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地铁减振降噪技术讲座:地铁轨道减振设计

轨道减振与控制实验室2018-03-24 22:04:38

本文转载自RT轨道交通(railtransit),作者原北京市地铁总公司副总工程师李腾万




导读

自1863年世界上第一条地铁在英国伦敦建成并投入运营后,截至2010年全球共有关189座城市607条地铁建成投入运营,线路总长达11524公里。我国北京第一条地铁于1970年建成通车,到2013年年底,中国已有43座城市修建地铁和轻轨,其中投入运营的有19座城市,地铁运营总里程已超过2100多公里。



城市轨道交通与其他交通工具相比,具有快捷、运输量大、安全、正点、可靠等优势,解决了城市交通拥堵难题,所以极大方便人民群众出行,产生了显著的社会效益。修建地铁拉动了国民经济的发展,符合我国大中城市优先发展公共交通的政策。


现在人民生活水平提高了,要环保要提高乘客乘坐地铁的舒适度,对地铁沿线和周边地段要求减振降噪,所以修建地铁要符合环保要求,这是今天的主要专题。



一、地铁轨道减振设计依据



  1. 环评报告及相应补充的环评报告


  2. 《城市轨道交通引起建筑物振与二次辐射噪声限值及其测量方法标准》(JGJ/T 170-2009)


  3. 《建筑物中人能承受的振动限值》(ISO2631)


  4. 《古建筑防工业振动技术规范》(GB/T 50452-2008)


  5. 《城市区域环境振动标准》(GB 10070-88)


  6. 《城市区域环境噪声标准城市区域环境噪声测量方法》(GB3096-93 GB/T 14623-93)



二、地铁轨道减振设计原则



  1. 除环评已明确的特殊减振区段外,其他区段减振等级的设计,根据不同建筑物的结构特征和与线路的相对位置,可按环评报告的减振要求提高一个档次。


  2. 环评报告未明确的减振区段,若振动预测结果接近临界值,依据不同建筑物的结构特征和与线路的相对位置可采取基础减振措施。


  3. 考虑到线路的调线及周边敏感点可能发生变化等原因,建议建设单位委托环评单位对相应地段做补充环评,设计单位按上述1、2条考虑减振措施。


  4. 设计单位应对规划区域的振动影响情况进行具体分析,确保线路周边规划功能区的减振满足要求。


  5. 考虑列车运行平衡性及施工、运营维修便利,对同一线路的同一减振措施设置应进行整合,不宜过于零散。


  6. 设计单位应补充减振措施的经济技术比较。



三、中华人民共和国城市区域环境振动标准






四、中华人民共和国城市区域环境噪声标准






五、地铁轨道减振等级划分



  • 一般减振 振动不超标

  • 中级减振 5db≤减振设防<8db

  • 高级减振 8db≤减振设防<15db

  • 特殊减振 15db≤减振设防



六、地铁轨道减振措施分四种类型




1. 钢轨减振、降噪


① 迷宫式钢轨阻尼降噪板(简称阻尼板轨道)在500Hz~8KHz频率范围内可降低1.8db~5.4db


② 颇泰克铁路集团,加拿大Kelsan(凯尔森)采用Keltrack(凯创克)轨顶面摩擦控制(北京科大同创机电有限公司引进上述先进技术)特殊固体材料是水基悬浮液,当产品涂敷在钢轨顶面水分挥发留下一层干性薄膜(控制磨擦系数最佳值为0.35)此产品不影响列车牵引和制动,降噪效果平均为10db,最高达到22db,横向力降低50%.


③ 深圳市纳能科技有限公司引进美国QC118隔音阻尼涂料,在钢轨轨腰及轨底涂上一层(厚度0.5mm~1mm)涂料消音效果达4~20db,这是轻质、防火、防水、防腐、防锈蚀,无毒环保材料。


2. 扣件减振


① 减振器扣件(又称科隆旦)分III型、Ⅳ 型两种,又分剪切型和压缩型。压缩型减振扣件又称双层非线性减振扣件,扣压力小于11.2KN,刚度12 ± 2KN/mm,动静刚度比<1.3 ,减振效果5~8db。


② Lord减振扣件,承轨板带孔橡胶和底板硫化在一起,利用橡胶的压缩变形减振,扣压力小于11.2 KN,刚度20 ± 2 KN/mm,减振效果5~8db(此扣件又称粘合垫板式扣件)


③ Vanguard扣件(先锋扣件),通过弹性部件扣紧轨头与轨腰,而不是扣在轨底。潘得路先锋扣件有两种基本结构,分嵌入型和底板型,垂直静态刚度4.4KN/mm,垂直动态刚度6.0KN/mm,垂直动静刚度比1.4,横向静钢度9.5~12.1KN/mm,爬行约束为4.5~16.8KN,减振效果12db。


