轨道交通由于轮轨接触_轮轨接触理论的发展

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上海城市轨道交通振动与噪声源分析

轨道交通由于轮轨接触、车辆设备(受电弓、电机、空调等)等产生的振动和噪声对周围环境产生一定的影响。随着人们生活水平的提高,对环境要求也越来越高。城市轨道交通要走可持续发展的道路,在解决好交通的同时也要确保良好的生活环境。本文通过对上海既有轨道交通线路的振动和噪声进行测试,收集了国内外有关资料,分析其对环境的影响程度,提出了车辆、桥梁、轨道结构、声屏障及轨道管理等方面的减振降噪措施。

一 轨道交通的振动分析

（一）振动的产生与传播机理

城市轨道交通在运营过程中,列车车轮与钢轨之间产生撞击振动,经过轨枕、道床,传递至隧道或桥梁基础,再传递给地面,从而对周围区域产生振动,并进一步传播到周围建筑物。这种振动干扰不仅对地铁沿线民宅、学校、医院等环境产生不良影响,而且可能对沿线基础较差的建筑物造成损害。

振动波在土介质中的传递过程,其作用机理及传播特性与地震基本相同。这些振动波遇到自由界面时,在一定条件下重新组合,形成一种弹性表面波,随着离振源距离的不同,它们之间的能量也在改变,同时传播速度、衰减率也为距离的函数。根据振动传播理论,振动从地面进入建筑物,不同结构建筑物其振动衰减也不同。.（二）上海地铁测试结果分析上海软粘土埋深10 m 左右地下线路中心处最大振级在75～80 dB 2 矩形隧道结构DT Ⅲ 扣件道床振动加速度水平(94.96 dB)远小于盾构隧道结构DT Ⅲ 扣件道床振动加速度水平(105.11 dB)3 扣件类型对地面建筑物振动影响明显,减振型钢轨扣件的减振效果比较明显。4 建筑物的振级(地面垂向Z 振级(VLZ))大小与建筑的基础类型、构造型式及其与地铁线路的距离有密切关系。基础较差的砖木结构或轻质结构,其振级与土壤接近,振动衰减小。

将上述测试结果与现行环保标准对照可以看出:在上海饱和软土地层中,对于一般埋深(10 m 左右)的地下线,其中心线处地表振动超标5～10 dB;当线路埋深超过30 m 时,混凝土基础的建筑物的振动大大降低。

（三）上海轨道交通振动控制建议

城市轨道交通的振动控制是一项综合性工作, 它牵涉到车辆、轨道、桥梁与隧道的结构型式、岩土特性、沿线建筑物结构型式及建筑物距离线路的远近程度等。根据国内外经验,只有根据具体线路情况,采用综合性减振措施,才能取得显著效果。1 车辆选型

轨道交通车辆的性能对振动影响较大,应选用动力性能优良的轨道车辆,尽量降低车体重量和轴重,减小轮轨动力冲击,采用先进技术如径向转向架或直线电机车辆等。2 桥隧结构的选择

为了降低振动在沿线传播,针对桥、隧结构本身的减振措施,国外进行过大量的研究与实践,主要有:(1)采用框架式防振隧道结构,质量大、刚度大、整体性好的矩形隧道结构相对装配式衬砌结构其换算振动加速度可降低8～15 dB。(2)暗挖工法施工隧道结构在隧道衬砌内侧设置隔振层,避免轨道与隧道的直接接触,降低振动波的传播。(3)采用双箱梁或多箱梁等。3 轨道结构振动控制措施建议

结构既是城市轨道交通的振源,也是振动传播途径中的重要环节。本文从分析城市轨道交通的振动与噪声来源入手,从轨道结构方面采取一些措施,以达到减振降噪的目的。城市轨道交通轨道结构的设计有别于干线铁路,其自身特点决定了轨道结构的设计原则“ 少维修,高弹性,减振降噪”。国内外大量研究表明,地铁轨道结构按其减振效果可分成三大类:第一类为一般扣件,其竖向刚度在20～60 kN/ mm 之间,有一定减振降噪效果;第二类为柔性扣件,其竖向刚度在10～25 kN/ mm 之间,用于减振要求相对较高区域;第三类为特殊要求的减振轨道结构(减振型轨下基础),用于对减振降噪有特殊要求的地段。(1)柔性扣件

