国内城市轨道交通所采用的减振降噪措施

2021年4月16日00:00:02
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从1984年北京地铁2号线东四十条站试铺弹性短轨枕,到八通线、13号线在站区采用轨道减振器扣件、钢弹簧浮置板,直至如今北京新开通线路中减振措施占全线比例大多超过40%,个别线路甚至达到60%,减振措施的发展非常迅速。品种繁多、型式多样的减振措施在全国范围内广泛应用的同时,多种新措施和新的减振思路也不断出现。

1 当前轨道工程中常用的减振措施

在现今轨道振动控制工程中,常用的减振措施主要为轨道减振措施,轨道减振措施根据减振效果进行分类,分为中等减振措施,高等减振措施和特殊减振措施;按照弹性部件使用位置不同,可分为钢轨振动控制、轨下减振、枕下减振和道床下减振四大类。

1.1钢轨振动控制措施

目前控制钢轨振动的措施主要包括钢轨重型化和无缝化、钢轨维修,产品包括钢轨吸振器、埋入式钢轨,如图1、图2所示。

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图1钢轨吸振器

钢轨吸振器的种类很多,包括单点钢轨吸振器、长条状钢轨吸振器以及迷宫式约束阻尼钢轨吸振器、TRD等,这些措施主要控制钢轨本身的振动,各措施的有效频段因吸振器结构和阻尼材料的不同而不同。

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图2 埋入式钢轨

埋入式钢轨是直接把钢轨埋置于混凝土或轨枕板的钢轨槽内。埋入式钢轨最大的特点是钢轨连续支承,由于钢轨是埋入式,所埋入材料可将轮轨振动能量转化为热能并予以吸收,也大大地降低了钢轨的辐射噪声。

1.2 轨下减振

轨下扣件是控制钢轨振动向下传递的部件。目前地铁上采用的扣件都具有一定的弹性,目的是降低轨道结构的振动,现今常用的减振扣件包括:轨道减振器扣件、LORD粘结垫板减振扣件、双层弹性非线性减振扣件以及Vangard先锋扣件等。

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图3 减振扣件

1.3 轨下减振

目前枕下采用的减振措施包括弹性短、长轨枕和梯形轨枕等。弹性短轨枕(弹性支承块/LVT)轨道较早用于轨道减振中,但由于其对施工精度要求较高,现阶段在城市轨道工程中使用较少。

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图4 弹性轨枕

弹性长轨枕比弹性短枕稳定性好,且弹性垫板容易更换。不足之处在于轨枕之间的沟槽会影响紧急疏散效率。

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梯形轨枕是在预应力纵向长梁下设置弹性聚氨脂高弹支垫,使其浮于混凝土基础之上,达到减振效果。在此基础上的改型产品为纵向轨枕。

1.4 道床下减振

道床下减振是通过弹性体把轨道结构上部建筑与基础完全隔离,利用整个道床在弹性体上的惯性运动来隔离和衰减列车运行产生的振动。根据道床下弹性体的不同,目前主要有减振垫浮置板轨道(根据减振垫材质可分为橡胶、聚氨酯、岩棉三种主要类型)、橡胶支座浮置板轨道和钢弹簧浮置板轨道。

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图7 钢弹簧浮置板及减振垫浮置板

2 减振措施新产品和新思路

由于减振工程的特殊性和产品选型的惯性,很多新产品和设计思路并未获得广泛推广和客观评价。

新产品和新思路根据其产生原因可分为针对减振产品引起的问题进行改进、提高减隔振效果、对既有产品进行工程性改进、新概念产品四个方向。

2.1  针对减振产品引起的问题进行改进

减振扣件因其低刚度设计会加大钢轨振动及辐射噪声,针对这一问题,在澳大利亚ECRL线上,就曾将Delkor Egg扣件配合TRD产品进行使用以控制钢轨振动。近年来在扣件设计上,一些产品将减振扣件和钢轨吸振器予以结合。

谐振式浮轨扣件利用动力吸振原理,设计了内含谐振质量块的橡胶制成楔块,吸收钢轨的振动能量。

谐通扣件可以与迷宫式约束降噪板兼容,实现减振和降噪作用。

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图8 谐振式浮轨扣件、谐通扣件

2.2 将减振措施进行组合以提高减隔振效果

将减振措施进行组合以获得更高的减振效果这一思路在香港西铁线、伦敦东线、瑞士巴塞尔有轨电车线路都有所应用。其中香港西铁线采用科隆蛋扣件与橡胶支座浮置板组合,并结合桥梁结构优化和多腔室降噪设计实现振动噪声控制;伦敦东线采用低振动轨道(LVT)和减振垫进行组合;巴塞尔有轨电车减振工程采用固有频率为5 Hz的钢弹簧浮置板组合固有频率为 17 Hz的减振垫浮置板。

