减振降噪措施在城铁建设中的意义
城市铁路作为城市快速轨道交通,极大地方便了城市人口的出行,提高了人们居家择业的机动性,利于城市的环保。但城市铁路也给城市环境带来了诸如噪声、振动、电磁辐射、景观等方面的负面影响,其中以噪声和振动对沿线环境的影响最为突出。
对于城市轨道交通噪声与振动及其控制,在设计阶段,首先要根据环评报告对沿线振动与噪声的超标状况进行预测,然后逐段落实设计方案;在线路施工设计阶段,要采用经济合理和技术可行的减振降噪措施, 确保在线路开通后取得良好的减振降噪效果。
2 国内外减振降噪技术简介
2.1 国内外常用的几种减振技术
从20 世纪60 年代开始,用橡胶垫板作为轨道的弹性减振连接件,几十年来一直在优化和改进之中;科隆地铁采用特殊形式的轨道减振器,亦即科隆蛋,取得了较好的隔振效果,一般可以取得5～7 dB 的隔振效果;新进入中国市场的洛德(Lord) 扣件为胶结垫板,隔振效果与科隆蛋相当;弹性支承块(弹性套靴) 经济实用,隔振效果好,也可以达到5～8 dB 的隔振效果; 奥地利Getzner 公司针对高速铁路碎石道床和混凝土枕磨损较快、振动加剧这一问题,开发了浇注在枕木下的发泡聚胺酯枕木垫,取得了明显的效果,隔振效果可达到5～10 dB 。
对于隔振要求10 dB 以上的区段,一般要采用道床下隔振措施。碎石道床隔振主要采用整体弹性道碴垫,如橡胶垫(发泡或开槽,也有用再生橡胶) 和发泡聚氨酯垫;整体道床隔振也称为浮置板隔振,按弹性材料的结构形式分为面支承、线支承和离散支承三种,其中离散支承效果最好。弹性材料用橡胶的一般称为橡胶浮置板,用钢弹簧的则称为钢弹簧浮置板。钢弹簧浮置板一般采用离散支承。
橡胶浮置板的隔振效果好于轨下和枕下隔振系统,目前影响其推广的主要问题是橡胶易老化和不易检修更换,以及运行中发现隔振地段车内振动噪声明显加剧、轮轨摩擦声加剧;钢弹簧浮置板由钢弹簧和粘滞阻尼组成,隔振效果高于其它隔振方法,适用于线路从建筑物下面或附近通过并且建筑隔振要求较高的场合,如音乐厅、歌剧院、医院、会议中心、博物馆、高档住宅和旅馆等。钢弹簧浮置板寿命长,不需特殊维护和保养,检修或更换弹簧十分方便,利用专用工具2 个人就可完成,不用拆卸钢轨,不干扰行车,行车平稳性较好。
隔振方面的工程实践在我国开展得较晚,我国香港地铁、上海地铁、广州地铁、洛阳伊河大桥、济南铁路桥、广深线石龙镇铁路桥、秦岭特长隧道都采用了减振措施。如上海地铁应用科隆蛋隔振技术,广州地铁应用橡胶浮置板,北京地铁应用了套靴隔振,国铁秦岭隧道(1814 km) 采用弹性支承式轨枕无碴轨道结构。深圳地铁一号线在穿越市政府段采用秦岭隧道隔振方案,并委托铁道科学研究院做了实尺模型刚度试验、落锤冲击隔振效果试验和隔振器疲劳试验,其中落锤冲击试验隔振效果平均在40 dB 以上,隔振器通过了300 万次疲劳试验。北京地铁建设一直非常重视地铁减振技术,北京地铁环线在东四十条站铺设了弹性套靴整体道床结构(经30 多年运行,减振效果显著),在四惠车辆段的试车线上采用了地面线道碴垫减振技术。
2.2 噪声控制措施及应用
