地铁车辆段上盖开发中减振降噪措施应用综述

徐会 唐扬
摘要:基于国内外对于地铁上盖物业减振降噪措施的研究进展,从振动和噪声影响展开分析,以满足国家环保标准及上盖开发要求为目标,同时针对各种减振降噪措施进行对比分析,并通过已建成的应用实例对发展趋势进行讨论,可供类似工程参考和借鉴。
关键词:地铁车辆段;上盖物业;噪声;振动
中图分类号:X593 文献标识码:A 文章编号:2095—672X(2016)06—0006—05
DOI:10.16647/j.cnki.en15-1369/X.2016.06.002
引言
2016年以来,我国迎来了城轨交通的告诉发展时期,各大城市纷纷加快了地铁建设进程,而地铁车辆段作为地铁建设中集中使用土地面积最大的地块,是具有配属车辆的基本单位,并承担了车辆的管理、保养、检查等工作。对于土地资源日益紧缺的大中型城市而言,其占地面积较大,具有较大的上盖物业开发利用价值。
目前已开发的地铁车辆段的上盖物业大致分为三种模式,分别为地毯模式、高架模式以及地下掩土模式。这三种模式主要由车辆段所处的空间位置决定,其中地毯模式中车辆段是位于地面,地下掩土模式中车辆段是位于地面以下,而在高架模式中车辆段则位于地面以上。目前在我国地铁车辆段的上盖物业开发中,地毯模式占据了主流地位,如香港将军澳地铁车辆基地上盖物业、北京四惠车辆基地上盖物业、杭州蜀山车辆段等。高架模式则应用较少,目前国内仅有南京地铁大学城停车库采取此模式,其将高架停车库与周边用地进行统一规划与建设,成为我国高架开发模式的第一个建成案例。而地下掩土模式在国内尚无建成实例,其在国外具有一定应用,如英国的怀特镇车辆段、日本光丘车辆段、新加坡的金泉车辆段等。
在车辆段周边空间进行物业开发,挖掘其商业价值,可以为地铁建设与运营提供充足的资金保障,也可以提高土地使用率以及社会效益。而车辆段内噪声与振动对周边产生的不利环境影响,已成为上盖物业开发的重要制约因素。为了保证上盖开发的环境质量,必须采取一定的减振降噪措施。因此,在我国大力发展城市轨道交通的形势下,结合已建成铁路交通建设的经验,根据振动和噪声的污染特性,因地制宜地寻求减振降噪效果较好、成本较为合理的措施,是当前亟待解决的问题。
1上盖开发中车辆段振动与噪声影响简析
1.1振动影响
列车运行引起建筑物的振动属于弱振,弱振不会引发结构安全问题,但会降低建筑物内人的居住舒适度,削弱建筑的适用属性。地铁车辆段对上盖物业的振动影响相比一般轨道交通而言,其振动传播存在一定差异,这些振动经道床、立柱等介质,传输至平台上地面后引起了结构振动。总的来看,车辆段振动源主要有车辆动力系统振动、车辆与轨道结构动态作用、轮轨不平顺等因素引起的轨道振动,这些振动主要通过轨道接触传递到道床,然后通过道床传递到地基或隧道壁,再通过土壤传播到建筑结构内部,在建筑物内产生振动和二次噪声(固体传声),形成干扰。
近年来,国内外学者对于轨道交通引发的振动研究得到了一定突破。国外对这个问题研究较早,其中Fuiikake研究了由运行车辆引起的建筑物振动的发生原理、传播规律以及其对周围环境的影响。Anderson选择在受到地铁振动影响的两幢建筑内部进行振动实测,发现较大的振动主要分布在5~50Hz频域。Metrikine基于数值模拟,将地铁隧道和土层分别概化为欧拉伯努利梁和弹性层状介质,重点阐述了振动波在建筑体内部的传播规律。与列车在地下轨道运行不同,地铁列车进出车辆段时,上盖物业位于其上方,地铁运行引起的振动波缺少了在土层中传播的衰减过程,其通过道床、立柱和平台直接传播至上方构筑,此时上盖建筑物振动特性与地铁列车在地下轨道运行引起周边建筑物振动特性差异很大。
