB ,同時(shí)可消除固體聲,隔振系統(tǒng)固有頻率約5 ～7 Hz ,其彈簧鋼的疲勞壽命長(zhǎng),很容易更換,不影響行車。這種結(jié)構(gòu)雖然在德國(guó)、英國(guó)、巴西有過成功的應(yīng)用實(shí)例,但國(guó)內(nèi)至今尚未使用。
3.3.2 　西直門交通樞紐北京城鐵指揮中心高架橋
高架橋緊接西直門車站,是三跨總長(zhǎng)75 m 的混凝土預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁,橋梁從城鐵指揮中心穿過,共三條線,指揮中心內(nèi)部既有指揮調(diào)度的工作人員,又有大量敏感的電子設(shè)備,是城鐵的神經(jīng)中樞,降低此處的振動(dòng)和噪聲,對(duì)于保證重要敏感設(shè)備的可靠運(yùn)轉(zhuǎn)和城鐵的正常安全運(yùn)行至關(guān)重要。為此,采取了橋梁和指揮中心分離的措施,使橋梁的振動(dòng)和動(dòng)載不直接傳到指揮中心。另外,為了確保指揮中心的振動(dòng)和固體聲不超標(biāo),橋上采用了類似于減振支座的隔振方案。
2001 年8 月,北京城鐵公司邀請(qǐng)了包括橋梁、抗震、振動(dòng)、動(dòng)力仿真分析等領(lǐng)域的十幾位國(guó)內(nèi)相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域的專家,對(duì)該項(xiàng)隔振技術(shù)的初步設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了評(píng)審,隔而固公司的外國(guó)專家也參與了論證,結(jié)論是該方案理論上可行,在國(guó)外有類似成功的工程實(shí)例,但鑒于該方案的技術(shù)復(fù)雜性,建議補(bǔ)充動(dòng)力仿真計(jì)算,對(duì)行車安全和抗震安全進(jìn)行分析。2002 年9 月27 日,各與會(huì)專家又對(duì)動(dòng)力仿真分析的結(jié)果和方案進(jìn)行了評(píng)審, 肯定了該方案的安全性。
3.3.3 　和平里居民樓北京城鐵在和平里附近從兩座居民塔樓中間的地下穿過,隧道外壁離居民樓的基礎(chǔ)只有半米,根據(jù)國(guó)內(nèi)外類似情況估算,即使此處采用減振要求較高地段的減振方案(D Ⅰ軌道減振器扣件方案),仍不能確保居民樓內(nèi)振動(dòng)達(dá)到GB10070 規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn),夜間可能會(huì)超標(biāo)4～6 dB 以上,且會(huì)有殘留固體聲,屬于隔振要求較高的地段,因此也采用了鋼彈簧浮置板。特別是此處為地下隧道,采用隔而固公司的內(nèi)置式鋼彈簧阻尼隔振器,其中浮置板可以現(xiàn)澆,隔振器可以從浮置板頂面進(jìn)行安裝或檢修,既安全方便,又不影響運(yùn)營(yíng)。
3.4 　北京城鐵噪聲控制措施北京城鐵是北京第一條大規(guī)模采用地面線的城市鐵路,且城區(qū)部分沿線路段的噪聲敏感點(diǎn)比較多,如西直門——知春路地段、和平里 東直門地段等。為確保北京城鐵全線的降噪控制效果,北京城鐵設(shè)計(jì)增加了全線聲屏障,并組織專家對(duì)噪聲控制方案進(jìn)行了評(píng)審。
為使噪聲控制做到技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理,北京城鐵吸收了國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的技術(shù),在聲屏障的結(jié)構(gòu)形式和材質(zhì)等方面進(jìn)行了重點(diǎn)研究,按噪聲敏感地帶與線路的實(shí)際關(guān)系及隔聲要求,將全線的聲屏障設(shè)計(jì)為三種形式,即全封閉式、半封閉式和直立式。
聲屏障的吸聲部分為HA2S 形吸聲板或波浪吸聲板,透明部分為夾膠玻璃或耐力板,波浪吸聲板內(nèi)部吸聲材料采用無(wú)堿增水玻璃布包裹離心玻璃棉,隔聲指數(shù)STC ≥30 ;夾膠玻璃結(jié)構(gòu)的兩外側(cè)玻璃厚5 mm ,中間為0176 mm 厚的膠膜,隔聲指數(shù)STC ≥30 ;耐力板采用透明耐光板,隔聲指數(shù)STC ≥25 。全線共設(shè)置單側(cè)聲屏障614 km ,全封閉聲屏障756 m ,總計(jì)43 249 m2 。
4 　小結(jié)
北京城市軌道交通減振降噪問題,在環(huán)評(píng)階段就進(jìn)行了充分考慮,設(shè)計(jì)階段精心比選各種方案,大膽采用國(guó)際先進(jìn)技術(shù),使北京城市鐵路減振降噪的效果達(dá)到了綠色環(huán)保的要求。