在地下段采用柔性扣件可降低地铁运营对沿线建筑物的振动影响。上海地铁1 号线的测试结果表明:Lord 扣件以及地铁轨道减振器的减振效果明显优于DT Ⅲ 型扣件。在减振要求较高地段,美国、新加坡、德国科隆、法国等均采用了减振型钢轨扣件[ 2 ]。

在高架线路采用柔性钢轨扣件,减小了振动向桥梁和沿线建筑物传递,同时降低了轮轨噪声和梁体的二次噪声。在国外,高架线路广泛采用了减振型钢轨扣件。日本高架线路测试结果表明,采用柔性钢轨扣件,噪声可降低3 dB(A)。

(2)减振型轨下基础(浮置板式轨道结构及LVT 无碴轨道结构)浮置板轨道结构降低振动水平20 dB。在需要特殊减振的区间和综合性多层车站等地段采用,如高架线路穿越整幢建筑物,地下线路经过对防振要求非常高的区域如音乐厅等。LVT 无碴轨道(弹性支承块式),即在支承块下加一层弹性橡胶套,轨道的垂向刚度约为10～30 kN/ mm;垂向弹性由轨下和块下双层弹性橡胶垫板提供,最大程度地模拟了弹性点支承传统碎石道床结构和受荷响应,并使轨道纵向弹性点支承刚度趋于一致。此外,在支承块外设橡胶靴套提供了轨道的纵、横向弹性变形,使这种无碴轨道在承载、动力传递和振动能量吸收诸方面更接近坚实基础上的碎石道床轨道,从而使这种轨道结构的振动和噪声减少到最低程度。LVT 无碴轨道结构(结构图见文献6 图5)被瑞士国营铁路首次采用。由于其特有的减振、降噪、减磨等优越性能,后来被世界上许多国家所采用,如丹麦、英国、法国、葡萄牙等。当线路穿越居民区及一些对振动很敏感的单位(如医院、学校、居住区等)时采用[ 4 ]。

(3)采用重型钢轨、无缝线路

采用重型钢轨可有效抑制钢轨的垂向振动。将50 kg/m 钢轨改成60 kg/m 钢轨后,钢轨的垂向刚度增加, 可以把列车冲击而产生的振动降低10 %。

采用无缝线路,即将标准轨焊接成长钢轨,减少钢轨接头数量,从而减少接头处轮轨冲击引起的振动与噪声。

(4)加强轨道不平顺管理

在列车运行过程中,轨道不平顺引起动荷载明显增大。动荷载的变化加速了轨道状态的恶化,导致轮轨之间振动与噪声增大。测试结果表明:钢轨打磨后,在振动频率为8～100 Hz 范围内,振动水平下降4 ～ 8 dB , 站台上的振动水平下降5 ～ 15 dB[ 5 ]。控制轨道不平顺是降低轮轨之间振动与噪声的有效措施。为此应加强轨道不平顺管理,制定严格的养护维修计划,确保轨道处于平顺状态,从而减少振动与噪声对周围环境的影响。采用减振降噪型钢轨

当列车通过钢轨顶面时,由于钢轨腹板的厚度较薄,轨腰产生振动,这一振动向外传播产生噪声。为了最大限度地减小钢轨腹板振动引起的噪声,可在钢轨腹板两侧粘贴减振橡胶和钢板。粘贴钢板是为了增加振动质量,起到衰减振动的作用;粘贴橡胶则是阻尼振动,达到降噪目的。

