地铁轨道减振降噪技术

（一）技术内容

城市轨道交通中的振动和噪声问题不容忽视。近20年来，这一问题日益受到广泛关注。1996年10月我国通过了《环境噪声污染防治法》，其中第三十九条规定应当减轻因铁路运行造成的环境噪声污染。振动和噪声使人感到疲劳和不舒适，地铁引起的振动和噪声已经成为发展地铁交通的首要制约因素。地铁振动和噪声的防治作为环保产业的一部分，在地铁环境建设方面和经济与环境协调可持续发展方面都具有重要而独特的意义。我国铁路和日本新干线都有这方面的教训，北京地铁、上海地铁、广州地铁都有居民投诉。在工程建设时如果忽视了振动和噪声问题，投入运营后再改造，困难增大，并浪费财力。

1. 橡胶支承浮置板的分类

橡胶支承浮置板按照混凝土施工方式可分为两种类型：

（1）连续现浇浮置板；

（2）双支承块式预制浮置板。

华盛顿（美国采用浮置板的第一个城市）、巴尔的摩、纽约地铁采用连续现浇浮置板，只有在需要施工缝时才断开。多伦多、亚特兰大、圣弗朗西斯科、洛杉矶、墨尔本、新加坡、中国香港、广州地铁采用双支承块式预制浮置板。双支承块式预制浮置板最早是由多伦多地铁采用，后来几乎每个新建的需要较高振动衰减的重型轨道交通系统都采用了这种浮置板。连续现浇浮置板和车辆系统的基本共振频率为16 Hz左右。双支承块式预制浮置板和车辆系统的基本共振频率为12～16 Hz。连续现浇浮置板是在弹性体（合成橡胶）隔振垫上铺一张金属模板，然后将混凝土浇入金属模板。双支承块式预制浮置板的一个独特优点是可以用叉车安装，用液压千斤顶定位。

橡胶支承浮置板按照橡胶支承方式可分为整体支承、线性支承、分布式支承三种。瑞士的日内瓦，法国的格勒诺布尔，西班牙的马德里，意大利的米兰、罗马，德国的慕尼黑，法国的南特、鲁昂、斯特拉斯堡，西班牙的巴伦西亚地铁采用的是整体支承，其优点是构造简单，施工速度快，施工误差小，隧道仰拱和道床受力均匀、支承面积大，可以很好地抵抗轨道纵向力和横向力，成本较低。缺点是可维修性差。德国的波恩、多特蒙德、埃森、慕尼黑地铁采用的是线性支承，其优点是较整体支承节省材料，轨道结构的固有频率较低。德国的波恩、汉堡、慕尼黑、纽伦堡，美国的华盛顿、亚特兰大、圣弗朗西斯科、洛杉矶，加拿大的多伦多，新加坡，澳大利亚的墨尔本，我国香港、广州、深圳地铁采用了分布式支承，其特点是抵抗轨道纵向力和横向力能力差，为了限制变形，必须使剪切模量、弹性模量、垫板厚度、垫板大小十分匹配，但是如果设计合理，轨道结构的固有频率低，减振效果好，维修方便。三种支承方式要求的轨道建筑高度和隧道开挖深度不同。其技术内容包括噪声控制技术和振动控制技术。

2. 浮置板的初步设计

初步设计可以将浮置板简化为单自由度（垂向）振动系统进行分析。为了避免模态相互作用和控制浮置板的运动，并达到显著减小地面振动和噪声的效果，板的重量至少应等于列车重量加上3倍的转向架簧下重量（这里的重量指板的长度范围）。在考虑转向架重量的情况下，浮置板的基本垂向共振频率必须小于16～18 Hz，这样才能减小低频噪音。一般说来，设计目标是13～15 Hz，如果要减小频率在20～25 Hz以下的振动，必须采用更低的频率。获得更低的共振频率需要更大的钢轨挠度或在仰拱以上更大的空间以放置更大重量的板。15 Hz有载垂向共振频率和最大活载静挠度3 mm的浮置板的设计参数为：混凝土板厚度为275～375 mm，宽度为3～3.5 m，弹性垫板厚度为75 mm。板必须与地铁结构完全隔离，因此，侧向和径向也必须采用弹性垫板。设计中侧向固有频率一般采用板垂向共振频率的0.5～1.0倍。对于连续板，在计算共振频率和确定所需的弹性垫板特性时，必须考虑垂向和侧向支承垫板的动力刚度和所容纳的空气。