在国内研究中,大多集中在列车运行对周边建筑物振动影响分析,在此基础上,谢伟平等人基于弱振情况,改善有限元模型构建和荷载输入方法,发现地铁列车进出车辆段时,高频占据了引起上盖建筑物的振动的主要频域,列车振动的荷载属性也在一定程度上影响建筑内振动的频域分布;同时,建筑内楼板跨中各方向振级沿高度方向的变化存在一定差异,整体看来,在水平方向振级随楼层的增大而增加,而铅垂向Z振级随着楼层的上升先减小后增大。
1.2噪声影响
車辆段的噪声特性主要取决于其功能定位。一般情况,车辆段的噪声主要源自列车出入噪声、检修作业噪声、设备维护噪声以及试车产生噪声等。同时,地铁上盖受振动影响而产生的二次结构噪声也是上盖开发中噪声影响的主要内容,如列车出入所产生的振动导致的结构噪声,乃至检修库中的吊车运行也会导致较为明显的结构噪声。
康波建立了地铁列车与结构振动噪声分析模型,预测出列车运行速度对建筑物室内二次结构噪声影响显著,其室内声压级随着列车速度提高而显著增加。英国与法国研究机构将地铁沿线建筑物内部二次结构噪声影响预测值与实测值进行交叉验证,发现建筑物底层的二次结构噪声与地板振动存在良好的线性相关,但对其他楼层的线性关系并不明显。Welk-erJG经过分析指出,地铁的二次结构噪声频域主要在20~200Hz,而峰值一般出现在50~80Hz,相应的声级范围则为35~45dB;而国际标准化组织则指出建筑物二次结构噪声的峰值频域在16~250Hz。北京地铁复兴门至西单区间的列车通过时,周边建筑内一层地面的二次结构噪声频域为5~250Hz,其实测声级范围为42~48dB(A)。
2上盖开发中车辆段减振降噪措施概述
目前我国尚无具体轨道交通减振降噪的国家标准与设计规范,只能通过地铁建设的相关规范进行设计。根据《地铁设计规范》(GB50157-2013)要求,减振轨道结构应按《项目环境影响评价报告书》确定减振位置及等级;采取减振工程措施时,应当充分保证轨道结构的强度、光滑与稳定性。
根据已建成的城市轨道交通项目,其减振降噪措施主要有:轮轨接触表面光滑度控制、车轮噪声控制、轨道噪声控制以及屏蔽噪声源。由于钢轨是噪声与振动传播过程中的主要辐射体,所以针对抑制钢轨振动、减小钢轨振动加速度和频率这几个方面寻求措施,可有效地减振降噪。本文简单介绍以下几种措施。
(1)打磨钢轨表面。钢轨顶面的粗糙度直接导致轮轨系统相互干扰,是引起钢轨振动及产生二次结构噪声的主因。对钢轨表面进行打磨,是使得钢轨表面变得光滑从而达到减振降噪效果的最有效的方法。
(2)采用重型钢轨。列车运行而产生的振动随着其垂向刚度的增加而降低,重型钢轨可以有效抑制钢轨的垂向振动;同时重型钢轨寿命周期长,稳定性能和抗振性能均较为良好。
(3)减小钢轨截面尺寸。降低钢轨高度可减少钢轨的垂向振动辐射,降低钢轨的宽度则能够减少钢轨横向的振动辐射。
(4)采用阻尼钢轨。由于钢轨腹板的厚度较薄,阻尼轨可以明显减轻钢轨腰部的振动,从而降低了噪声影响。
(5)采用埋入式轨道。埋轨道是指由轨道上的弹性体进入混凝土轨道槽,并通过隔振阻尼材料将钢轨和钢轨的底部部位埋在卧铺板中。埋深可至轨头下部,通过弹性变形改善减振降噪效果。其特征是将轮轨的振动能量转化为热能,通过吸收此热能可达到降低轮轨噪声的目的,此方案处理后的轨道噪声可有效降低4~5dB。
(6)采用刚度合适的轨道垫板。由于钢轨的振动传播相对自由,所以产生的噪声较大。柔软的垫板可削弱钢轨与轨枕的藕合作用,从而降低轨枕产生的噪声,因此可选择刚度合适的垫板,使得轨枕的噪声与钢轨的噪声处于相同水平级。
(7)采用轨道减震器扣件或弹性扣件。轨道减振器扣件为三阶减振的全弹性分开式扣件,它由金属承轨板、底座以及橡胶圈经硫化工艺组合而成。柔性扣件将橡胶粘在冲压成型的钢轨底与钢轨之间,并在轨座下的上板与底板之间设置减振器,以削弱上板的横向运动。
(8)采用弹性支承轨道结构。将弹性优良的胶垫设置在枕下,并在纵向和横向也提供一定的橡胶垫弹性,此方案对振动与噪声具有较好的抑制作用。
3应用案例