噪声的预测和声屏障的设计已有完善的理论和工程实践,隔声屏形状和吸声材料的新发展使噪声控制技术不断完善。声屏障技术首先在公路建设中得到应用和推广,随后应用到城市轨道线路。许多国家无论高速公路还是城市铁路沿线到处可以见到形式各异的声屏障,在声屏障的研究和工程建设方面积累了一整套成熟的理论和成功的经验。如新加坡在4418 km 高架线路两侧全部设置了高017 m 、厚0108 m 的隔声式混凝土声屏障,而且声屏障设计与桥梁结构设计同步进行。
3 北京城铁减振降噪措施的决策与实施
为了尽可能减小振动噪声对北京城铁沿线的影响,提高城铁及沿线的综合环保水平,北京城市铁路股份有限公司在城市铁路的设计任务书中,明确要求轨道设计要提高轨道弹性、扩大无缝线路的铺设范围、采取有效的减振降噪措施,减少列车振动对沿线的影响。根据北京城铁的桥梁结构、轨道结构、车辆选型和运行特点,以环境影响评价报告书为依据,结合沿线环境敏感点的实际情况,对城市铁路轨道沿线采取了不同的减振降噪措施,以使沿线环境敏感点达到国家环境噪声标准和环境振动标准的要求。
北京城铁将全线的减振划分成三级,预测未超标地段为一般减振地段,预测振动超标地段为较高减振地段,对振动、噪音和固体声的控制要求极高的地段为特殊减振地段,各地段采用不同的减振措施,使轨道部件配置合理,达到分级减振的目的。
3.1 在轨道设计中全线采取的主要减振措施
(1) 北京城铁采用了新线一次性铺设无缝线路,实现了地面线轨道铺设技术的突破,消灭了钢轨接头,减少了振动源。
(2) 提高施工与养护维修精度。钢轨打磨、车轮镟圆,使轮轨接触良好,减少了轮轨冲击;小半径曲线钢轨涂油,既减轻了钢轨磨耗,又降低了噪音。
(3) 整体道床地段采用设有双弹性垫层的弹性分开式扣件并实现了道岔扣件的全弹性化。
3.2 减振要求较高地段的减振方案 采用D Ⅰ轨道减振器扣件
D Ⅰ轨道减振器扣件为弹性分开式无挡肩扣件, 承轨板、底座与橡胶圈硫化为一整体,较充分地利用了橡胶的剪切变形,动弹性好,扣压件、轨距垫、轨下橡胶垫板及与轨枕的联结方式同DT Ⅵ型扣件,较DT Ⅲ型扣件振动加速度函数值减少10～20 dB 。上海地铁一、二号线和广州地铁一号线在减振要求较高的地段均铺设了这种扣件。现场减振测试结果表明,D Ⅰ轨道减振器扣件较DT Ⅲ型扣件振动级减少4～5 dB ,达到了国家环境保护控制标准要求,经多年运营使用,技术状态良好。
3.3 北京城铁重点减振地段的减振方案
在西直门车站、指挥中心穿过高架桥地段以及和平里居民塔楼地段,采取了特殊隔振措施。
3.3.1 西直门交通枢纽高架车站北京西直门交通枢纽位于繁华的北京二环西北角西直门地区中心,是我国正在建设的第一个集公交、国铁、环线地铁、水运站于一体的交通枢纽,紧邻城铁西直门站西侧是三栋已立项开发的高档写字楼,东侧是改建的国铁北京北站,周围是公交站点;还有环线地铁站,城铁西直门站为高架三层框架钢筋混凝土结构,站台设在第三层,除两条正线外还有一条存车线,城铁车站结构与相邻的华融公司开发的写字楼的地下结构连通为一体,地下为超市及停车场。
就对城铁的减振要求而言,目前国内尚无规范要求,然而为了迎接奥运会,体现绿色奥运精神,应尽可能减小城铁对交通枢纽和周边写字楼的振动和噪声影响。城铁公司和华融公司按照首规委文件精神,进行了多次磋商,并组织设计院、有关专家和隔振厂家进行多次技术交流和专家论证,从设计院提出的多种备选方案中,确定了钢弹簧浮置板隔振技术方案。钢弹簧浮置板隔振系统是将轨道固定在钢筋混凝土质量平台上,平台再放在主要由柔性弹簧组成的隔振器上,这个质量平台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簧传到基础结构上。钢弹簧浮置板隔振系统的隔振效果为20～25 dB ,同时可消除固体声,隔振系统固有频率约5 ～7 Hz ,其弹簧钢的疲劳寿命长,很容易更换,不影响行车。这种结构虽然在德国、英国、巴西有过成功的应用实例,但国内至今尚未使用。