浮置板的阻尼比应不小于5 %，由于车轮对轨道的激励频带较宽，对阻尼比的规定是为了抑制浮置板周频率附近的共振。

3. 耦合动力计算

城市轨道交通浮置板式轨道结构中应进行列车—轨道—路基（或桥梁）耦合动力计算，应满足685599—85《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》，以保证列车运行稳定性（安全性）和旅客乘坐的舒适性。

在轮轨系统建模时，对机车车辆系统和轨道结构子系统的种种简化，或多或少会导致弱型功能的损失或分析精度的降低。因此，理想的模型应充分考虑各种影响因素，尽可能完整地反映轮轨系统本质，从而使模型具有精度高、功能强的特点，同时又不能使模型过分复杂以便于计算模型的实施。车辆—轨道—浮置板耦合系统的动力学有限元计算模型应遵循以下基本假设和原则：

（1）采用连续分布参数轨道模型，适合于复杂问题的定量分析。

（2）钢轨采用连续弹性离散点支承梁模型而不用连续弹性基础梁模型，从而更好地符合城市轨道交通实际，并能用于处理轨道支承弹性沿纵向非均匀变化等特殊类型的动力学问题。

（3）将钢轨视如Bernoulli-Euler梁，既不使计算过程过于繁杂，又能适应工程应用需要。

（4）扣件、轨下弹性垫板和枕下道床的支承弹性及阻尼分别用等效的弹性刚度系数和阻尼系数表示。

（5）车辆采用整车模型。城市轨道交通车辆由车体、转向架构架、轮对以及联系弹簧所组成。联系转向架和车轮之间的弹簧称为一系弹簧，联系车体和转向架之间的弹簧称为二系弹簧。在轨道结构振动分析中，车辆视为具有一、二系悬挂的由车体、转向架构架及轮对组成的空间刚体系统，不考虑车体、转向架构架及轮对的弹性变形，并假设车体前后左右对称，转向架构架左右对称，悬挂系统中阻尼可为线性或非线性。因此，在竖向振动分析中，车辆具有10个自由度，即车体沉浮运动（沿铅垂轴上下移动）和点头运动（绕形心在竖平面内的转动）、前后转向架构架的沉浮和点头运动、4个轮对的沉浮运动。

（6）轮轨之间的作用力由赫兹非线性弹性接触理论确定。

（7）轨道不平顺模型：1972年美国开始使用有自动记录和力计算机数据处理的轨道检测车，Corbifi Jc根据实测资料，提出了比较详细的轨面不平顺公式及有关常数，线路共分为6级。在计算中可以采用5级线路轨道谱的不平顺样本。

4. 橡胶材料的选择

美国所有的双支承块式预制浮置板的橡胶支座均采用天然橡胶，配方源于加拿大多伦多地铁开发的用于Spadina曲线的双支承块式预制浮置板支承垫板。这种配方表现出低蠕变率，因而具有高可靠性和尺寸稳定性。合成橡胶的蠕变率比天然橡胶高。华盛顿地铁早期的浮置板垫板采用合成橡胶，不仅蠕变率较高，而且吸收水分，降低了弹性，需要更换。多伦多、亚特兰大地铁采用的天然橡胶垫板，没有发生垫板失效。天然橡胶垫板的可靠性高，蠕变率低，耐腐蚀性好，能减小其振动。天然橡胶的应用真正使浮置板做到了免维护，但不论采用何种橡胶材料，为了确保长寿命和合适的刚度范围，都必须制订详细的弹性垫板规格。

5. 减　振

目前各国城市轨道交通普遍采用的坡支承块式预制浮置板固有的有载频率为12～16 Hz，而连续现浇浮置板固有有载频率为16 Hz。

1995年旧金山地铁和亚特兰大地铁采用了有载固有频率为8 Hz的双支承块式预制浮置板。主要是为了隔离12～20 Hz的振动，这个频率范围的振动也是人易感觉到的。圣弗朗西斯科地铁的独特设计在于采用了高密度混凝土，其浮置板总厚度只有353.6 mm。亚特兰大地铁的8 Hz轨枕板式预制浮置板的总厚度为609.6 mm，质量为6.8 t，包括四套天然橡胶隔振垫。