一 城市轨道交通轨道结构噪声来源分析

大量研究结果表明,列车引起的噪声可分为四个部分:轮轨噪声、集电噪声、车厢的空气动力噪声和桥梁结构的二次振动噪声。随着列车运行速度的变化, 轨道交通的主噪声源也随之变化。轨道交通的噪声源我国城市轨道交通列车运行速度一般在60～80 kmΠh , 故相应的主噪声源为轮轨噪声,有效分析轮轨噪声产生的机理是找到城市轨道交通减振降噪的关键。城市轨道交通轨道结构的轮轨噪声的振动来源于轨道的不平顺。钢轨与运行中的列车车轮相互作用,激起钢轨和轨下基础的振动,钢轨就向外辐射噪声,振动随轨下基础向周围传递, 或引起振动, 或造成结构的“ 二次噪声”。

二 上海轨道交通的噪声结果分析

（一）噪声的产生与传播机理

轨道交通噪声主要来源于高架线路列车运行时轮轨的接触噪声、车辆非动力系统噪声(车辆的空压机、空调机、电动机等),以及桥梁结构的二次振动引起的辐射噪声、小半径曲线路段上车辆轮缘与钢轨间的摩擦声。噪声的大小与车辆型式、曲线半径、桥梁与轨道结构等因素有关。

（二）噪声测试结果

在测试高架线路噪声时,桥面以上部分的噪声峰值大于桥面以下的噪声峰值。当列车以60～80 km/ h 速度行驶在高架线路上时,其噪声连续等效声级可达85～90 dB(A)(单列车通过)。其噪声特点是声级高,作用时间长,且以中低频为主。

（三）测试结果分析高架线箱梁下的噪声峰值为80 ～ 85 dB(A)2 高架线路的噪声峰值一般超标量为10～ 15 dB(A)3 随着建筑物距线路中心距离的增大,噪声峰值也有所衰减。建筑物距离线路中心30 m 处, 噪声可衰减5 dB(A)左右。箱梁下的噪声高达80 dB(A)以上,说明钢轨扣件和轨下基础减振效果差,轮轨动力作用直接传递到梁体,引起较大的二次噪声。

（四）轨道减振器扣件道床方面的减振降噪措施 1 有碴轨道碎石道床

有碴轨道碎石道床自身为轨道结构提供了良好的弹性。另外,由于碎石道床为散粒状结构,可以吸收部分噪声,然而城市轨道交通具有行车密度大、行车间隔短、运营时间长、工作环境狭隘等特点,决定了城市轨道交通优先采用无碴轨道结构。2 无碴轨道整体道床

（1）有枕灌注式整体道床

① 弹性短轨枕式整体道床

弹性短轨枕式整体道床由两个独立的短轨枕、弹性钢轨扣件和轨下弹性垫板及混凝土道床等部分组成。短轨枕外设橡胶套提供轨道的纵、横向弹性变形, 具有较好的噪声和振动衰减特性,弥补了无碴轨道刚性大的缺陷。但是,在高架桥上使用这种轨道结构,当高温暴晒和雨水或脏物进入橡胶套靴内部时可能对结构性能或寿命产生不利影响。

② 弹性长枕式整体道床

这种道床由长轨枕、橡胶垫减振箱、承轨槽道床等组成。这种轨道结构的特点是橡胶垫减振箱施工就位及维修更换比弹性短轨枕式轨道方便,轨距容易保证。在高架桥上使用较为有利,而且施工难度及工程造价比其他减振轨道小。

（2）浮置板式整体道床

① 橡胶支承式浮置板整体道床橡胶支承式浮置板轨道是将预制的钢筋混凝土板置于可调的橡胶支座上。该结构由钢筋混凝土浮置板、橡胶支座、混凝土底座及配套扣件组成。用扣件把钢轨固定在钢筋混凝土浮置板上,浮置板前后左右均嵌入橡胶板,形成减振系统,达到减振降噪效果。其阻尼效应可达30 dB , 并且轨道的绝缘性强,可有效防止轨道迷流的发生。但是,其体积庞大,施工与维修不便,造价较高。