3. 轨枕减振


① 弹性短轨枕,在北京和法国采用较多,减振效果8~12db。


② 弹性长轨枕,在轨枕底部设置刚度较底的三元乙丙橡胶微孔发泡弹性垫层,并通过弹性套靴将长轨枕与道床隔离,列车通过时垂直方向被自由压缩一定行程实现减振,水平纵向及横向基本无弹性,以保其水平方向的稳定性,减振效果8.2db~10.7db,在北京机场线铺设3.3km(东直门至三元桥区间铺了2.8km,T3航站楼铺了0.5km)在日本东京都,名古屋市,大板市,神户市地铁均采用此产品。


4. 道床减振


① 隔离式橡胶减振垫道床,最早在德国,意大利铺设以后在美国旧金山,巴塞尔轻轨、多特蒙德市地铁,圣保罗CPTM、斧山铁路干线、俄罗斯西伯利亚铁路、台湾高雄捷运、香港地铁已成功应用,隔离式减振垫宽度为1.5m,分覆盖层——编织层——夹层——编织层——阻尼层,是面支撑和橡胶弹簧的结合,减振效果超过Z振级12db,德国地铁已应用引产品38年,经过2500万次疲劳试验衰减率3%。


② 钢弹簧浮置板道床,弹簧——质量——隔振系统的固有频率约为4~8HZ其Z振级减振效果可达到20db以上,同时可消除二次结构噪声,它分固体阻尼隔振器和液体阻尼隔振器,其减振效果为:


  • 固体阻尼钢弹簧浮置板减振效果15db~20db

  • 液体阻尼钢弹簧浮置板减振效果大于20db


GERB金属钢弹簧浮置板系统包括:浮置板、隔振器、剪力铰三大部分。


浮置板构造容许误差:


  1. 下部基础——平整度2mm/m2,绝对偏差>10mm,垂直方向公差0,5mm

  2. 弹性隔振器——侧置式位置偏差>3mm,内置式位置偏差>3mm

  3. 钢筋混凝土浮置板——长度偏差±12mm,宽度偏差±5mm,高度偏差±5mm

  4. 轨道结构高度——830mm以上(最佳为840mm)

  5. 剪力铰——安装偏差±5mm

  6. 隔振器刚度——6.9KN/mm

  7. 浮置板与一般轨道过渡段——12.5~20m


5. 其它隔声、吸音、减噪材料


① 在钢轨旁安置隔声墙——1/3反射+3/2吸收,减噪效果4~8db


② 多孔混凝土吸音板,1992年德国联邦铁路局(EBA)研制吸音板,在Rheda 2000型轨道结构上安装吸音板,其效果:对碎石道床(有砟轨道)低于0.9~3.2db(A);对整体道床(无砟轨道)低于3.9~6.2db(A)。我国广西柳州汉西鸣建材发展有限公司在北京昌八联络线利用中间水沟盖板作吸音板,降噪系数(NRC)=0.8


吸音板以陶粒、水泥等无机材料为主制成,它的参数:


  • 承载 8N/mm2

  • 抗压强度28d=8.0Mpa

  • 抗折强度28d=2.0Mpa

  • 密度=1100kg/m3 持久耐用



七、地铁噪声源




1. 牵引电机和动力设备噪声

2. 轮轨相互作用和轨道结构噪声

3. 车体的空气动力噪声


对于轮轨噪声又可分为三种类型:


  • 轮轨滚动噪声

  • 轮轨冲击噪声

  • 啸叫噪声


轮轨噪声与轮轨表面几何状态有关:


  • 轮机表面粗糙度

  • 车轮踏面和钢轨表面局部伤损等短波不平顺


轮轨表面粗糙度和蠕滑力引起而产生车轮、钢轨、轨枕(轨道板)等振动并向空间辐射出的噪声为轮轨滚动噪声。由车轮踏面局部损伤,钢轨接头等冲击引起而产生的噪声为轮轨冲击噪声。



八、地铁应采取综合减振降噪措施



城市轨道交通综合减振降噪应包括下列三方面:


  • 车辆减振降噪

  • 建筑结构减振降噪

  • 轨道减振降噪



九、减振轨道报价参考资料



2010年8月提供资料,目前单价由于大手批量生产有所下降(单位:万元/单线公里)


1. 中级减振


  • 轨道减振器扣件 130~160

  • 弹性短轨枕 70

  • 弹性长轨枕 分长轨枕及套靴两部分(资料不详)


2. 高级减振


  • 梯形轨枕 900~1200(供货部分阶800万)

  • 先锋扣件 400(供货部分单位每个节1200元)

  • 中量级浮置板道床 900

  • 减振垫浮置道床 650(供货部分:高架线380万元 地下线620万元)


3. 特殊减振


  • 钢弹簧浮置板(固体阻尼) 1300

  • 钢弹簧浮置板(液体阻尼) 1400

  • 国产化钢弹簧浮置板900万元/单线公里(供货部分700万元)

  • 进口钢弹簧浮置板1400万元/单线公里(供货部分1200万元)

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