江 楠

(北京市生態(tài)環(huán)境保護科學(xué)研究院，北京100037)

1 引言

軌道交通作為一種現(xiàn)代化的交通工具，以其快速、準(zhǔn)時、安全、舒適及裝載容量大等優(yōu)點在城市交通中起著重要的作用。隨著國內(nèi)各大主要城市地鐵進入網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)和運營階段，以及公眾對自身生活環(huán)境要求的不斷提高，因地鐵列車通過時產(chǎn)生的振動影響日漸突出。為控制地鐵振動及其衍生的二次結(jié)構(gòu)噪聲，采取軌道減振、隔振溝、隔振墻、建筑物防護等多項控制措施可降低影響，但在實際操作中，以軌道減振最為有效，也最便于實施。常用的軌道減振措施大致分為扣件、軌枕和道床三類[1]，梯形軌枕屬軌枕類減振措施。

目前在軌道交通項目環(huán)境影響評價中，軌道減振措施的減振性能主要依據(jù)廠家提供，缺失其實際效果的監(jiān)測與分析，這就造成在選用減振措施時可能無法滿足實際需要的減振量，或因產(chǎn)品自身特點給運營帶來新的危害。通過對北京已運營地鐵線路采用梯形軌枕區(qū)段的振動測試數(shù)據(jù)，并結(jié)合梯形軌枕在耐久性、應(yīng)用特性等方面的問題，分析了梯形軌枕的實際

減振性能及軌道區(qū)段的適用性，為城市軌道交通環(huán)境影響評價中減振控制措施的合理確定提供技術(shù)依據(jù)，特別是梯形軌枕的應(yīng)用原則。

2 梯形軌枕軌道系統(tǒng)構(gòu)成及技術(shù)特點

2.1 梯形軌枕系統(tǒng)

梯形軌枕又稱縱梁式軌枕，是在傳統(tǒng)橫向軌枕、雙塊式軌枕、雙向預(yù)應(yīng)力的板式軌道和框架板軌道的基礎(chǔ)上演變而來，將板式軌道的雙向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)改進成由PC制的縱梁和鋼管制的橫向聯(lián)接桿構(gòu)成[2]，從而消除了枕中負彎距，取消橫向預(yù)應(yīng)力，形成獨特的“縱向預(yù)應(yīng)力梁+橫向鋼連桿”框架結(jié)構(gòu)，消除了橫向預(yù)應(yīng)力[3]，簡化了軌道結(jié)構(gòu)和制造工藝。

2.2 梯形軌枕綜合技術(shù)特點

2.2.1 主體結(jié)構(gòu)長效耐久

梯形軌枕的縱梁為預(yù)制的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，按不開裂設(shè)計，正常使用狀態(tài)的疲勞設(shè)計荷載及極限破壞荷載的荷載系數(shù)分別取為2倍、5倍，主體結(jié)構(gòu)可達100年的使用壽命。

2.2.2 減振墊及主體結(jié)構(gòu)可更換

梯形軌枕為縱梁+橫向連桿的預(yù)制結(jié)構(gòu)，通過簡單工裝抬升軌枕，即可非常方便的實現(xiàn)減振墊或主體結(jié)構(gòu)的更換，其配套減振墊采用聚氨酯發(fā)泡材料[4]，可靠使用壽命約30～40年。

2.2.3 軌道高度及減振性能可調(diào)整

由于梯形軌枕與現(xiàn)澆的整體道床之間并不固定，梯形軌枕的限位是通過減振墊及緩沖墊板來實現(xiàn)，故可通過調(diào)整梯形軌枕底部的墊板高度實現(xiàn)軌面標(biāo)高的調(diào)整。

2.2.4 驗收及檢查維修無隱蔽性

梯形軌枕的減振墊清晰可見，便于隨時檢查、更換或調(diào)整；軌道的排水溝斷面寬，且為明溝，便于隨時檢查和清理，從而杜絕軌道運營維護階段的危害和風(fēng)險。