延续这一思路,国内科研单位将非线性道床隔振垫和高性能减振扣件两种高等减振措施并用,研发出高减振组合道床系统,在保证安全的前提下,使隔振效果达到最优。

组合道床这种方式也在韩国高速铁路有所应用,轨道型式为采用有砟轨道组合侧置式钢弹簧浮置道砟槽。

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图9 组合减振

2.3 对既有产品进行工程性改进

减振措施的使用受限于施工控制水平。鉴于弹性轨枕轨道对支承块与套靴的公差匹配以及对施工安装要求较高,在目前难以实现良好的施工控制的条件下,尽管弹性短轨枕的减振效果优于一般的扣件类减振措施,弹性短轨枕在国内的推广和使用一直受到限制,CONSOLIS RAIL公司在弹性长枕外添加刚性外槽以应对施工误差影响不失为一种很好的方案。

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图10 High attenuation sleepersystem(CONSOLIS RAIL)

2.4 新概念产品

(1)LVT traffic - a mobilityconcept on rails--- Sonneville

LVT traffic是Sonneville公司新提出的概念产品。这种轨道允许胶轮车辆在轨道上行驶,以满足车辆进入隧道进行应急抢险这一情况。

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图11 LVT-traffic(Sonneville)

(2)缓冲鞍座扣件(ANTI-VIBRATION SADDLESFOR UNDERGROUND)

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图12 缓冲鞍座扣件及原理(Fimor)

鞍座扣件是考虑到一般扣件轨底坡的影响,会造成下部垫板上的压缩不均,因而使得一侧扣压件受力过大,即便调整垫层刚度,也无法改变不均匀压力和弹条、垫板、螺栓的提前磨损问题。因此,采用杠杆原理设计缓冲鞍座扣件,由聚氨酯材料提供弹性支撑,通过杠杆支臂调节高度、轨距和轨底坡,在确保扣件减振效果的前提下,保证扣压件和垫板的合理受力。

(3)地铁减振降噪阻尼材料

采用地铁减振降噪阻尼材料是在轨枕与道床之间、道床与基底之间、盾构管片表面喷涂阻尼材料,形成约束阻尼结构,把振动噪声的机械能转化为热能消耗掉,从而达到减振降噪的目的。

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图13 地铁减振降噪阻尼材料(青岛理工大学功能材料研究所)

(4)剪切型弹性轨枕复合减振器

剪切型弹性轨枕复合减振器是将弹性支承块与剪切型减振器进行结合,利用现浇混凝土整体道床作为其外部约束圈,结合了传统弹性支承块有一定参振质量可避免轮轨共振以及科隆蛋充分利用橡胶的剪切弹性的优点。

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图20 剪切型弹性轨枕复合减振器(江阴海达橡塑股份有限公司)

3 结语

随着城市的发展和轨道交通路网的加密,轨道线路走向或埋深设计愈加难以绕避环境振动敏感点,轨道工程减振措施的需求将进一步提高,而不同种类轨道减振措施的大量使用,不仅带来了投资压力,也降低了轨道结构的刚度平顺性,甚至引起了较大规模的钢轨异常波磨等轨道病害。因此在轨道交通减振措施的设计和使用方面还需重视一些问题:

3.1 综合减振不综合。减少或控制城市轨道交通环境振动的负面影响,是一个综合性的工程过程,需要在振源、传播路径及敏感目标自身隔振等多个层面综合规划及优化。目前工程上过度依赖轨道减振,而忽略了车辆及传播路径综合减振措施的研究与推广。目前传播路径隔振及敏感目标自身隔振技术的研究工作明显不足,尚需更多的科研投入和实践积累。同时,需要推进车辆系统自身进行减振降噪设计研发的力度。如此才能在根本上解决综合减振不综合的问题。

3.2 减振效果评价不统一。目前各厂家提供的产品减振性能参数,一般是根据商业广告标称的特定频率而给出,与环境振动关注的1~80Hz的减振效果不对应,且多未注明使用的测量方法、评价量、频率范围、评价位置等与减振效果直接相关的条件。因此需权威的第三方机构对减振措施在特定的测试条件下和相应的频率范围内的减振效果做出客观的评价。

3.3 减振设计不规范。现阶段轨道减振措施在设计时缺少对减振轨道设计的总体性把握,而多重于产品本身减振效果,对产品在整个轮轨系统中的作用有所忽视。轨道减振产品是在车辆运行动力作用下工作的,首先必须确保列车在高密度行车下实现加减速及通过曲线的安全、平稳、低噪声,同时实现其减振性能。需要明确相应的设计方法并设立相应的规范予以明确,同时考虑减振与非减振轨道过渡段、施工条件预留、误差控制、过轨管线、排水等问题。

3.4 管理机制不健全。现在国内尚无明确的新技术、新产品、改良产品审查及上道使用的管理机制,因此对于新技术、新产品和改良产品的试验工况、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。同时,为了减少过度采用轨道减振措施给轮轨作用带来的不利影响,需要开发更多种类的道床、隧道衬砌、路基、桥梁结构、地层隔振屏障、建筑结构以及设备的隔振工程技术措施,加大科研开发力度,促进市场转化机制的建立。

文章来源:

微信公众号:轨道减振与控制实验室

原文名称:轨道交通减振措施

原文地址:https://mp.weixin.qq.com/s/7Len-LZ4hOFP_YGqw9WUXA

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