钢弹簧浮置板隔振道床在北京城铁敏感路段的应用
摘 要：城市轨道交通的减振降噪问题已经提上议事日程,受到各方面的关注。文章不仅介绍了道床减振的原理和轨下、枕下、道床下隔振的不同方法,而且还具体介绍了钢弹簧浮置板(道床下隔振) 技术在北京城铁敏感地段的实际应用及其减振效果。
关键词：轨道交通 减振降噪 钢弹簧浮置板 隔振道床
1 概况
北京城市铁路(西直门—东直门) 为北京首条以高架和地面线为主的城市轨道交通线路,在东直门车站一带为地下线。在东直门附近某居民区,线路从两居民塔楼中间地下穿过, 隧道外边缘距塔楼基础只有117 m 左右,属于隔振要求很高的路段。若不采取特殊隔振措施,居民楼内的环境振动将会严重超标,给居民生活造成不良影响。根据市领导“以人为本”的指示精神,城铁公司和北京市城建设计研究院为保护环境, 确保居民塔楼内环境振动达到国家标准,经过方案比选及专家论证,决定在此路段采用钢弹簧浮置板隔振技术。
2 道床隔振基本原理
传统的城市轨道交通结构对附近地面建筑物产生较大的振动和噪声影响(图1) 。振动和噪声主要由于轨道的不平顺和轮轨间相对运动而产生,其中噪声通过空气介质传播到建筑物中(一次噪声),而振动则通过在本道岔研究设计时,力求减少今后的养护维修量和提高安全性能,采用了一些诸如精密铸造铁座、铁垫板螺栓防转孔等结构,给道岔的制造增加了一定的难度。经过工厂的制造工艺攻关,顺利地实现了设计意图。为确保道岔运至城铁工地后的顺利铺设,分别在工厂对第一组单开道岔和交叉渡线进行了试组装。组装工序进行顺利,这也是对道岔的研究设计和制造的一次有效的验证。
2001年7月31日和9 月26 日,业主组织设计监理、施工监理、施工等单位,分别对单开道岔和交叉渡线进行了厂内试铺验收。过轨道结构—道床—隧道壁(或桥墩) —地基传到建筑物上,再通过建筑物结构本身的耦合放大(通常是放大) 而激发出楼板的低频振动,振动源中没有衰减掉的高频成分(20～500 Hz) 则通过墙壁和地板、天花板发出结构声(二次噪声) 。这种振动和噪声都会对人造成不良影响。
城市轨道交通的减振降噪问题是从20 世纪60 年代才开始引起人们重视的。各国地铁根据自身的特点研究出了不同的减振降噪方法。针对噪声(一次噪声) 的措施主要是改善轮轨接触的平顺性,这是治本治源的措施(也有利于减振),或者加装隔声吸声屏。针对振动和固体声的措施都基于隔振原理,即在轨道—轨枕—道床—结构—地基—建筑物这一振动传播链中间某一环节加入弹性和阻尼介质,降低系统固有频率,从而对固有频率114 倍以上的频率实现隔离和吸收(高频滤波),振动没有了,结构噪声也就不会产生。按照各种措施介入的不同环节,分为轨下隔振、枕下隔振、道床下隔振3 个层次(图2) 。
根据隔振原理和结构动力学,隔振系统的参振质量越大,弹性越高,隔振效果越好。从轨道结构来看, 隔振节点离钢轨越远,弹性可以越大,参振质量可以越大,固有频率和隔振频率范围可以越低,隔振效果越好。然而刚度和质量在不同的节点都有一定的客观制约范围,不能随意扩大或减小。如在轨下,任意增大垫板弹性会造成钢轨变形和位移过大,影响行车安全。
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| 图1 城市轨道交通噪声振动的产生和传播 |
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| 图2 轨下、枕下、道床下隔振措施 |
3 各种道床隔振技术及其性能比较
3.1 轨下弹性垫板
轨下弹性垫板是最基本的减振措施,用橡胶和其他高分子材料制成的各类弹性垫板几十年来一直在优化和改进之中。科隆蛋是常见的较好隔振措施之一, 最早应用在科隆地铁,在我国上海地铁等地也有应用, 一般可以取得隔振5～8 dB 的效果。它是将椭圆锥形内圈(与钢轨相联) 和外圈(与道床相联) 用橡胶胶结在一起,利用橡胶的剪切变形取得较高的弹性。其缺点是横向刚度较低,不适于曲线段,如橡胶工艺不严格容易造成橡胶圈脱落而失效。
3.2 弹性支承块
弹性支承块(弹性套靴) 经济实用,可以达到隔振5～10 dB 的效果,在北京地铁等地得到使用。套靴的横向刚度较科隆蛋好,因套靴四周侧面刚度较大,能提供较好的横向约束,而在垂向可采用不同刚度的弹性垫板提供垂向弹性。主要的问题是套靴侧面磨损后, 横向刚度会降低。
3.3 整体弹性道碴垫