3.3.2 西直门交通枢纽北京城铁指挥中心高架桥
高架桥紧接西直门车站,是三跨总长75 m 的混凝土预应力连续梁,桥梁从城铁指挥中心穿过,共三条线,指挥中心内部既有指挥调度的工作人员,又有大量敏感的电子设备,是城铁的神经中枢,降低此处的振动和噪声,对于保证重要敏感设备的可靠运转和城铁的正常安全运行至关重要。为此,采取了桥梁和指挥中心分离的措施,使桥梁的振动和动载不直接传到指挥中心。另外,为了确保指挥中心的振动和固体声不超标,桥上采用了类似于减振支座的隔振方案。
2001 年8 月,北京城铁公司邀请了包括桥梁、抗震、振动、动力仿真分析等领域的十几位国内相关专业领域的专家,对该项隔振技术的初步设计方案进行了评审,隔而固公司的外国专家也参与了论证,结论是该方案理论上可行,在国外有类似成功的工程实例,但鉴于该方案的技术复杂性,建议补充动力仿真计算,对行车安全和抗震安全进行分析。2002 年9 月27 日,各与会专家又对动力仿真分析的结果和方案进行了评审, 肯定了该方案的安全性。
3.3.3 和平里居民楼北京城铁在和平里附近从两座居民塔楼中间的地下穿过,隧道外壁离居民楼的基础只有半米,根据国内外类似情况估算,即使此处采用减振要求较高地段的减振方案(D Ⅰ轨道减振器扣件方案),仍不能确保居民楼内振动达到GB10070 规定的标准,夜间可能会超标4～6 dB 以上,且会有残留固体声,属于隔振要求较高的地段,因此也采用了钢弹簧浮置板。特别是此处为地下隧道,采用隔而固公司的内置式钢弹簧阻尼隔振器,其中浮置板可以现浇,隔振器可以从浮置板顶面进行安装或检修,既安全方便,又不影响运营。
3.4 北京城铁噪声控制措施北京城铁是北京第一条大规模采用地面线的城市铁路,且城区部分沿线路段的噪声敏感点比较多,如西直门——知春路地段、和平里 东直门地段等。为确保北京城铁全线的降噪控制效果,北京城铁设计增加了全线声屏障,并组织专家对噪声控制方案进行了评审。
为使噪声控制做到技术经济合理,北京城铁吸收了国内外先进的技术,在声屏障的结构形式和材质等方面进行了重点研究,按噪声敏感地带与线路的实际关系及隔声要求,将全线的声屏障设计为三种形式,即全封闭式、半封闭式和直立式。
声屏障的吸声部分为HA2S 形吸声板或波浪吸声板,透明部分为夹胶玻璃或耐力板,波浪吸声板内部吸声材料采用无碱增水玻璃布包裹离心玻璃棉,隔声指数STC ≥30 ;夹胶玻璃结构的两外侧玻璃厚5 mm ,中间为0176 mm 厚的胶膜,隔声指数STC ≥30 ;耐力板采用透明耐光板,隔声指数STC ≥25 。全线共设置单侧声屏障614 km ,全封闭声屏障756 m ,总计43 249 m2 。
4 小结
北京城市轨道交通减振降噪问题,在环评阶段就进行了充分考虑,设计阶段精心比选各种方案,大胆采用国际先进技术,使北京城市铁路减振降噪的效果达到了绿色环保的要求。