华盛顿地铁、亚特兰大地铁、多伦多地铁浮置板隔振性能的实测数据表明浮置板隔振系统在设计共振频率以上的隔振效果是明显的，浮置板在1/3倍频程和125～250 Hz中心频率范围内减振效果最好，比普通整体道床减小24～28 dB。其中亚特兰大地铁在16 Hz以上的减振效果最好，是因为其设计共振频率最低。我国广州地铁浮置板比普通整体道床减振21dB。

6. 施工和维修

双支承块式预制浮置板的一个独特优点是可以用叉车安装，用气压千斤顶定位。多伦多地铁的标准重量的浮置板和亚特兰大地铁的浮置板质量为6.8 t、有载固有频率为8 Hz的浮置板都采用这种方法安装定位。连续现浇浮置板是在橡胶隔振垫上铺一张金属模板，然后将混凝土浇入金属模板。

影响浮置板造价和施工复杂性的一个非常重要因素是对地铁混凝土仰拱表面不需要特殊的精度。标准的公差和修整下的混凝土表面足够支承弹性垫板。对于连续浮置板，当混凝土浇筑时，薄金属模板弯曲，因此即使混凝土仰拱不平，每个垫板也能均匀承载。对于预制块式非连续设计，采用橡胶调整垫板，厚度3～6 mm左右，用于浮置板下以调节支承为一个平面，使得每个垫板的荷载基本相等。

在连续现浇浮置板的施工阶段，支承垫板粘贴在混凝土仰拱上意在安放金属模板和浇注混凝土时保持其位置。在双支承块式预制浮置板设计中，每块浮置板下表面设有凹坑，以对支承垫板进行机械固定。橡胶垫板粘贴在浮置板下使得安装浮置板时保持其位置。调整垫板不粘贴，否则无法取出调整。动载试验表明在对于连续现浇和一般支承块式预制浮置板、混凝土板荷载施加后，不需要固定橡胶垫板或调整垫板以保持其位置。

早期的橡胶支承浮置板维修较为困难，目前采取在浮置板上设置检修井、对现有板下橡胶垫板固定方式进行改进，可使施工和维修简化，在维修过程中完全可能采用简单机具更换橡胶垫板。

（二）主要技术性能

该项目提出了地铁综合轨道减振降噪措施，在国内首次从理论分析、仿真计算、足尺模型试验、实际运营试验等方面综合完善地研究和设计了适合于地铁的弹簧支承浮置板、弹性支承块、一次成型橡胶支承浮置板三种轨道结构。对国际上多种减振轨道结构进行了理论分析和方案比选；建立了车辆-钢轨-减振轨道耦合动力学系统有限元模型，进行了耦合动力学计算。完成了弹簧隔振器的选型，包括材料选择、结构形式、弹簧刚度、疲劳寿命检算和试验等；完成了橡胶套靴、橡胶垫板和橡胶支座的研制，包括材料选择、结构形式、尺寸、物理力学参数和耐老化性能；并提出了减振轨道的全套技术条件和设计图纸。仿真计算、足尺模型试验、运营试验均表明三种轨道结构具有良好的减振性能，并能够保证列车走行安全性和乘坐舒适度，设计中解决了轨道稳定性、纵向力、养护维修等方面难题。

（三）技术特点

该技术在轨道减振降噪的研究和设计方面取得了创新性成果，三种轨道结构的动力学仿真计算、足尺模型试验在国际上均为空白。《环境影响报告》指出，如果不采用减振措施，深圳地铁一期工程弹簧支承浮置板、橡胶支承浮置板、弹性支承块对应地段的减振效果不小于16 dB、12 dB、7 dB。根据实际运营测试结果，弹簧支承浮置板、橡胶支承浮置板、弹性支承块的减振效果分别为29.9 dB、17.6 dB、8 dB，达到减振要求。

（四）适用范围及应用条件

该技术适用于地铁轨道道床和轨道结构，其专业条件为：高架桥上声屏障设置地段和轨道减振不同要求地段，线路噪声的预测、评估，振动的预测、评估，振动噪声总体效果的预测、评估、设计。