2.2.5 施工安裝便捷可靠

梯形軌枕通過工廠預(yù)制的方式，減少或簡化了現(xiàn)場施工組裝、調(diào)整和檢查等工序，鋪軌速度可大于100 m/d，比同等級減振軌道結(jié)構(gòu)的施工效率提高30%～45%。

2.3 梯形軌枕的減振特性

軌道交通地下線(地鐵)振動是由于列車在隧道內(nèi)行駛過程中，車輪在鋼軌上的滾動與撞擊作用而激發(fā)軌道結(jié)構(gòu)振動，經(jīng)鋼軌、扣件、軌枕、道床向隧道結(jié)構(gòu)傳遞，再經(jīng)隧道結(jié)構(gòu)通過土壤層傳遞至表層土壤，并通過表層土壤向鄰近的建筑物傳播，從而激發(fā)地面建筑物的振動響應(yīng)，以至對沿線鄰近區(qū)域產(chǎn)生振動干擾[5]。

梯形軌枕系統(tǒng)是由減振墊、2個預(yù)應(yīng)力混凝土縱梁及其聯(lián)接桿件、橫縱向限位件組成，見圖1。整個系統(tǒng)形成雙彈性疊合梁，一方面增大了軌道抗彎剛度，擴大輪軌力分布范圍，改善輪軌動力學(xué)性能[6]；同時，框架式構(gòu)造可確保高精度的軌距和軌底坡，實現(xiàn)高質(zhì)量的軌道平順性，從而起到主動隔振和降低噪聲的作用；另一方面由點支撐的減振墊形成了輕型的質(zhì)量彈簧系統(tǒng)，也起到減振作用[7]。

圖1 梯形軌枕系統(tǒng)的減振構(gòu)成

3 梯形軌枕軌道減振測試

3.1 北京地鐵9號線

3.1.1 監(jiān)測斷面

北京地鐵9號線在七里莊站至六里橋站段設(shè)置有梯形軌枕，選取該區(qū)段列車運行勻速位置為梯形軌枕監(jiān)測斷面，同步在未采用軌道減振措施段選取對照監(jiān)測斷面，監(jiān)測斷面見表1。

表1 監(jiān)測斷面選取

3.1.2 Z振級監(jiān)測結(jié)果

兩個監(jiān)測斷面的道床及地鐵振動源強隧道洞壁處最大Z振級[8](VLZmax)見表2，具體減振效果見表3。

表2 監(jiān)測斷面Z振級監(jiān)測結(jié)果 dB

表3 梯形軌枕減振效果

3.1.3 頻譜分析

梯形軌枕監(jiān)測斷面道床測點和洞壁測點的振動加速度時域頻譜見圖2和圖3。

圖2 梯形軌枕道床垂直振動加速度時域與頻譜

圖3 梯形洞壁垂直振動加速度時域與頻譜

環(huán)境振動水平一般常以加速度1/3倍頻程的振動進行評價[9]，梯形軌枕及對照的普通軌道在道床和洞壁測點振動加速度時域的1/3倍頻程譜見表4。

表4 梯形軌枕與普通軌道道床、洞壁振級平均值 dB

梯形軌枕監(jiān)測斷面道床測點在16 Hz以后頻段減振效果比較明顯，在低于16 Hz頻段梯形軌枕監(jiān)測斷面與對照監(jiān)測斷面有重疊現(xiàn)象，減振效果不明顯；洞壁測點在40～100 Hz頻段減振效果明顯，在63 Hz附近達到峰值，在低于40 Hz和100～200 Hz頻段減振效果存在放大效應(yīng)，見圖4和圖5。

圖4 梯形軌枕斷面道床、洞壁振級分析

圖5 普通整體道床道床、洞壁振動分析

3.2 北京市其他地鐵線路

北京市除地鐵9號線外， 4號線、5號線、大興線、10號線等多條已運營的線路均有使用梯形軌枕作為中、高等級減振措施，包括高架線及地下線，在振動源位置對比效果監(jiān)測得到同線路條件下梯形軌枕的Z振級減振量，見表5。