对于隔振要求大于10～15 dB 的场合,一般需要在道床下采取隔振措施。碎石道床和整体道床下的隔振措施有所不同。碎石道床一般采用整体弹性道碴垫,如橡胶垫(发泡、开槽胶垫,或再生橡胶) 和发泡聚氨酯弹性垫。发泡聚氨酯弹性碎石道碴垫比橡胶垫弹性高、寿命长,隔振效果可达10～16 dB , 对地面线碎石道床隔振是一种性能、价格比很好的技术。
3.4 浮置板道床
如果将整体道床与基础结构分离,做成具有足够刚度和质量的道床板,再浮置于弹性元件上,即构成浮置板道床。浮置板可以提供足够的惯性质量来抵消车辆产生的动荷载,只有静荷载和少量残余动荷载会通过弹性元件传到基础结构上。其弹性元件有面支承、线支承和分布支承3 种形式,其中分布支承效果最好。采用橡胶的称橡胶浮置板,采用螺旋钢弹簧(一般采用分布支承) 的称钢弹簧浮置板。
橡胶浮置板在新加坡、香港和广州地铁中得到应用,其隔振效果好于科隆蛋和弹性套靴,但存在以下问题影响其进一步推广: ① 橡胶易老化,不易检修; ② 列车运行中隔振地段车内振动噪声明显加剧,钢轨内侧磨损加剧,据分析是由于横向刚度较低和阻尼较小所致; ③ 隔振效果约10～15 dB , 但固有频率在15～20 Hz , 对于软土地基及对人们较敏感的振源低频部分隔振效果并不理想。
钢弹簧浮置板道床由螺旋钢弹簧和粘滞阻尼组成,有内置式、侧置式和适用于桥梁建筑隔振的支座式3 种系列,隔振效果远高于其它隔振方法,适用于线路从建筑物下面(或附近) 通过,以及建筑物隔振要求较高的场合(如音乐厅、歌剧院、医院、市政厅、会议中心、博物馆、中高档住宅和酒店等) 。该技术已成功地应用于国内外20 多个不同场合。德国柏林地铁、科隆地铁、法兰克福—曼茵茨国际机场楼顶快速客运系统、巴西圣保罗地铁、日本东京地铁、韩国釜山—汉城高速铁路的部分地段采用了这项技术。首批使用场合已成功运营达10 年之久,至今情况良好。表1 对几种常见的隔振措施的特性进行对比。
4 隔振效果
由于钢弹簧浮置板的固有频率很低,所以隔振效率很高。据国外文献报道,科隆地铁通车后,实测浮置板到隧道壁的振动传递损失,在215～400 Hz 的1Π3 倍频程内平均高达45 dB(图4) 。我国铁道科学研究院对深圳地铁足尺模型落锤试验测试结果显示,钢弹簧浮置板的峰值振动传递损失达30 dB 。
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| 图4 科隆地铁浮置板及隧道壁垂向振动速度(dB) 比较 |
表1 几种常见的隔振方案比较
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北京城市铁路共在3 个地段采用了钢弹簧隔振技术,其中西直门交通枢纽西直门车站和指挥中心高架线路穿楼段已于2002 年9 月28 日通车。东直门居民楼段浮置板道床于2002 年11 月底顶升完毕, 将于2003 年1 月28 日全线通车。业主已委托铁道科学研究院对西线各种隔振措施进行全面测试,结果正在处理中,待东直门居民楼路段通车测试后一并发表。
根据现场宏观感觉,关窗后在指挥中心内感觉不到车进车出;根据非正式测试结果,站台层下的监控室内车进车出时垂向Z 振级和等效声级分别为60 dB 和45 dBA , 已满足了国标GB100070 —1998 和国标GB3096 —1993 对城区夜间居民区室内的振动的控制标准(67 dB 和45 dBA) 。
5 钢弹簧浮置板的应用前景
目前国内各大城市正大力发展城市轨道交通,但由于国内城市轨道交通起步较晚,土地资源又十分宝贵,轨道线路从建筑物附近甚至正下方穿过的情形难以避免。如果不采取较好的隔振措施,建筑物内的环境振动将可能超标,不但影响人们的工作和休息,还会造成附近房地产贬值。钢弹簧浮置板隔振效果彻底, 技术优势明显,为城市轨道交通的振动噪声环境控制提供了有效的技术手段,在特殊隔振地段具有广阔的应用前景。
正因如此,螺旋弹簧浮置板技术近期在国内地铁中得到了较快的推广,除北京城市铁路外,尚有深圳地铁、上海地铁、南京地铁在特殊的隔振地段设计了螺旋弹簧浮置板,我国台湾台北、高雄两市也将钢弹簧浮置板列为比选方案之一。城市轨道交通减振降噪是城市可持续发展战略的重要组成部分,是一门系统学科,希望各方面专家和有关主管部门在城市规划和设计研究中能给予足够的关注。
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