3.1长沙地铁黄兴车辆段上盖物业开发轨道减振降噪措施
黄兴车辆段配属于长沙轨道交通2号线工程,位于长沙轨道交通2号线东端,通过出入段线在光达站接轨,承担2号线车辆的运用、检修作业及综合维修任务。针对黄兴车辆段上盖物业开发的轨道减振降噪问题,因地制宜地采用不同减振降噪措施。
对于列车运行产生的振动,库内线因为速度低,振动小,主要采取扣件底设置热塑聚酯高弹垫板来进行减振;对于出入线、试车线、库外线,由于此类项目均为碎石道床,主要通过在道砟下设置减振道砟垫来达到减振目的。对于小半径地段轮轨摩擦啸叫声,采用迷宫式约束阻尼钢轨降噪,适用于出入线、库外线曲线地段。对于列车经过钢轨接头时产生的振动和“咣当”声,采用减振接头夹板来消减振动噪声,适用于库内线、库外线及道岔区不焊接长钢轨地段。
3.2深圳地铁塘朗车辆段上盖物业开发轨道减振降噪措施
塘朗车辆段主要承担深圳地铁5号线配属车辆的停休、检查、整备工作以及全线配属车辆检修和管理任务。基于其轨道振动和噪声的污染源及模拟预测成果,对塘朗车辆段地提出针对性地车辆段轨道减振降噪措施。
试车线采用道砟垫方案,该道砟垫为产自德国的卡棱贝格质量弹簧系统,由三元异丙胶和氯丁胶等天然橡胶及合成橡胶制成,将其铺设在碎石道床下可作为轨道的弹性支撑。其优势是有着良好的采用面支承,耐水、耐磨、耐老化性能,经测试表明,其在30~250Hz频域范围内碎石道床减振效果较好,降噪可达10~15dB。对于库内外整体道床及检查坑地段,项目采用高弹垫板弹性分开式扣件或高弹性减振扣件方案,减振降噪效果十分明显。
二次结构噪声可通过上述减振措施来降低,但以空气动力、辅助设备噪声、轮轨系统为主的一次噪声只能通过降噪措施来解决。依据环评阶段的噪声监测结果,明确了车辆段内一次噪声敏感地段以及噪声超标程度,采取全天候道床吸音板、迷宫式约束阻尼钢轨、以及声屏障等降噪方案。其中,试车线与道岔区采用全天候道床吸音板方案,急弯地段采用迷宫式约束阻尼钢轨方案。
4对我国上盖开发车辆段振降噪技术进一步发展的建议
尽管塘朗车辆段与黄兴车辆段在上盖物业开发中均采取了较为先进的减振降噪措施,但根据社会报道及公众调查,居民的實际居住体验并不理想。我国步入城市轨道交通建设较晚,技术和政策方面还需进一步完善,针对国内已建成的车辆段减振降噪措施的应用现状,笔者有以下几点建议:
(1)健全减振降噪的控制体制,推进和完善振动与噪声控制的标准与技术规范的制定工作。
(2)对于有上盖开发的车辆段,根据减振降噪的要求,比较各类措施的应用效果、措施投资、寿命年限等因素,并对道床及基础类型进行综合技术经济分析,因地制宜地制定减振降噪措施。
(3)加强同类工程的基础材料采集,建立地铁上盖减震降噪的相关数据库。详细记录上盖物业建设过程中规划、设计与施工情况,并通过材料与数据累积逐渐形成一体化的系统解决方案。
(4)新建车辆段上盖物业应从全局出发,充分考虑交通和环境的协调性,做到因地制宜、统筹兼顾,对防振要求较高的建筑,如文物保护建筑、精密仪器实验室等,线路应尽可能避让或考虑建筑物整体迁移。
(5)不断探索减振器、隔声屏等新技术和新材料的开发,积极借鉴国内外在机械、车辆、船舶、航空等领域运用成熟的减振降噪技术,大力自主开发减振降噪核心技术及周边产品。
5总结
上盖开发中的车辆段减振降噪措施是一项综合性系统课题,涉及环保、建筑、城市规划、新型材料等多领域成果,国内的上盖物业建设尚处于初步发展阶段,相应的减振降噪措施还处在研究探索、试验及逐步完善阶段。结合国内已建成的工程实例,总结出一些车辆段振动与噪声的控制技术,以供今后的车辆段上盖开发项目或类似项目进行参考。今后,我国应当从车辆、轨道结构、振动噪音传播等角度出发,对上盖开发中涉及到的车辆段减振降噪技术进行更加深入的研究,并积极创新,使车辆段运营对上盖物业产生的振动和噪声影响得到根本解决。