② 弹簧隔振器浮置板整体道床(如图6 所示)。德国GERB(隔尔固)公司研制的弹簧隔振器浮置板轨道,采用螺旋弹簧支承浮置板道床,因为其固有频率很低,故采用弹簧隔振器浮置板轨道比橡胶支承式浮置板轨道的减振效果还好。虽然螺旋弹簧几乎没有阻尼作用,但由于浮置板较重(> 5tΠm),列车通过而引起

（五）噪声控制措施建议

城市轨道交通噪声控制的对策除采用上述各项减振措施外,还需在噪声源(轮轨动力作用)、噪声传播途径的阻截(声屏障设置)及振动噪声敏感目标的防护等方面采取有效措施,才能取得理想效果。

1车辆的特殊设计

高架轨道交通车辆应进行特殊设计,如增加车辆裙板及车底设置吸声结构等。香港西铁就采用这种形式的车辆。打磨轮轨表面,使轮轨表面平滑化

轮轨噪声是轨道交通噪声的主要来源。由于噪声和振动在500～2 500 Hz 频率范围内线性相关,且钢轨在此范围内是主要的辐射体,因此,有效抑制钢轨振动、减小钢轨的振动加速度和频率是降噪的关键。轮轨系统激扰是引起轮轨相互动力作用的根本因素,没有激扰就不会产生振动和冲击, 也不会辐射出噪声。因此,必须严格控制轮轨系统的振动激扰源。早期一些研究表明,由于轮轨作用面的局部不平顺(粗造度)而产生振动,从而引起滚动噪声。钢轨顶面的粗糙度是产生滚动噪声的主要声源。3 线路选线及高架结构型式的选择

在环境敏感地段,线路选线应尽量避免采用小半径曲线,以减小轮缘对钢轨内侧的冲击,降低轮轨接触中的尖叫噪声。同时还可结合岩土地质特性,采用不同的线路型式。如德国柏林的一条地铁在穿越高档别墅区时就采用了穿越深路堑的方式来降低噪声对周围环境的影响。高架桥梁结构采用槽型梁也可有利于降低噪声。采用弹性钢轨

在振动和噪声敏感地段,可在轨腰两侧粘贴防振材料,即采用弹性钢轨,增加振动沿钢轨的衰减率。当装上吸振材料后,钢轨的声功率可降低12 dB。日本的高架铁道采用了这种形式,测试结果表明,可降低噪声3～5 dB(A)[ 7 ]。

5设置声屏障声屏障是降低轨道交通运行噪声的一种有效措施。在地面和高架城市轨道交通采用声屏障可

参 考 文 献

[1] 焦金红等.轨道结构的减振降噪措施[J ].城市轨道交通研究,2002 ,(1).[2] 张振淼.城市轨道交通环境噪声的评价与控制以及衰减噪声的途径[J ].地铁与轻轨,2001 ,(2).[3] 何宗华.城市轻轨交通设计指南[M].北京:中国建筑工业出版社,1996.[4] 赵惠心等.城市轨道交通土建工程[M].中国铁道出版社, 2000.[5] J.KALOUSEK 等.钢轨打磨试验的分析和校正性打磨、预防性打磨的意义[ C ].第四次国际重载铁路会议论文集, 中国铁道学会秘书处,1990.12.1 王毅.北京地下铁道振动对环境影响的调查与研究.地铁与轻轨,1992 ,21～24 2 Esveld C.Railway-induced ground vibration.Rail Engng Intern , 1991 ,(2)3 Walker J G.Metros should be silent servants.Develop metros , 1992 4 VADILLO E G.Subjective reaction to structurally radiated sound from underground railway : Field results.J Sound Vibr , 1996 , 193(1)5 Moehren H H.The dynamics of low vibration track.RTS , 1991 , 87(9)6 焦金红,张苏,耿传智等.轨道结构的减振降噪措施.城市轨道交通研究,2002 ,(1):61～65 7 户源春彦.防震橡胶及其应用.牟传文译.北京:中国铁道出版社,1982