表5 不同線路梯形軌枕減振效果 dB

4 梯形軌枕使用中存在的問題

梯形軌枕雖然有良好的軌道減振效果，但在實際運營中依然存在問題，特別是在北京地鐵4號線R400 m曲線半徑下易發(fā)生軌道異常波磨[10]，并產(chǎn)生較明顯的輪軌振動機噪聲，從而直接影響到梯形軌枕的減振效果。

北京地鐵4號線軌道減振段總長26.2 km[11]，波磨段長約11.78 km，其中在設(shè)置梯形軌枕的路段發(fā)生波磨主要位于新街口R350 m曲線段和北京南站R400 m曲線段[12]。分析波磨的主要原因有：

(1)所采用的扣件穩(wěn)定性較差，持軌能力不足，軌頭異常翻轉(zhuǎn)，扣件的鋸齒墊塊都發(fā)生了問題，測試的鋼軌動態(tài)水平位移達到±8 mm，見圖6。

(2)由于地鐵鋪軌工期緊，無鋼軌下料條件，現(xiàn)場最后通過盾構(gòu)井運送12.5 m鋼軌進行鋪設(shè)，造成軌道焊接質(zhì)量欠佳，平順性不好。

(3)地鐵線路開通運營初期運量大，輪軌與軌枕之間未充分“磨合”。

圖6 梯形軌枕小半徑曲線段扣件狀態(tài)及鋼軌橫向動態(tài)變形

5 環(huán)境影響評價中對梯形軌枕的應(yīng)用

5.1 各類軌道減振措施減振等級

目前關(guān)于軌道減振措施效果的評價，尚無標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。對于環(huán)境影響評價中要求的減振效果，依據(jù)《城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)》(GB10070-88)和《城市區(qū)域環(huán)境振動測量方法》(GB10071-88)規(guī)定，采用1～80 HZ頻率范圍內(nèi)的鉛垂向Z振級插入損失值，作為減振措施效果評價量[13]。

現(xiàn)有的北京市地鐵線路主要采用的減振措施有：鋼彈簧浮置板道床、彈性支撐塊、梯形軌枕、先鋒扣件、LORD扣件、Ⅲ型軌道減振器扣件等，其中鋼彈簧浮置板道床列為特殊減振，先鋒扣件、LORD扣件、梯形軌枕列為高等級減振，Ⅲ型軌道減振器扣件、彈性支撐塊則列為中等減振[14]。

5.2 梯形軌枕的應(yīng)用

從地鐵線路減振措施的可施工性、可維護性、使用壽命、實際減振效果、綜合投資等多方面分析[15]，梯形軌枕比較適用于采取一般減振的地段，具體應(yīng)用須考慮可能產(chǎn)生的異常波磨。

在軌道交通建設(shè)項目環(huán)境影響評價中軌道減振措施的選則時，梯形軌枕的應(yīng)用可按以下原則實施。

(1)高架段、地下段的整體道床可以采用梯形軌枕，碎石道床一般不建議使用梯形軌枕。

(2)對于環(huán)境振動預(yù)測超標(biāo)量≤10 dB的路段，采用梯形軌枕作為減振措施。減振段兩端應(yīng)外延一定長度。

(3)鑒于小半徑段梯形軌枕易產(chǎn)生波磨，因此在地鐵線路R≤450 m半徑區(qū)段一般不建議使用梯形軌枕作為軌道減振措施，如必須使用的，應(yīng)進行專項的軌道設(shè)計研究。

(4)對于地鐵線路直接下穿的環(huán)境敏感建筑，不易使用梯形軌枕，應(yīng)提高減振等級。

6 結(jié)論

通過對已運營的地鐵線路梯形軌枕減振效果的監(jiān)測，與普通軌道相比, 梯形軌枕一般具有10 dB的減振性能，達到高等級減振措施的水平。就軌道可施工性、可維護性、可更換性、運營安全性及使用壽命而言，梯形軌枕較鋼彈簧浮置板、軌道減振器扣件等又具有一定優(yōu)勢。但其在地鐵線路小半徑段易產(chǎn)生鋼軌異常波磨，在R≤450 m半徑區(qū)段不建議使用。因此，梯形軌枕作為高等級減振措施，在環(huán)境影響評價預(yù)測一般振動影響路段設(shè)置是合理、可行、可靠的。